fino podešeni svemir: zašto postoje zvijezde? (ulomak iz Lee Smolin, The Life of Cosmos)

Mada predstavlja naše najdublje znanje o tome od čega je svijet načinjen, standardni model fizike čestica ostavlja otvorenima mnoga pitanja o svojstvima elementarnih čestica. Ta se otvorena pitanja odnose na vrijednosti određenih brojeva svojstvenih tim česticama. Ti brojevi mjere veličine poput masa različitih čestica i njihovih električnih naboja. Prema našem sadašnjem najboljem razumijevanju ti bi brojevi slobodno mogli varirati unutar širokih raspona vrijednosti. U tome smislu su oni parametri koji se mogu postaviti proizvoljno. Fizičari vrijednosti tih parametara postavljaju tako da se teorija slaže s motrenjem. … Ali, koliko možemo reći, svemir je mogao biti načinjen tako da zadovoljava točno iste zakone, osim što bi vrijednosti tih parametara bile podešene na neke druge brojeve.

Postoji dvadesetak takvih parametara u standardnom modelu fizike čestica. Pitanje zašto svemir ima zvijezde možemo onda postaviti ovako: mogli bismo zamisliti da Bog ima neku upravljačku ploču na kojoj je brojčanik za svaki od tih parametara. Jedan brojčanik određuje masu protona, drugi naboj elektrona, i tako dalje. Bog zatvori oči i nasumično okrene te brojčanike. Ishod je svijet kojim upravljaju zakoni koje znamo, ali sa slučajnim vrijednostima tih parametara. Kolika je vjerojatnost da bi takav svijet sadržavao zvijezde? 

Odgovor je da je ta vjerojatnost nevjerojatno mala. … Postojanje zvijezda zapravo počiva na nekoliko istančanih ravnoteža između različitih sila prirode. Ono zahtjeva da parametri koji određuju koliko su jake te sile budu podešeni upravo tako kakvi su sada. U mnogim bi slučajevima mali pomak na brojčaniku bilo u jednom ili u drugom smjeru rezultirao svijetom koji ne samo da ne bi imao zvijezde, nego bi imao daleko manje strukture od našega svemira. …

Nevjerojatna malenost gravitacijske konstante jedna je od misterija povezanih s parametrima fizike čestica. … Pokazuje se da je ta nevjerojatna slabost gravitacijske konstante nužna za postojanje zvijezda. Ugrubo, što je gravitacija slabija to više protona mora biti na hrpi prije nego tlak u središtu [buduće zvijezde] bude dovoljno velik da nuklearne reakcije započnu [čime ta hrpa postaje zvijezda]. Uslijed toga broj atoma potreban da sačini zvijezdu raste kako se smanjuje gravitacijska konstanta. Zvijezde su tako velike upravo zato što je gravitacijska konstanta tako mala.

Za nas je sreća da su zvijezde tako goleme, budući da im to dopušta da gore milijardama godina. … Da je gravitacijska sila malo jača nego što zapravo jest, zvijezde bi postojale ali bi puno brže izgorjele. Učinak je prilično dramatičan: da je gravitacijska sila jača samo za deset puta životni vijek tipične zvijezde bi se smanjilo s deset milijardi godina na red veličine deset milijuna godina. Da joj se jakost smanji još deset puta … životni vijek zvijezde bi se smanjio na deset tisuća godina.

Ali postojanje zvijezda zahtijeva ne samo da gravitacijska sila bude nevjerojatno slaba. Zvijezde gore u nuklearnim reakcijama koje fuziraju protone i neutrone u sve masivnije jezgre. Da bi se ti procesi događali, protoni i neutroni moraju se moći spojiti stvarajući velik broj različitih vrsta atomskih jezgri. Pokazuje se da vrijednosti masa elementarnih čestica zapravo moraju biti pomno odabrane da bi se to dogodilo. I ostali parametri, poput onih koji određuju jakosti različitih sila, također moraju biti pažljivo podešeni. …  

Prema standardnom modelu fizike elementarnih čestica mase protona, neutrona i elektrona određene su potpuno međusobno nezavisnim parametrima. … Da bismo to prikazali možemo zamisliti graf u ravnini, s jednom osi koja pokazuje moguće vrijednosti mase elektrona dok druga pokazuje moguće vrijednosti mase neutrona. Mjerna jedinica za obje može biti masa protona. … Svaka točka onda označava jedan mogući svemir, u kojemu su ti parametri različito odabrani.

Jedan način da pitamo koliko je vjerojatno da svijet ima atomske jezgre jest upitati koliko bi veliko područje u tome grafu odgovaralo svijetu koji ima stabilne atomske jezgre. Odgovor je da bi jezgre mogle biti stabilne samo ukoliko su parametri odabrati iz malog ugla na grafu (vidi sliku). Budući da zvijezde ne mogu gorjeti ako nema stabilnih jezgri samo oni mogući svemiri koji leže unutar tog malog područja mogu imati zvijezde.

To nisu jedini parametri koji bi morali biti pomno podešeni da bi bilo zvijezda. Tu je primjerice masa neutrina. Ovdje susrećemo jednu neugodnu situaciju: još uvijek ne znamo ima li neutrino uopće neku masu … ali znamo da mu masa ne može biti prevelika da bi se dogodile nuklearne reakcije koje oslobađaju energiju zvijezda.

Dok raspravljamo o fizikalnim konstantama koje moraju biti pomno podešene da bi svemir sadržavao zvijezde, mogli bismo razmotriti jednu drugu vrstu pitanja. Zašto je svemir dovoljno velik da ima prostora za zvijezde? Zašto nije puno manji, recimo čak manji od atoma? I zašto svemir živi milijarde godina, što je dovoljno vremena da se oblikuju zvijezde? Zašto umjesto toga ne bi trajao samo par sekundi? Ta pitanja mogu izgledati šašavo, ali nisu, budući da činjenica da svemir može postati vrlo velik i vrlo star ovisi o tome da određeni parametar u standardnom modelu bude ekstremno malen. Taj se parametar naziva kosmološka konstanta.

Kosmološka konstanta se može razumjeti kao mjera stanovite unutarnje svojstvene gustoće mase ili energije povezane s praznim prostorom. Einsteinova opća teorija relativnosti dopušta mogućnost da neki volumen praznog prostora sam može imati masu. Da je ona velika, tvar bi je osjećala i to bi utjecalo na evoluciju svemira kao cjeline. Primjerice, da je dovoljno velika cijeli svemir bi se brzo skupio i gravitacijski stegao, onako kako se mrtve zvijezde stežu u crnu rupu. Da se to ne bi dogodilo masa povezana s kosmološkom konstantom … ne može biti veća od oko 10-40 masa protona. Da to nije slučaj, svemir ne bi poživio dovoljno dugo da proizvede zvijezde. …

Za teoretičara elementarnih čestica nema veće misterije nego što su vrijednosti različitih masa o kojima smo govorili. … Ali to nije sve. Uzmemo li u obzir te vrijednosti, pokazuje se, izgleda posve slučajno, da je životni vijek tipične zvijezde otprilike jednak životnom vijeku svemira, mjerenog kako najbolje možemo pomoću brzine njegovog širenja.

Zašto bi brzina širenja svemira bila podešena na duljinu životnog vijeka zvijezda, ako su se prve zvijezde oblikovale milijunima godina nakon velikog praska? Kakav bi fizikalni mehanizam to mogao objasniti? U takvim misterijama najjasnije vidimo ograničenja radikalnog atomizma, prema kojemu svojstva elementarnih čestica (poput mase protona ili jakosti gravitacijske sile) ne bi trebala imati nikakve veze s poviješću svemira.

Možda čitatelj i dalje nije uvjeren da ovdje ima nečega nevjerojatnoga za razumjeti. Dopustite da nastavim… Zanimljivo je da je postojanje više od sto vrsta stabilnih jezgara omogućeno činjenicom da je jakost privlačne nuklearne sile prilično dobro uravnotežena električnim odbijanjem među protonima. Da bismo to vidjeli, nužno je samo upitati se koliko bismo trebali povećati jakost električne sile, ili smanjiti jakost nuklearne sile, da nijedna jezgra ne bude stabilna. Odgovor je: ne puno. Da je jaka sila samo 50% slabija, električno odbijanje više ne bi bilo nadvladano i većina bi jezgara postala nestabilna. Još malo dalje, recimo na 25%, sve bi se jezgre raspale. Isti bi se učinak mogao postići bez da se mijenja jaka sila i da se poveća električna odbojnost za ne više od deset puta.

Tako vidimo da jednostavno postojanje mnogih vrsta jezgara, a utoliko i postojanje složenoga svijeta kao što je naš, s mnogim različitim tipovima molekula i njihovim kemijskim svojstvima, naposljetku jest ishod prilično istančane ravnoteže između dvaju temeljnih međudjelovanja, elektromagnetske i jake nuklearne sile. …

[Č]etiri osnovne sile … u osnovi oblikuju naš svijet. … Uklonite bilo koju od njih, ili im promijenite doseg ili jakost i svemir oko nas će trenutno nestati a nastat će sasvim drugačiji svijet.

Bi li bilo koji od tih drugih svjetova sadržavao zvijezde? Koliko bi ih sadržavalo život? Odgovor na oba pitanja je, kao što smo vidjeli, ne mnogo.

Fizičari stalno govore o tome kako je priroda jednostavna. Doista, zakoni prirode su vrlo jednostavni, i kako ih bolje razumijemo postaju sve jednostavniji. Ali priroda zapravo nije jednostavna. Da bismo to vidjeli, sve što trebamo učiniti jest usporediti naš zbiljski svemir sa nekim zamišljenim koji je stvarno jednostavan. Zamislite, primjerice, homogeni plin neutrona koji ispunjava svemir nekom konstantnom temperaturom i gustoćom. To bi bilo jednostavno. U usporedbi s tom mogućnošću, naš je svemir iznimno složen i raznolik!

Dok prirodni zakoni jesu jednostavni, stvarno je zanimljivo oko te situacije da u jednom vrlo jasnom smislu možemo reći da je tim zakonima svojstvena velika raznolikost. … Ako ćemo doista razumjeti naš svemir, ti odnosi između struktura makrosvijeta i elementarnih čestica moraju se razumjeti kao nešto drugo a ne puka slučajnost. Moramo razumjeti kako je došlo do toga da su parametri koji upravljaju elementarnim česticama i njihovim međudjelovanjem podešeni i uravnoteženi na takav način da se može pojaviti neki svemir tolike raznovrsnosti i složenosti.

Naravno, uvijek je moguće da je to puki slučaj. Možda bismo … trebali upitati koliko je točno vjerojatno da neki svemir stvoren nasumično odabranim parametrima sadrži zvijezde. S obzirom na ono što smo već rekli, jednostavno je odrediti tu vjerojatnost. … Odgovor je, zaokruženo, oko 1 naprema 10229.

Da bismo pokazali koliko je uistinu smiješan taj broj, mogli bismo zapaziti da dio svemira kojega možemo vidjeti sa Zemlje sadrži 1022 zvijezda, koje sve zajedno sadrže oko 1080 protona i neutrona. Po mom mišljenju, tako neznatna vjerojatnost nije nešto što možemo ostaviti neobjašnjeno po strani. Slučajnost tu zacijelo neće proći; treba nam racionalno objašnjenje kako se nešto toliko nevjerojatno ispostavilo kao slučaj.

ulomak iz Lee Smolin, The Life of Cosmos, 1997., str. 37.-45., preveo: ja

3 misli o “fino podešeni svemir: zašto postoje zvijezde? (ulomak iz Lee Smolin, The Life of Cosmos)

  1. Da preduhtrim stanovite reakcije, par napomena. Najprije najmanje važna, ali eto: Smolin je ateist. Potom malo biografije: „He received his Ph.D in theoretical physics from Harvard University in 1979. He held postdoctoral research positions at the Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, the Kavli Institute for Theoretical Physics in Santa Barbara and the University of Chicago, before becoming a faculty member at Yale, Syracuse and Pennsylvania State Universities”, itd. A evo i bibliografije: https://scholar.google.com/citations?user=-_NhnG4AAAAJ&hl=en

    Sviđa mi se

    • “I know of three directions in which we might search for the reason why the parameters are tuned to such unlikely values. The first is towards some version of the anthropic principle. One may say that one believes that there is a god who created the world in this way, so there would arise rational creatures who would love him. We may even imagine that he prefers our love of him to be a rational choice made after we understand how unlikely our own existence is. While there is little I can say against religious faith, one must recognize that this is mysticism, in the sense that it makes the answers to scientific questions dependent on a faith about something outside the domain of rationality.

      A different form of the anthropic principle begins with the hypothesis that there are a very large number of universes. In each the parameters are chosen randomly. If there are at least 10^229 of them then it becomes probable that at least one of them will by chance contain stars. The problem with this is that it makes it possible to explain almost anything, for among the universes one can find most of the other equally unlikely possibilities. To argue this way is not to reason, it is simply to give up looking for a rational explanation. Had this kind of reasoning been applied to biology, the principle of natural selection would never have been found.

      A second approach to explaining the parameters is the hypothesis that there is only a single unique mathematically consistent theory of the whole universe. If that theory were found, we would simply have no choice but to accept it as the explanation. But imagine what sense we could then make of our existence in the world. It strains credulity to imagine that mathematical consistency could be the sole reason for the parameters to have the extraordinarily unlikely values that result in a world with stars and life. If in the end mathematics alone wins us our one chance in 10^229 we would have little choice but to become mystics. This would be an even purer mysticism than the anthropic principle because then even God would have had no choice in the creation of the world.

      The only other possibility is much more mundane than these. It is that the parameters may actually change in time, according to some unknown physical processes. The values they take may then be the result of real physical processes that happened sometime in our past. This would take us outside the boundaries of the platonist philosophy, but it seems nevertheless to be our best hope for a completely rational understanding of the universe, one that doesn’t rely on faith or mysticism.

      In Part Two, I will describe one approach to such a theory.”

      Sviđa mi se

Komentiraj

Popunite niže tražene podatke ili kliknite na neku od ikona za prijavu:

WordPress.com Logo

Ovaj komentar pišete koristeći vaš WordPress.com račun. Odjava /  Izmijeni )

Google photo

Ovaj komentar pišete koristeći vaš Google račun. Odjava /  Izmijeni )

Twitter picture

Ovaj komentar pišete koristeći vaš Twitter račun. Odjava /  Izmijeni )

Facebook slika

Ovaj komentar pišete koristeći vaš Facebook račun. Odjava /  Izmijeni )

Spajanje na %s