Życie w Kosmosie[3]. Wszechświat uszyty na miarę

Park kosmologiczny Crawick Multiverse. Licencja Creative Commons (autor zdjęcia: James Johnstone)

Dotychczas rozważaliśmy możliwość istnienia życia i inteligencji we Wszechświecie. Istnienie i trwanie samego Wszechświata uważaliśmy za pewnik, niewzruszalny jak matematyczny aksjomat. Wszechświat istnieje od 13,8 mld lat i będzie istniał co najmniej drugie tyle, jak nie dłużej. Nie znamy jego struktury i dynamiki, nie wiemy, czy się rozwija czy zwija, nie wiemy też jak powstawał i dojrzewał. Nie przeszkadza nam to jednak w spekulacjach „co by było, gdyby”. W artykule postaram się przedstawić, posługując się metodą eksperymentu myślowego, teorie, według których nasz Wszechświat także jest czymś unikalnym. Oraz, czy życie oraz wyrosła na nim inteligencja są unikalne. Posługując się słynnym cytatem z Juliusza Verne’a: mobilis in mobili, czyli „ruchome w ruchomym” zastanowimy się, czy rzeczywiście mamy do czynienia z piętrowym złożeniem nieprawdopodobnych przypadków? 

W fizyce istnieje wiele stałych. Termin podstawowa stała fizyczna powinien ograniczać się do stałych bezwymiarowych. Jednak niektóre, jak prędkość światła w próżni (c), przenikalność elektryczna próżni (ε0), stałe Plancka (h) czy stała grawitacyjną (G) są liczbami mianowanymi. Liczba stałych fizycznych jest dość duża. Wystarczy powiedzieć, że Model Standardowy wymaga 25 stałych, z czego połowa to masy cząstek, których „bezwymiarowość” uzyskujemy odnosząc masy cząstek do masy Plancka. Wartości stałych fizycznych nie da się wyprowadzić za pomocą wzorów z innych wielkości, ich wartości są wyznaczane tylko z pomiarów. Właśnie ze względu na wielość stałych w Modelu Standardowym teorię tę uważa się za mało elegancką, niedopracowaną i usilnie poszukuje się teorii „piękniejszej” i „zgrabniejszej”, bardziej kompaktowej. Co nie znaczy, że ta teoria nie jest dokładna. Jest bardzo dokładna.

Jedną z najbardziej tajemniczych, a przez to bardziej medialnych stałych jest stała struktury subtelnej oznaczana grecką literą α. Pisał o niej Lucas Bergowsky w wartym przeczytania tekście 1/137. Wartość stałej struktury subtelnej jest fizyczną „wisienką na torcie” naszych rozważań o Wszechświecie uszytym na miarę. Tako rzecze Lucas: Gdyby wartość stałej struktury subtelnej była inna – na przykład byłaby większa – to chemia nie byłaby możliwa, gdyż elektrony byłyby zbyt mocno związane z jądrem. Nigdy nie powstałby żaden związek chemiczny. Gdyby była mniejsza, to jądra nie byłyby stabilne, a więc reakcje może i by zachodziły, ale żaden pierwiastek nie miałby szans na długie istnienie. Można więc powiedzieć, że ta stała ma idealnie taką wartość jaka jest nam potrzebna.

Eksperymenty myślowe polegające na wyobrażaniu (i obliczaniu) Wszechświata, w którym stałe przyjmują inne wartości niż te, które znamy, prowadzą do zaskakujących wniosków. Niektóre kombinacje stałych wykluczają wprost narodziny Wszechświata, jaki znamy. Inne prowadzą do wniosku, że Wszechświat nie wyjdzie z okresu niemowlęctwa albo, wręcz przeciwnie, zestarzeje się w okamgnieniu. Niektóre modele nie zawierają gwiazd i galaktyk albo ciężkich pierwiastków. Wszystko przez to, że stałe tych modeli różnią się nieznacznie od tych, które znamy.

Już na początku XX wieku zastanawiano się na temat Wszechświata dostrojonego. W 1913 roku chemik Lawrence Joseph Henderson napisał Sprawność środowiska, o znaczeniu wody i środowiska dla organizmów żywych, jako czynników warunkujących powstanie życia. Fred Hoyle, o którego paradoksie pisałem w poprzednim odcinku, również opowiadał się za precyzyjnie dostrojonym wszechświatem (The Intelligent Universe, 1983). Lista właściwości antropicznych, pozornych wypadków o charakterze niebiologicznym, bez których nie mogłoby istnieć życie oparte na węglu, a co za tym idzie i życie ludzkie, jest obszerna i imponująca

Teoria dostrojonego wszechświata zakłada, że efekt motyla w odniesieniu do podstawowych stałych fizycznych może sprawić, że powstające wszechświaty mogą być diametralnie różne przy nawet minimalnych rozbieżnościach stałych fizycznych w stosunku do aktualnie obowiązujących. Stephen Hawking ujął to tak: Prawa nauki, jakie znamy obecnie, zawierają wiele podstawowych liczb, takich jak wielkość ładunku elektrycznego elektronu i stosunek mas protonu do elektronu. … Godnym uwagi faktem jest to, że wartości tych liczb wydają się być bardzo precyzyjnie dostosowane, aby umożliwić rozwój życia.. Nie tylko życia, także inteligencji biologicznej.

Gdyby na przykład silne oddziaływanie jądrowe było o 2% większe niż jest, to zaburzona zostałaby fizyka gwiazd, i to w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu. Dotyczy to dość dziwnej cząstki, diprotonu, czyli izotopu helu, odgrywającego kluczową rolę w procesie syntezy jądrowej zachodzącej wewnątrz gwiazd. 

Walter Bradley opisuje to tak („Designed or Designoid” https://www.discovery.org/a/18157/):

Zmniejszenie stałej oddziaływania silnego o 2% blokowałoby syntezę jąder o większej liczbie protonów, uniemożliwiając powstawanie pierwiastków cięższych od wodoru. Z drugiej strony, gdyby oddziaływanie silne i związana z nią stała były większe o zaledwie 2 procent, wówczas cały wodór zostałby od początku przekształcony w hel i cięższe pierwiastki, pozbawiając Wszechświat wody i paliwa gwiazdowego.

Takich wzajemnych zależności stałych fizycznych, determinujących istotne cechy Wszechświata jest więcej. Martin Rees, fizyk i kosmolog, Królewski Astronom i prezes Royal Society sformułował precyzyjne dostrojenie wszechświata w kategoriach sześciu bezwymiarowych stałych fizycznych, m.in.:

  • stosunek siły elektromagnetycznej do siły grawitacji pomiędzy parą protonów, wynosi 1036. Według Reesa, gdyby był on znacznie mniejszy, mógłby istnieć tylko mały i krótkotrwały wszechświat. Gdyby był wystarczająco duży, protony odpychałyby się tak mocno, że większe atomy nigdy by nie powstały.
  • parametr gęstości Omega (Ω), to stosunek zależnej od stałej grawitacji gęstości masy Wszechświata do „gęstości krytycznej” i wynosi w przybliżeniu 1. Gdyby siła grawitacji była zbyt duża w porównaniu z ciemną energią i początkowym tempem ekspansji kosmicznej, Wszechświat zapadłby się, zanim mogło wyewoluować życie. Gdyby grawitacja była zbyt słaba, nie powstałyby żadne gwiazdy. 
  • wydajności energetyczna jądrowej syntezy wodoru w hel (ε), wynosząca 0,007, co znaczy, że 0,7% masy nukleonów zamienia się w energię. Gdyby wynosiło 0,006, proton nie mógłby związać się z neutronem i mógłby istnieć tylko wodór i nie powstałyby pierwiastki cięższe. Gdyby ε był większy niż 0,008, nie istniałby wodór, ponieważ zostałby „spalony” wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Jak widać, są to przykłady rodzaju „być albo nie być” dla całego Wszechświata.

Przeciwnicy teorii dostrojonego Wszechświata uważają, że dostrojenie może być iluzją wynikającą z niewiedzy. Postęp w fizyce teoretycznej i kosmologii może sprawić, że pozorne dostrojenie parametrów fizycznych w naszym obecnym rozumieniu znajdzie inne, bardziej fundamentalne wytłumaczenie. Lawrence Krauss uważa, że pewne wielkości wydawały się niewytłumaczalne i precyzyjnie dostrojone, a kiedy je zrozumiemy, nie wydają się już tak precyzyjne. Musimy mieć pewną perspektywę historyczną„. Niektórzy fizycy wręcz twierdzą, że możliwe jest, iż ostateczna fundamentalna teoria wszystkiego wyjaśni podstawowe przyczyny pozornego dostrojenia każdego parametru. 

Mniej ostateczne, acz nadal w kosmicznej skali, proporcje stałych fizycznych mogą wpływać na ewolucję gwiazd. Możliwość istnienia różnych rodzajów gwiazd, różnych ścieżek ich ewolucji zależy od związku pomiędzy dwiema uniwersalnymi stałymi. Są to: stała grawitacji i stała struktury subtelnej. Wartości tych stałych są znakomicie zbalansowane w jedyny sposób, który pozwala na istnienie gwiazd przeciętnych, takich jak Słońce. Gdyby grawitacja była nieco silniejsza, a elektromagnetyzm nieco słabszy, wszystkie gwiazdy byłyby czerwonymi karłami. Gdyby było odwrotnie, wszystkie gwiazdy byłyby niebieskimi olbrzymami. Każda z tych skrajności uniemożliwiałaby powstanie życia. Czerwone karły wytwarzają stosunkowo mało światła, niewystarczającego np. do wspomagania fotosyntezy. Niebieskie olbrzymy emitują zbyt dużo promieniowania i żyją za krótko, pozostawiając zbyt mało czasu na rozwój życia. Ścieżki ewolucji gwiazd zależne od początkowego rozmiaru obłoku protoplanetarnego przedstawia Ryc. 1. Jak widać Słońce jest względnie małą, przeciętną gwiazdą umiejscowioną mniej więcej w środku listy typoszeregów.

Ryc. 1. Ścieżki ewolucji gwiazd. Wikimedia Commons

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki entropia (fizyczna miara nieuporządkowania) Wszechświata stale rośnie. Co to oznacza? Prawo wzrostu entropii mówi, że ​​energia każdego izolowanego układu spontanicznego, czyli także Wszechświata, ulega rozproszeniu, a jego stan zbliża się do stanu równowagi cieplnej. Wszechświat dąży do równowagi i kiedyś ostatecznie go osiągnie. Nie będzie wtedy możliwy żaden transfer energii, energia będzie rozprowadzona równomiernie, a wszechświat zamrze (i zemrze) w absolutnym bezruchu. Nazywamy to śmiercią cieplną wszechświata.

Przeprowadźmy eksperyment myślowy i zacznijmy cofać się w czasie. Entropia będzie stopniowo malała, a możliwości przepływu energii będą rosły. W miarę zbliżania się do momentu Wielkiego Wybuchu entropia będzie dążyła do minimum. Spróbujmy teraz odpowiedzieć na pytanie: jakie jest prawdopodobieństwo zaistnienia takiego stanu? Zgodnie z zasadami zachowania wszechświat o niskiej entropii zawiera taką samą ilość materii/energii co wszechświat o wysokiej entropii, a różnica polega tylko na jej rozmieszczeniu. Roger Penrose, fizyk i matematyk obliczył nawet, że spośród 1010^123 możliwych stanów początkowych Wszechświata tylko jeden miałby tak niską entropię jak nasz Wszechświat w chwili narodzin. Pierwszą narzucającą się hipotezą jest teologiczny Akt Stworzenia. Jest to wygodna myślowa proteza, nie wymaga dowodu, ani nawet uzasadnienia. Czy skrajne nieprawdopodobieństwo dowodzi, że zadziałał nadprzyrodzony plan? Zdaniem Penrose’a podczas Wielkiego Wybuchu musiało istnieć bardzo szczególne ograniczenie fizyczne, które zmusiło go do niskiej entropii. Nie jest to wytłumaczenie bardzo różniące się od Deus ex machina, ale cóż, nie bez powodu Wielki Wybuch jest nazywany Wielką Osobliwością. Richard Dawkins, biolog ewolucyjny i znakomity popularyzator, uparty ateista, wymyślił (Wspinaczka na szczyt nieprawdopodobieństwa) nawet określenie: designoid, oznaczające coś co pojawiło się przez przypadek, ale wydaje się, że zostało zaprojektowane. Dawkins miał oczywiście na myśli pozorne, zaprzeczające zdrowemu rozsądkowi trudno wytłumaczalne nieprawdobieństwo będące efektem ewolucji. 

Wyjątkowość naszego Wszechświata jako bytu niezmiernie mało prawdopodobnego uruchomiło różne ścieżki myślenia. Bo przecież nie można pogodzić się z czymś, co nie jest wytłumaczalne. Tak działa nauka, tak działa religia, tak wychowujemy dzieci. Powiedzenie „tak bo tak, i już!” nie wystarczy. 

Koncepcja wieloświata powstała już u Starożytnych. Ewoluowała z biegiem czasu i była przedmiotem dyskusji w różnych dziedzinach, w tym w kosmologii, fizyce i filozofii. Uważa się, że prekursorem koncepcji wieloświata jest Anaksymader.

W 1952 roku Erwin Schrödinger wygłosił wykład, w którym żartobliwie ostrzegł słuchaczy, że to, co za chwilę powie, może „wydawać się szaleństwem”. Powiedział, że kiedy jego równania zdawały się opisywać kilka różnych historii, nie były to alternatywy, ale wszystkie naprawdę zdarzały się jednocześnie. Obecnie nazywamy to superpozycją i nie jest to fantazjowanie filozofów, a pełnoprawne pojęcie fizyki kwantowej. Tak, zasada nieoznaczoności i superpozycja stanów kwantowych należą do wieloświata i są widocznymi wierzchołkami tej góry lodowej.

Czym jest wieloświat (ang. multiverse)? Wieloświat jest hipotetycznym zbiorem wszystkich wszechświatów. Wszechświaty te obejmują wszystko co istnieje: całość przestrzeni, czasu, materii, energii, informacji oraz opisujących je praw fizycznych i stałych. Wszystkich wszechświatów jest nieskończenie wiele i każdy z nich jest inny. Nasz stuningowany Wszechświat jest więc naturalną konsekwencją takiego multiwersu i nie jest wyjątkowy. Istnieniem wielu wszechświatów, z których każdy rządzi się innymi prawami fizycznymi, może wyjaśnić dostrojenie naszego własnego Wszechświata do powstania [świadomego] życia. 

Temat istnienia obcego życia jest otwarty, a argumenty są mieszaniną faktów, teorii i hipotez. Aktualna wiedza fizyczna i biologiczna zdają się potwierdzać, że życie jest czymś wyjątkowym i wymaga wyjątkowych warunków, aby powstać i ewoluować. Jak dotychczas nie znaleziono żadnego, absolutnie żadnego życia poza Ziemią. Proste cząsteczki i rodniki organiczne znalezione w Kosmosie o niczym szczególnym nie świadczą. My jednak wiemy swoje. Wiara w Kontakt jest tak silna, że nie zawaham się nazwać jej religią. Tak duży jest pierwiastek nieracjonalności w takim myśleniu. Niech więc żyją mityczni Kosmici, jak najdłużej. Bo, badając Kosmos odkrywamy siebie samych.

10 thoughts on “Życie w Kosmosie[3]. Wszechświat uszyty na miarę

  1. W związku z koncepcją multiverse powstaje pytanie – czy, biorąc pod uwagę różnorodność fizyczną wszechświatów, istnieje możliwość ich wzajemnego oddziaływania oraz ewentualnie przenikania materii lub energii między tymi wszechświatami?

    0
    • Ciekawe pytanie. Czy foton v(max) = 300kkm/s może wlecieć do wszechświata v(max) = 30 km/s? I co wtedy zostanie wyemitowane?

      • Może Lucas odpowie? On zna odpowiedź na wszystkie pytania z zakresu mikroświata, także tych, na które nie zna jeszcze odpowiedzi fizyka…

          • Mimo wszystko mniemam, że tak nie odbierze tego lekkiego przymrużenia oka. Chyba, że na tym portalu nie wolno?!

            • Jakoś nie zauważyłem przymrużenia oka. A jak Lucas odbierze… zobaczymy.

  2. “stałe tych modeli różnią się nieznacznie” – Nieznacznie, to w fizyce pojęcie mętne, nie odpowiadające de facto na pytanie “ile?”. A więc ile, dla każdej z podstawowych stałych fizycznych wynosi ta różnica, która uniemożliwiła by istnienie świata takiego, w jakim żyjemy? Wymienione tu są dwa przypadki, za każdym razem owa granica to 2 % (czy to wartość obliczona, czy tylko intuicyjny szacunek?), ale przypuszczam, że w wielu przypadkach może być dużo, ba – o cale rzędy wielkości mniejsza. Może by tak kto ma odpowiednią wiedzę o owych wartościach granicznych obliczył jakie jest prawdopodobieństwo zaistnienia takiego właśnie jak nasz wszechświata. Przyznam, że od lat szukam odpowiedzi na to ważne pytanie i jak dotąd bez skutku.

    • “Nieznacznie” to pojęcie rozmyte. Odsyłam przy okazji do artykułu Piotra Dworniczaka o zbiorach rozmytych i tego typu operatorach: “Dwa razy dwa to cztery… A trochę mniej niż dwa razy trochę więcej niż dwa?” na naszym blogu. Co do ‘obliczona/szacowana’ to zdecydowanie “szacowana”. Przykład ze stabilnością diprotonu (+2%) jest kwestionowany przez inną grupę fizyków, którzy twierdzą, że nawet 50-procentowy wzrost oddziaływania jądrowego nie zapobiegnie fuzji, mimo istnienia stabilnych diprotonów.

      1
  3. Czy to nie jest mylenie własności modelu z własnościami opisywanego przez ten model systemu? Chodzi mi o to, że nie mamy bezpośredniego dostępu do Wszechświata, dlatego z konieczności opisujemy go zrozumiałym dla nas uproszczonym modelem. Ten nasz model, wielokrotnie już ulegał zmianom (komplikując się z każdym skokiem). Największy problem jest taki, że nie wiemy, ile nie wiemy.

  4. Andrzej Muras pyta o prawdopodobieństwo zaistnienia takiego właśnie jak nasz wszechświata. Przyjmując jako prawdziwe zdanie występujące w artykule, że “Wszystkich wszechświatów jest nieskończenie wiele i każdy z nich jest inny. ” to prawdopodobieństwo wynosi [1/oo] czyli 0.
    Co ciekawe nie jest to przy tym ‘zdarzenie niemożliwe’. (zobacz ‘prawdopodobieństwo geometryczne’)

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *