Ochutnávka z Fascinace životem

Celá řada parametrů našeho vesmíru je z nějakého důvodu velmi vhodně nastavena. Kdyby měly tyto parametry jen lehce jinou hodnotu, žádné komplexní formy života by se nemohly vyvinout.

Pojďme se na některé tyto parametry podívat podrobněji.

Gravitace
Gravitace je s velkým náskokem nejslabší ze všech sil, je 1036krát slabší (tj. 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000krát) slabší než elektromagnetická síla.

Kdybychom měli shrnout historii vesmíru po Velkém třesku v jedné větě, zněla by nějak takto: Gravitace modelovala kosmické shluky a zvyšovala teplotní kontrasty, což bylo nutnou podmínkou pro vznik hvězd a galaxií, aby se mohla objevit komplexita, která se nyní po 13 798 miliardách let nalézá kolem nás a jejíž součást tvoříme.

Pojďme se podívat, jak by vypadal vesmír a možný život v něm, pokud by gravitace měla jinou hodnotu:

a) Kdyby gravitace nebylo, nebo pokud by byla dokonce záporná, po Velkém třesku by se všechny atomy rozprskly po vesmíru, který by se skládal z řídké polévky jednotlivých atomů. Nebyly by žádné hvězdy a logicky ani žádný život.

b) Pokud by byla gravitace silnější, mělo by to celou řadu důsledků:

I. Množství atomů nutné k zažehnutí termonukleární fúze a vzniku hvězdy by bylo menší. Hvězdy by sice „hořely“ stejně rychle, ale byly by lehčí, takže by měly menší zásobu „paliva“ a jejich životnost by tedy byla kratší.

Pokud by gravitace byla „pouze“ 1030, slabší než elektromagnetická síla (tj. gravitace by byla milionkrát silnější, než je dnes), byl by počet atomů nutný k zažehnutí termonukleární reakce miliardkrát menší, hvězdy by tedy byly mnohem menší a jejich životní cyklus dramaticky kratší. Typická hvězda by žila jen 10 000 let, což vylučuje evoluci komplexních ekosystémů.

II. Vesmír jako takový by byl významně „nacpanější“. Galaxie by byly menší, ale bylo by jich mnohem víc, takže by docházelo mnohem častěji ke srážkám a významně by se zvýšila pravděpodobnost, že gravitační působení procházející hvězdy vytrhne planetu z oběžné dráhy okolo své hvězdy. Stabilní planetární soustavy by nemohly existovat.

III. Silnější gravitace by ale významně komplikovala i rozvoj složitějších živočichů.
Pokud by gravitace byla „pouze“ 1030, slabší než elektromagnetická síla, žádný živočich by nemohl vyrůst do větších rozměrů, než má dnešní hmyz.

Velikost silné interakce
Silná interakce je síla, která drží kvarky pohromadě v protonu a neutronu a protony a neutrony pohromadě v atomovém jádře. Tato síla je zhruba 1040krát (10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000krát) silnější než gravitace.
Silná interakce má pouze krátký dosah (10-15) metru, její účinek klesá už na úrovni rozměru velkých atomových jader. Atomová jádra těžší než železo (Fe) jsou vázána volněji a jsou méně stabilní.

Pokud by byla silná interakce jen asi o polovinu slabší, proton by nebyl dost pevně vázán k neutronu, deuterium by nebylo stabilní a cesta k heliu a tím pádem k těžším prvkům by se uzavřela. Vesmír by obsahoval samý vodík, nic jiného, žádné těžší prvky.

Pokud by silná interakce byla naopak ještě intenzivnější, všechen vodík by se časně po Velkém třesku přeměnil na helium. Bez vodíku by nebyla voda ani život. Jak uvidíme později, základní stavební jednotky živých organismů (cukry, tuky, bílkoviny) obsahují nezanedbatelné množství vodíku, který je pro jejich stavbu nenahraditelný.

Hmotnost protonu a neutronu
Proton má hmotnost 938,27 MeV (jednotka hmotnosti megaelektronvolt).
Neutron má hmotnost 939,56 MeV.

Neutron je tedy nepatrně těžší než proton, rozdíl hmotností je 1,29 MeV.
(Hmotnost elementárních částic se běžně udává nikoli v jednotkách hmotnosti, ale energie. Jak objevil Einstein, energie je jen jiným vyjádřením hmotnosti: E = mc2).

Během termonukleární fúze je prvním krokem reakce fúze dvou protonů, při které se mění jeden proton na neutron, vznikne takzvaný deuteron (proton + neutron), pozitron (elektron, který má ale kladný náboj) a dále elementární částice zvaná neutrino. Zároveň se uvolní energie 0,42 MeV. Z přeměněného protonu ještě ale zbude elektron (se záporným nábojem), který reaguje s pozitronem – obě částice zmizí a vznikne gama-záření s energií 1,42 MeV.

Na první pohled je překvapivé, že z protonu vznikne těžší částice (neutron) a ještě se uvolní energie. Vysvětlení tkví v tom, že v mikrosvětě platí trochu jiná pravidla než v běžném životě – součet hmotností dvou volných protonů je větší, než když jsou spolu vázány v jádře. Silná síla, která je přitahuje k sobě, totiž také obsahuje energii (a jelikož je silná síla opravdu silná, tak tato energie je poměrně značná). A energie je jen jiným vyjádřením hmotnosti.

Kdyby byl neutron o něco těžší (jistě o 1, 42 MeV = 0,15 %, ale zřejmě i o něco méně), tak by tato reakce nemohla probíhat, protože fúze dvou protonů na deuteron by energii neuvolňovala, ale spotřebovávala.

Pokud by neutron byl naopak lehčí (o 0,8 MeV nebo více), všechny protony by se během Velkého třesku změnily v neutrony (v „našem“ vesmíru vzniklo při Velkém třesku na 100 protonů zhruba 16 neutronů – neutron je o něco těžší, takže jeho vznik vyžaduje více energie). Vesmír by byl tvořen jen neutronovými hvězdami a černými dírami a žádný život by neexistoval.

Pokud by byl neutron lehčí jen o zhruba 0,5–0,7 MeV, vzniklo by po Velkém třesku zhruba stejné množství protonů a neutronů. Ty by se spojily v helium, takže by vesmír obsahoval jen minimum vodíku.

Hvězdy by sice mohly existovat (místo vodíku by rovnou spalovaly helium), ale musely by být velmi těžké – k zažehnutí fúze helia je nutné dosáhnout teploty 100 milionů stupňů Celsia , k zažehnutí fúze vodíku „stačí“ jen 10 milionů stupňů. Tyto hmotné hvězdy by spalovaly helium velmi rychle a zářily velmi krátce. Život okolo takové hvězdy by ani neměl čas vzniknout.

Míra počáteční „nepravidelnosti“ vesmíru
Kdyby náš vesmír byl na začátku úplně hladký a homogenní, zůstal by takovým i během rozpínání. Po 13 mld. letech by obsahoval rovnoměrně rozptýlený vodík, helium a temnou hmotu, ale žádné hvězdy, galaxie ani lidi.

K rozvoji hvězd, galaxií a galaktických kup musel být vesmír na počátku trochu nepravidelný a tyto nepravidelnosti byly během vývoje vesmíru díky působení gravitace zvýrazňovány.

Míru nepravidelnosti je možné odhadnout podle fluktuací reliktního záření. Hodnota těchto fluktuací byla sondami, COBE, WMAP a Planck změřena jako 1/100 000. Přesné změření takto nepatrné fluktuace již tak velmi studeného reliktního záření (o teplotě 2,73°K) představovalo nepředstavitelnou technickou výzvu, ale podařilo se.

Fluktuace reliktního záření, které vzniklo, když byl vesmír starý pouhých 370 000 let, odráží velmi důležitý parametr samotného vesmíru, totiž míru původních nepravidelností mladého vesmíru. Tyto nepravidelnosti musely být „vtištěny“ do samotné textury vesmíru velmi brzy po jeho vzniku. Oblasti vesmíru s vyšší hustotou se rozpínaly pomaleji a později z nich vznikly galaxie a galaktické kupy. Oblasti s nižší hustotou se staly prázdnými prostory.

Důležitá je nejenom samotná existence nepravidelností, ale také jejich velikost. Hodnota 1/100 000 je přitom velmi malá. Pro srovnání: kdyby byla na Zemi výška hor jen 1/100 000 zemského poloměru, měly by nejvyšší hory jen 60 metrů.

a) Kdyby byla hodnota nepravidelností menší než < 10-5 (beze změny dalších parametrů), výsledné galaxie by byly neduživé a chudokrevné a hvězdná tvorba by probíhala pomalu a neefektivně. Hvězdami zpracovaný materiál by navíc unikal z galaxií a nedocházelo by k jeho recyklaci do nových hvězd a planetárních soustav.

b) Kdyby byla hodnota nepravidelností menší než < 10-6, plyn by nikdy nezkondenzoval do gravitačně vázaných struktur a žádné hvězdy by nevznikly.

c) Kdyby byla míra prvotních nepravidelností > 10-5, vesmír by byl turbulentním a bouřlivým místem. Již v jeho rané historii by zkondenzovaly oblasti daleko větší než dnešní galaxie. Nevytvořily by se hvězdy, ale došlo by ke kolapsu do obrovských černých děr, z nichž každá by byla hmotnější než celá kupa galaxií v našem vesmíru.
Pokud by se již nějaké galaxie utvořily, hvězdy v nich by byly mnohem pevněji vázané než skutečné galaxie a koncentrace hvězd by byla mnohem větší. Byla by tudíž mnohem vyšší frekvence vzájemných srážek a planety by si nedokázaly udržet stabilní oběžné dráhy.