Elu tekkimiseks on vaja vundamenti. Meie Universum sünteesis aatomi tuuma oma ajaloo algstaadiumis. Tuumad lõksid elektronid aatomite moodustamiseks. Aatomiparved moodustasid galaktikad, tähed ja planeedid. Lõpuks oli elusolenditel koht, kuhu koju helistada. Peame enesestmõistetavaks, et füüsikaseadused lubavad selliste struktuuride ilmnemist, kuid kõik võiks olla teisiti.
Viimaste aastakümnete jooksul on paljud teadlased väitnud, et kui füüsikaseadused oleksid isegi veidi erinevad, poleks kosmoses nii keerukaid struktuure. Paralleelselt sellega jõudsid kosmoloogid järeldusele, et meie Universum saab olla ainult osa Multiversumist - tohutu universumite komplekt, mis hõivab suurema osa aegruumi pidevusest. Teiste universumite olemasolu annab atraktiivse võimaluse selgitada füüsikaseaduste näilist täpsust, sest seadused muutuvad sõltuvalt universumist ja me elame sellises, mis võimaldab vaatlejate kohalolekut, kuna me ei saaks elada kusagil mujal.
Astrofüüsikud on universumi peenhäälestuse kontseptsiooni üle arutanud nii kaua, et paljud on hakanud pidama enesestmõistetavaks, et meie universum sobib keerukate struktuuride jaoks ebatavaliselt. Isegi need, kes on Multiverse'i hüpoteesi suhtes skeptilised, nõustuvad selle eeldusega; nad arvavad lihtsalt, et võib leida veel ühe seletuse. Tegelikult pole keegi universumi peenhäälestust selgelt näidanud. Me ei tea täpselt, millised füüsikaseadused on vajalikud astrofüüsikaliste struktuuride arenguks ja millised on vajalikud elu arenguks. Värskeim töö tähe evolutsiooni, tuumaastrofüüsika ja struktuuri moodustamise teemal on näidanud, et universumi peenhäälestuse argumendid on vähem veenvad kui seni arvati. Elu arenguks vajalikud tingimused on võimalikud ka teistes universumites, nii et meie oma pole nii ainulaadne, kui tundub.
Universumi esimene peenhäälestus on tegutsevate tähtede peamised loodusjõud. Kui elektromagnetiline jõud oleks liiga suur, peataks prootonite elektriline tõukamine tuumasünteesi tähtede sees ja nad lakkaksid säramast. Kui elektromagnetism oleks liiga nõrk, läheksid tuumareaktsioonid kontrolli alt välja ja tähed plahvataksid väga suurejooneliselt. Ja kui gravitatsioon oleks liiga tugev, kukuksid tähed kas mustadeks aukudeks või lihtsalt ei süttiks kunagi.
Kui aga lähemalt uurida, on tähed üllatavalt visad. Elektrilise interaktsiooni tugevus võib enne tähe tegevuse ohtu muutumist mõlemas suunas sada korda muutuda. Raskusjõust võib saada sada korda rohkem või miljard korda vähem ja täht elaks endiselt edasi. Gravitatsiooniliste ja elektromagnetiliste jõudude lubatud väärtused sõltuvad tuumajõududest. Kui reaktsioonikiirus oleks suurem, saaksid tähed toimida isegi suurema gravitatsiooniliste ja elektromagnetiliste jõudude vahemikus. Vastupidi, vähem kiired tuumareaktsioonid kitsendaksid seda vahemikku.
Lisaks nendele miinimumtingimustele peab tähtede olek vastama ka teatud arvule muudele näitajatele, mis vähendavad veelgi vastastikmõjude lubatavate väärtuste arvu. Tähed peavad olema kuumad. Nende pindade temperatuur peab olema piisavalt kõrge, et käivitada planeedi elu arenguks vajalikud keemilised reaktsioonid. Meie Universumis on enamiku tähtede ümber olevad ruumid piisavalt suured, seega on piirkondi, kus planeetide pinnatemperatuuri hoitakse umbes 27,85 ° C juures, mis on elu toetamiseks piisav. Universumites, kus elektromagnetilised jõud on suuremad, on tähed külmemad, mis muudab elu arengu keeruliseks.
Muuhulgas peavad tähed kaua elama. Keeruliste eluvormide areng toimub tohutu aja jooksul. Kuna elu juhivad keerulised keemiliste reaktsioonide kogumid, määrab bioloogilise evolutsiooni põhikella aatomi ajaskaala. Teistes universumites tiksuvad aatomkellad erineva kiirusega, sõltuvalt elektromagnetiliste vastasmõjude tugevusest, samuti tuleb seda erinevust arvesse võtta. Kui jõudu on vähe, põletavad tähed tuumakütust kiiremini ja seetõttu väheneb nende eluiga.
Viimane, kuid mitte vähem oluline, tähed peaksid lihtsalt moodustuma. Selleks, et galaktikad ja seejärel tähed saaksid lähtegaasist kondenseeruda, peab see suutma energiat kaotada ja jahtuda. Jahutuskiirus sõltub (jällegi) elektromagnetilistest jõududest. Kui see on liiga nõrk, ei saa gaas piisavalt kiiresti jahtuda ja jääb kondenseerumise asemel difuusse olekusse, tekitades galaktika. Tähed peavad olema ka väiksemad kui nende kodugalaktikad, vastasel juhul muutub tähtede moodustumine problemaatiliseks. Need tingimused vähendavad veelgi elektromagnetismi lubatud tugevust.
Reklaamvideo:
Selgub, et põhijõudude väärtused võivad mitme suurusjärgu võrra suureneda või väheneda ja planeedid sobivad ikkagi antud tingimustesse (nagu allolevalt diagrammilt näha). Need jõud on vähem täpsustatud kui paljud teadlased arvavad.
Teine näide universumi võimalikust häälestamisest tekib süsiniku tekke kontekstis. Pärast seda, kui keskmise suurusega tähtede tuumades on toimunud tuumareaktsioon, muutes vesiniku heeliumiks, muutub heelium ise kütuseks. Reaktsioonide keerulises järjestuses põletatakse heelium süsinikuks ja hapnikuks. Kuna heeliumituumadel on tuumafüüsikas oluline roll, pandi neile spetsiaalne nimi: alfaosakesed. Kõige tavalisemad tuumad koosnevad ühest, kolmest, neljast või viiest alfaosakesest. Nagu näete, ei ole kahe alfaosakesega, berüllium-8, tuuma, millele on hea seletus: see on meie universumis ebastabiilne.
Berülliumi ebastabiilsus raskendab süsiniku moodustumist. Kui tähed muudavad heeliumi tuumad berülliumiks, hakkavad berülliumi tuumad peaaegu kohe tagasi lagunema oma koostisosadeks. Igal ajahetkel sisaldab tähe südamik väikest, kuid ebastabiilset kogust berülliumi. Need haruldased berülliumtuumad võivad suhelda heeliumiga, moodustades süsiniku. Kuna lõpuks osaleb protsessis kolm heeliumi tuuma, nimetatakse seda kolmekordse alfa protsessiks. Kuid see reaktsioon on liiga aeglane, et toota nii palju süsinikku kui meie universumis.
Selle paradoksi lahendamiseks ennustas füüsik Fred Hoyle 1953. aastal, et teatud energia korral peab süsiniku tuum olema resonantsseisundis: nagu oleks tegemist väikese kindla tooniga kellaga. Selle resonantsi tõttu on süsiniku tootmise reaktsiooni kiirus palju kiirem kui see võiks olla: see on nii kõrge, et see seletab üsna palju meie universumis leiduvat süsiniku kogust. Hiljem mõõdeti seda resonantsi arvutatud energiatasemega laboris.
Mure on selles, et teistes erineva tugevusega universumites võib selle resonantsi energia olla erinev ja tähed ei tooda piisavalt süsinikku. Süsiniku tootmine on häiritud, kui energiatase muutub rohkem kui 4 protsenti. Mõnikord nimetatakse seda probleemi kolmekordse alfauniversumi häälestamise probleemiks.
Õnneks on sellele probleemile lihtne lahendus. Mida tuumafüüsika ära võtab, see annab. Oletame, et tuumafüüsika muutus süsinikresonantsi neutraliseerimiseks tõesti piisavalt. Sellise ulatusega võimalike muutuste seas oleks umbes pooltel kõrvalmõju, mis muudaks berülliumi stabiilseks, mistõttu resonantsi kadumine poleks oluline. Sellistes asendusuniversumites toodetakse süsinikku loogilisemal viisil - lisades alfaosakesi ükshaaval. Heelium võiks muutuda berülliumiks, mis seejärel reageeriks alfaosakestega ja moodustaks süsiniku. Lõppkokkuvõttes pole kohanemisprobleeme vaja.
Kolmas näide universumi võimalikust kohandumisest puudutab kõige lihtsamaid tuuma, mis koosneb kahest osakesest: deuteron, mis sisaldab ühte prootonit ja ühte neutronit, diproton, mis sisaldab kahte prootonit, ja dineutron, mis koosneb kahest neutronist. Meie universumis on ainult deuteerium stabiilne. Heelium moodustub, lisades sellele kaks prootonit.
Kui tuumajõud oleks suurem, oleks diproton stabiilne. Sel juhul saaksid tähed energiat toota kõige lihtsamate ja kiiremate tuumareaktsioonide abil, kui prootonid moodustavad diprotonone ja seejärel teisi heeliumi isotoope. Mõnikord väidetakse, et sel juhul põletaksid tähed oma tuumakütust väga suurel kiirusel, mis muudaks nende eluea biosfääri toetamiseks liiga lühikeseks. Ja vastupidi, kui jõudu oleks vähem, oleks deuteerium ebastabiilne ja esimene samm raskete elementide suunas oleks ligipääsmatu. Paljud teadlased spekuleerisid, et stabiilse deuteeriumi puudumine viib raskete elementideta universumisse ja sellises universumis puuduvad keerulised struktuurid ja elu.
Nagu selgub, on tähed uskumatult stabiilsed üksused. Nende struktuur muutub automaatselt, et põletada tuumkütust kiirusega, mis on vajalik iseeneslikuks säilitamiseks tema enda raskuse mõjul. Kui tuumareaktsioonide kiirus on suurem, põletavad tähed oma tuumakütust madalamal keskmisel temperatuuril, vastasel juhul poleks nad nii erinevad. Tegelikult on meie universum vaid selline käitumise näide. Deuteeriumi tuumad saavad kombineeruda prootonitega, moodustades suure jõu abil heeliumi tuumad. Selle reaktsiooni andmete valim, mis määrab selle toimumise tõenäosuse, on kvadriljon korda suurem kui tavaliste vesiniku termotuumareaktsioonide korral. Kuid tähed meie universumis põlevad deuteeriumit üsna tavapärasel, sündmusteta viisil. Tähe südamiku töötemperatuur on 1 000 000 K ja vesiniku põletamiseks normaalsetes tingimustes on vajalik temperatuur 15 000 000 K. Deuteeriumit põlevate tähtede keskpunkt on külmem ja nad on päikesest suuremad, kuid kõigis muus osas pole need midagi tähelepanuväärne.
Samamoodi, kui tuumajõudu oleks vähem, saaksid tähed stabiilset deuteeriumi puudumisel edasi töötada. Paljud muud protsessid näevad ette viisi, kuidas tähed saavad energiat toota ja raskeid elemente sünteesida. Oma elu esimesel poolel tähed aeglaselt paksenevad, nende südamikud muutuvad kuumaks ja tihedamaks ning nad säravad päikese jõul. Tähed meie universumis muutuvad lõpuks nii kuumaks ja tihedaks, et võivad alustada tuumasünteesi, kuid alternatiivses universumis võivad nad gravitatsioonipotentsiaalse energia kaotuse kaudu jätkata kokkutõmbumist ja jõu genereerimist. Kõige kauem elanud tähed võiksid särada päikese omaga võrreldava kiirgusjõuga kuni miljard aastat, mis oleks bioloogiliseks evolutsiooniks tõenäoliselt piisav.
Kui tähed on väga suured, siis tihendus suureneb ja viib kokkuvarisemiseni. Need tähekehad lähevad sisuliselt lihtsalt supernoovaks. Nende keskmine temperatuur ja tihedus tõusevad nii kõrgeks, et algavad tuumareaktsioonid. Surmatroos toimub tähtedega palju erinevaid tuumareaktsioone. See plahvatusohtliku nukleosünteesi protsess võib pakkuda universumit raskete tuumadega hoolimata deuteeriumi puudumisest.
Kui selline universum sisaldab kasvõi väikest kogust raskeid elemente, on hilisemal tähepõlvel veel üks võimalus tuumareaktsioonideks. See protsess, mida nimetatakse CNO tsükliks (süsiniku-lämmastiku-hapniku tsükkel), ei vaja deuteeriumi ülemineku olekuna. Selle asemel toimib süsinik heeliumi moodustumise katalüsaatorina. See tsükkel toimub päikese sügavuses ja on vaid väike osa kogu selle energiast. Stabiilse deuteeriumi puudumisel domineerib energia tootmisel CNO tsükkel. Ja tuumaenergia tootmise võimalused sellega ei lõpe. Tähed võivad heeliumi toota ka kolmekordse nukleoni reaktsiooni kaudu, mis on üldjoontes sarnane süsiniku moodustumise kolmekordse alfa protsessiga. Seega on tähte alternatiivses universumis palju kanaleid, nii energia kui ka keerukate tuumade jaoks.
Neljas näide peenhäälestusest on seotud galaktikate ja muude suuremahuliste struktuuride moodustumisega. Nad algatasid madala tihedusega võnkumised, mis toimusid kosmilise aja kõige varasematel hetkedel. Pärast seda, kui universum oli piisavalt jahtunud, hakkasid need vibratsioonid raskusjõu mõjul tugevnema ja lõpuks muutusid tihedamad piirkonnad galaktikateks ja galaktikagruppideks. Alguses oli kõikumistel väike amplituud Q, mis võrdus 0,00001. Seega oli primitiivne universum uskumatult sile: tihedus, temperatuur ja rõhk tihedamates ja haruldasemates piirkondades erinesid vaid mõnisada tuhandikku. Q-väärtus illustreerib veel üht võimalikku peenhäälestust universumis.
Kui Q oleks madalam, võtaks võnkumine kosmilise struktuuri muutmiseks piisavalt tugevaks ja galaktikad oleksid vähem tihedad. Kui galaktika tihedus on liiga väike, ei saa selles sisalduv gaas jahtuda. See ei pruugi kunagi kondenseeruda galaktilisteks ketasteks ega ühineda tähtedeks. Madala tihedusega galaktikad pole sobivad elupaigad. Mis veelgi hullem, võib piisavalt pikk viivitus takistada galaktikate teket üldse. 4 miljardit aastat tagasi hakkas universumi paisumine kiirenema ja venitama ainet kiiremini, kui see koguda suutis. Seda kiiruse muutust seostatakse tavaliselt salapärase tumeda energiaga. Kui Q oleks liiga väike, kuluks galaktikate kokkuvarisemisele nii kaua aega,et kiirendus algab enne struktuuride moodustamise lõpuleviimist ja edasine kasv pärsitakse. Universum võib jääda elutuks ja ilma keerukuseta. Selle vältimiseks ei tohi Q väärtus olla meie omast üle 10 korra väiksem.
Mis oleks, kui Q oleks suurem? Galaktikad tekiksid varem ja oleksid tihedamad. See ohustaks ka võimalikku elamiskõlblikkust. Tähed oleksid üksteisele palju lähemal ja suhtleksid sagedamini. Selle käigus võiksid nad planeedid oma orbiidilt välja visata ja nad avakosmosesse saata. Pealegi, kuna tähed oleksid lähemal, oleks öine taevas heledam, võib-olla sama ere kui päeval. Tähistaust oleks liiga tihe, kombineeritud tähevalgus võiks keeta mis tahes muidu elamiskõlbliku planeedi ookeane.
Sel juhul pole peenhäälestuse argument eriti veenev. Galaktikate keskpiirkonnad võivad tõepoolest eraldada nii tugevat taustakiirgust, et kõik planeedid oleksid asustamata. Kuid galaktikate äärelinnas oleks tihedus alati piisavalt madal, et elamiskõlblikud planeedid ellu jääksid. Suur osa galaktilisest ruumist jääb elujõuliseks, isegi kui Q on tuhandeid kordi suurem kui meie universumis. Mõnel juhul võib see galaktika olla veelgi healoomulisem. Üle galaktika võib öine taevas olla sama ere kui päikesevalgus, mida päeval Maal näeme. Planeedid saaksid oma eluenergiat paljudelt kaugetelt tähtedelt, mitte ainult päikeselt. Need võivad asuda peaaegu igal orbiidil. Alternatiivses universumis, mille vibratsioon on tihedam kui meil,isegi Pluutol oleks sama päevavalgus kui Miamis. Selle tulemusena võiks suhteliselt tihedas galaktikas olla elamiskõlblikumaid planeete kui Linnuteel.
Lühidalt, meie universumi parameetrid võivad kümneid kordi erineda ning seal oleks veel töötavaid tähti ja potentsiaalselt elamiskõlblikke planeete. Raskusjõud oleks tuhat korda tugevam või miljard korda nõrgem, kuid tähed toimisid siiski pikaajalise tuumapõlemismootorina. Elektromagnetiline jõud oleks sada korda tugevam või nõrgem. Tuumareaktsioonide kiirus varieerub mitu korda. Alternatiivne tähefüüsika võib luua raskeid elemente, mis moodustavad planeetide ja inimeste peamise lähtematerjali. Ilmselt ei ole tähtede struktuuri ja evolutsiooni määravad parameetrid peenhäälestatud.
Arvestades, et meie universum ei tundu olevat eriti peenhäälestatud, kas võime öelda, et meie universum on elu arenguks parim? Meie praegune arusaam ütleb, et ei. Võib hõlpsasti ette kujutada sõbralikumat universumit ja võib-olla ka loogilisemat. Kõrgema algtihedusega vibratsiooniga universum looks tihedamad galaktikad, mis võiksid toetada elamiskõlblikumaid planeete kui meie. Stabiilse berülliumiga universumis võivad eksisteerida otsesed süsiniku tootmise kanalid, ilma et oleks vaja keerukat kolmekordset heeliumreaktsiooni. Kuigi neid küsimusi alles uuritakse, saame juba aru, et universumitel on keeruliste struktuuride ja bioloogiani palju teid ning mõned võivad olla pigem meie poole kaldu. Neid üldistusi silmas pidades peaksid astrofüüsikud multiversumi võimalikud tagajärjed uuesti läbi mõtlema,sealhulgas peenhäälestuse aste meie.
Fred Adams on Ann Arbori Michigani ülikooli füüsikaprofessor. Ameerika Astronoomia Seltsi Helena Warneri preemia, Riikliku Teadusfondi noore uurija auhinna ja arvukate Michigani ülikooli auhindade võitja. Raamatu viis universumi kaasautorit. Igaviku füüsika sügavuses”.
