Wszechświat na miarę człowieka

Struktura materii jest określona przez rodzaje tych cząstek, ich własności (ładunki elektryczne, masy i siły, jakie między nimi działają).

Możemy się teraz zastanowić, jak te parametry wpływają na możliwość życia na Ziemi. Weźmy na przykład pod uwagę masy protonu, neutronu i elektronu. Masa protonu jest mniejsza od sumy mas neutronu i elektronu, o mniej więcej 1/1000. Gdyby tak nie było, gdyby masa protonu była np. równa sumie mas neutronu i elektronu, wówczas proton byłby cząstką nietrwałą, nie mielibyśmy atomu wodoru (którego jądro jest po prostu protonem) ani żadnych innych atomów. W rzeczywistości jednak, rozpadowi ulega tylko swobodny neutron. Z czasem połowicznego rozkładu tysiąca sekund (neutrony jąder atomowych nie ulegają takiemu rozpadowi). Protony i neutrony składają się z dwóch rodzajów kwarków, ale w różnych proporcjach. Masy kwarków są różne (o czym decyduje pierwotna historia wszechświata), dzięki temu mamy stabilne protony. Stosunek masy protonu do elektronu (wynoszący 1836,152) jest uwarunkowany również pierwotną historią wszechświata (strukturą tych siedmiu, nierozwiniętych wymiarów). Taka właśnie a nie inna wielkość tego stosunku, warunkuje powstanie życia.

Przeprowadzono szereg symulacji komputerowych (zakładając, że elektron jest cięższy lub lżejszy) i dowiodły one, że jedynie powyższy stosunek warunkuje możliwość istnienia takich związków chemicznych, dzięki którym żyjemy.

Od najwcześniejszej fazy rozwoju wszechświata, zależy natężenie tych sił, o których mówiliśmy powyżej. Najpierw weźmy pod uwagę oddziaływania jądrowe silne, sprzęgające kwarki między sobą. Co by się stało, gdybyśmy zmienili ich wielkość? Przy zmniejszeniu o 5 % - nie byłoby deuteru, nie powstałyby reakcje termojądrowe w gwiazdach i nie mogłyby się wytworzyć cięższe pierwiastki. Natomiast przy zwiększeniu o 5 % - reakcje termojądrowe następowałyby tak szybko, że niemożliwe byłoby powstanie stabilnych gwiazd i trwająca w nich miliardy lat produkcja cięższych pierwiastków. W momencie, kiedy kończy się żywot gwiazdy, następuje wypalenie się wodoru w jądrze i gwiazda się zapada. Zmniejsza się jej objętość. Natomiast energia grawitacyjna uzyskana w ten sposób, powoduje bardzo silne rozgrzanie się gwiazdy, serie reakcji jądrowych i ogromną produkcję neutrin. Te z kolei działają na materię rozpychając ją i następuje oderwanie warstw powierzchniowych tych gwiazd. Taki wybuch, jak już zaznaczyliśmy wyżej, nazywamy gwiazdą supernową. Okazuje się, że również sprzężenie neutrin z materią musi być dokładnie dobrane. Gdyby to oddziaływanie było słabsze, wówczas neutrina powstałe w czasie eksplozji przenikałyby swobodnie przez materię i nie byłyby w stanie spowodować wyprodukowanych w gwieździe pierwiastków ciężkich. Natomiast gdyby było mocniejsze, wówczas neutrina nie dopuściłyby do zapadnięcia się gwiazdy i nie powstałaby gwiazda "supernowa".

Przejdźmy do oddziaływań grawitacyjnych. Gdyby natężenie sił grawitacyjnych było zbyt słabe, to nie mogłoby doprowadzić nawet do powstania gwiazd. Gdyby natomiast było zbyt silne, to powstawałyby gwiazdy o bardzo dużej masie (tzw. białe karły), przyciągałyby całą materię do siebie, uniemożliwiając powstanie jakichkolwiek układów planetarnych. Od oddziaływań sił grawitacyjnych zależy również czas życia gwiazd i ich stabilność. Stabilność Słońca umożliwiła prawidłowy przebieg ewolucji biologicznej.

Przejdźmy do następnego zagadnienia jakim jest synteza pierwiastków w gwiazdach. Wiemy, że do powstania życia konieczne jest wytworzenie całego szeregu pierwiastków. Tworzą się one w wyniku syntezy helu z wodoru, trwającej przez miliardy lat, w jądrach gwiazd. Wydawałoby się, że proces ten jest prosty. Wystarczy jednoczesne zderzenie się czterech atomów wodoru, aby powstało jądro helu, zjednoczesnym wydzieleniem dwóch elektronów dodatnich (pozytonów), dla zachowania całkowitej sumy ładunków elektrycznych. W rzeczywistości nie jest to takie proste. Najbardziej prawdopodobna jest możliwość zderzenia dwóch cząstek. Prawdopodobieństwo jednoczesnego zderzenia trzech cząstek jest już znacznie, znacznie mniejsze, a zderzenie czterech już nawet nie wchodzi w rachubę. W zwiazku z tym, nawet produkcja helu (z wodoru) jest skomplikowanym procesem, w który wchodzi cały szereg pierwiastków pośrednich. Jeszcze bardziej skomplikowane reakcje potrzebne są do wytworzenia pierwiastków cięższych niż wodór i hel. Każda z takich reakcji może przebiegać w określonych warunkach. Okazało się, że ciśnienie i temperatura we wnętrzu gwiazd, są dokładnie takie, aby te reakcje mogły w ogóle przebiegać, a zwłaszcza z taką wydajnością. Gdyby na przykład temperatura we wnętrzu gwiazd była tylko o 5 promili wyższa, lub o 40 promili mniejsza, wówczas nie zaistniałaby możliwość wytwarzania się ani węgla, ani innych cięższych pierwiastków.