Jaký vlastně mají fyzikální konstanty význam pro fyziku vesmíru? John D. Barrow, autor knihy [2] tento význam demonstruje na fyzice atomů a molekul. Atomy a molekuly nejsou elementárními entitami, ale jsou soustavami více částic, které pohromadě udržují vzájemně protichůdné síly. Rozměry těchto soustav pak určují hustotu hmoty a z rozložení elektronů v atomu pak vyplývají chemické vlastnosti látky. Navzdory obrovskému množství vlastností látky jsou všechny podstatné vlastnosti látkového světa určeny poměrem hmotnosti protonu a elektronu

hmotnost protonu : hmotnost elektronu = 1836,104...

a hodnotou, která se označuje jako konstanta jemné struktury. Konstanta jemné struktury udává vazbu mezi elektromagnetickým polem a látkou. Její hodnota je určena poměrem druhé mocniny elektrického náboje elektronu a součinu rychlosti světla a Planckovy konstanty, tj.

\frac{e^2}{h.c}

Hodnota této konstanty je 1/137,0359...

Pro popis struktury hmotných objektů ve vesmíru má zásadní význam konstanta gravitační struktury. Její hodnota je určena poměrem součinu Newtonovy gravitační konstanty s druhou mocninou hmotnosti protonu a součinu rychlosti světla s Planckovou konstantou. Hodnota této konstanty je 5,9041183.10^-39. Proto také gravitace má velmi nepatrný význam pro strukturu atomů a molekul.

Rozměry všech objektů ve vesmíru od atomů až po galaxie jsou v podstatě určeny pouze poměrem konstanty jemné struktury a konstanty gravitační struktury. Rozměry planet a hvězd nejsou dílem náhody, ale ani nejde o výsledek speciálních počátečních podmínek velkého třesku. Jsou důsledkem působení protichůdných silových interakcí.

Na první pohled by se mohlo zdát, že pokud se hodnoty konstant změní, dojde pouze k posunu rozměrů některých objektů ve vesmíru. Tento názor je zcela naivní. Mezi hodnotami fyzikálních konstant existuje řada neobvyklých souvislostí, koincidencí. Pokud by se např. konstanta jemné struktury lišila od své skutečné hodnoty zhruba o 1 %, hvězdy by měly výrazně odlišnou stavbu. Biogenní prvky, jako je uhlík, dusík, kyslík a fosfor, vznikají během závěrečné eruptivní fáze hvězd, kdy jsou v podobě plynu a prachu rozptýleny do prostoru. Později tento plyn a prach kondenzuje do podoby planet a takto se dostal do živých organismů na planetě Zemi.

Uhlík ve vesmíru vzniká dvoustupňovým procesem z jader atomů hélia (tzv. 3-alfa proces). Tento proces probíhá pouze za vysoké teploty, kdy atomy mají dostatečnou kinetickou energii. Nejprve vzniká ze dvou jader atomů hélia jádro atomu berylia. Další jádro atomu hélia pak s jádrem atomu berylia vytvoří jádro atomu uhlíku. Tento proces by byl jen málo pravděpodobný, pokud by neexistovala resonanční hladina atomu uhlíku. Dochází k tomu, že součet klidových energií zúčastěných částic leží těsně pod přirozenou energetickou hladinou jádra atomu uhlíku a dodání tepelné energie umožní tuto jadernou reakci. Dále existuje resonanční hladina v atomu kyslíku, která leží těsně pod celkovou energií jádra atomu hélia a jádra atomu uhlíku. Tím se zabrání tomu, aby se veškerý vzniklý uhlík přeměnil na kyslík. Tato vícenásobná koincidence resonančních hladin je nutnou podmínkou naší existence. Umístění těchto resonančních hladin je důsledkem číselných hodnot fyzikálních konstant.

Existuje řada dalších příkladů tohoto druhu. Někteří těmto koincidencím fyzikálních konstant přikládají značný theologický význam, protože takové koincidence fyzikálních konstant považují za "Boží vyladění vesmíru" nutné ke vzniku člověka.

Vývoj života a lidské psychiky mohl a může v každém stádiu evolučního vývoje skončit ve slepé vývojové větvi. Existuje řada způsobů, které mohly ve složitém a nepřátelském prostředí zcela zabránit vzniku, vývoji a rozvoji života. Neznáme důvod, proč by se ve vesmíru musel život vyvinout. Předpoklad, že život nutně musel z jistých chemických struktur vzniknout, je theologickým přístupem, který biologové oprávněně odmítají.

S jistotou lze tvrdit pouze to, že pokud by se fyzikální konstanty lišily od svých současných hodnot zhruba o 1%, pak by základní stavební chemické struktury pro vznik života ve vesmíru neexistovaly v dostatečném množství. Život ve formě, v jaké ho známe, by vůbec nemohl vzniknout. Vesmír by přitom mohl existovat se stejnými fyzikálními zákony, avšak fyzikální konstanty by mohly mít jiné hodnoty. Mnoho vědců nevidí žádný logický důvod, proč tuto možnost odmítnout. O tomto tématu bylo napsáno také několik knih, například [3], [4]

Pokud život považujeme za jev, který vznikl v měřítku velmi vzdáleném od subatomového a kosmologického měřítka, pak fakt, že hodnoty fundamentálních fyzikálních konstant a kosmologické charakteristiky našeho vesmíru jsou tak přesně vyladěny, aby umožnily vznik života, je velmi nepravděpodobný a záhadný. John Archibald Wheeler [6] napsal, že nejen člověk je přizpůsoben vesmíru, ale vesmír je přizpůsoben člověku. Pokud si představíme vesmír, v němž se jedna ze základních bezrozměrných fyzikálních konstant změnila o několik procent, pak v takovém vesmíru by člověk nikdy nemohl vzniknout a ani by nemohl existovat. To je ústředním bodem anthropického principu. Podle tohoto principu někde uvnitř celého mechanismu a struktury vesmíru musí existovat faktor, který umožnil vznik života.

Vznikl snad vesmír nějakým záměrem? Biologové slovo "záměr" v souvislosti se vznikem života odmítají. Anthropický princip se vztahuje k lidským bytostem nebo k jejich existenci. Anthropický princip tvrdí, že existence lidských bytostí poskytuje klíč k pochopení vlastností našeho prostředí. Díky tomu lze zodpovědět řadu otázek týkajících se vlastností Země a Sluneční soustavy. Například otázka "Proč je Sluneční soustava tak stará?" Sluneční soustava musí být dostatečně stará, aby umožnila evoluční vývoj lidských bytostí. Pokud by nebyla tak stará, nebylo by bytostí, které by se ptaly na její stáří. Proč je klima Země takové, že je vhodné pro náš život? Odpověď je opět zřejmá. Anthropický princip lze použít také v kosmologickém kontextu. Otázku stáří vesmíru lze zodpovědět opět naší existencí. Inteligentnímu životu na Zemi předcházela kosmická evoluce, evoluce hvězd a planet, chemická evoluce a biologická evoluce. Anthropický princip použitý v předchozích případech se nazývá slabý anthropický princip.

Pokud použijeme slabý anthropický princip na otázku, proč je vesmír tak přesně vyladěn pro vznik a vývoj života, dostaneme odpověď, která však není uspokojivá. Pokud by tomu bylo jinak, nikdo by takovou otázku nepoložil. Anthropický princip použil poprvé v kosmologickém kontextu Brandon Carter. [7] Podle jeho názoru však potřebujeme silný anthropický princip, který tvrdí, že vesmír musí být takový, aby v jisté fázi vývoje umožnil vznik inteligentních pozorovatelů. Na rozdíl od slabého anthropického principu silný anthropický princip tvrdí, že existence vesmíru je podmíněna existencí inteligentních pozorovatelů.

Existují tři způsoby, jak interpretovat přesné vyladění fundamentálních fyzikálních konstant. Za prvé, tyto konstanty byly přesně vyladěny vševědoucím Bohem. Za druhé, existuje velký počet vesmírů s různými hodnotami fundamentálních fyzikálních konstant a my existujeme díky tomu, že se nacházíme ve vesmíru s konstantami vhodnými pro vznik a vývoj života. Za třetí, musí existovat nějaké fundamentální fyzikální zákony určující hodnoty všech fundamentálních konstant, které se nám zdají nezávislé, avšak ve skutečnosti jsou vzájemně provázány a jejich pozorované hodnoty jsou logickou nutností.

Podle mého názoru však existuje ještě jeden způsob, jak interpretovat přesné vyladění fyzikálních konstant. Jiné hodnoty fyzikálních konstant zřejmě vedou k jiným jemným koincidencím, které však nejsme schopni odhadnout. Takové koincidence mohou vést k jiné struktuře vesmíru a také ke vzniku naprosto neznámých forem života a inteligence. Dostáváme se tak k zásadním otázkám, co je vlastně život a co je jeho inteligencí.

Podle první interpretace v okamžiku stvoření vševědoucí Bůh nastavil hodnoty fundamentálních fyzikálních konstant tak, aby mohl později vzniknout inteligentní život. Tento argument, že celý vesmír byl Božím záměrem se však od základu liší od staršího argumentu kreacionismu, podle něhož život a živé organismy stvořil Bůh. Tento argument byl vyvrácen objevem, že přírodní výběr může zjevně určovat strukturu organismu.

Určitý problém lze spatřovat ve vševědoucím Bohu. Vševědoucí Bůh ve své podstatě znamená entitu, která ve své mysli udržuje určitý soubor axiomů. Matematický přístup k axiomatickým systémům však ukázal, že množství informace obsažené v souboru axiomů lze určit kvantitativně. Žádná z dedukcí, která použije tyto axiomy, však nemůže množství informace zvýšit.

Německý matematik a logik Kurt Gödel odhalil podstatu omezení logické dedukce. Vyslovil a dokázal větu o neúplnosti, podle níž v axiomatickém systému běžné aritmetiky (a v každém axiomatickém systému, který je dostatečně bohatý, aby v sobě aritmetiku zahrnoval) existují tvrzení odvozená z axiomů, o nichž nelze rozhodnout, zda jsou pravdivá nebo nepravdivá.

Podle druhé interpretace existuje velký počet vesmírů a náš vesmír je jedním z těch, v němž jsou podmínky vhodné pro vznik a vývoj života. Existují tři variace této interpretace mnoha vesmírů. Podle první z nich existuje mnoho paralelních vesmírů, které jsou na sobě zcela nezávislé. Podle druhé z nich existuje mnoho sekvenčních, tedy po sobě jdoucích vesmírů. Podle této hypotézy cyklického vesmíru Johna Archibalda Wheelera každým velkým třeskem je náhodně vybrán nový soubor fyzikálních zákonů a nový soubor fundamentálních fyzikálních konstant. Podle třetí variace existuje mnoho domén v jednom supervesmíru, přičemž fundamentální fyzikální konstanty jsou v každé doméně různé. Jiné domény našeho supervesmíru nejsme schopni detekovat, protože jsou od nás vzdáleny více než 14 miliard světelných let, což je největší vzdálenost, jíž světlo mohlo proletět od Velkého třesku.

Někteří teoretikové, kteří zastávají představu mnoha vesmírů, interpretují silný anthropický princip následovně. Existuje mnoho vesmírů s různými typy fyzikálních zákonů a různými hodnotami fyzikálních konstant (nelze hovořit o tom, který vesmír vznikl dříve nebo později, protože mezi nimi neexistuje žádný časový vztah). Téměř všechny tyto vesmíry neumožňují vznik života. Pouze několik z nich má vhodné podmínky. Pouze ty vesmíry, v nichž vznikly inteligentní bytostí, které mohou přemýšlet o záhadě své vlastní existence, skutečně existují. Vesmíry, v nichž nevznikly inteligentní bytosti, ve skutečnosti neexistují, protože není nikdo, kdo by jejich existenci rozpoznal. Stoupenci tohoto argumentu jsou atheisté, proto zde nevystupuje žádný Bůh, který by existenci všech vesmírů rozpoznal. Protože inteligentní bytosti ve vesmíru vznikly z hmoty v něm obsažené, jsou jeho nedílnou součástí. Proto poznávání vesmíru jeho inteligentními bytostmi odpovídá sebepoznání vesmíru. Jako bychom zde slyšeli ozvěnu známého Descartesova výroku: "Cogito ergo sum. Myslím, tudíž jsem."

Někteří vědci jsou ochotni přijmout existenci velkého počtu vesmírů více než existenci Boha, protože chtějí jít co nejdále, aniž by "hypotézu Boha" potřebovali. Může být hypotéza mnoha vesmírů pevným základem atheismu? Podle Charlese Hartshornea Bůh takto může podrobně prozkoumat možnosti vesmíru nebo vesmírů. Lze namítnout, že Bůh, který stvořil velký počet vesmírů, z nichž jen několik obývají inteligentními bytostmi, není příliš mocný. Na druhé straně není Bůh mocnější, když stvořil mnoho vesmírů než kdyby stvořil pouze jediný? Dále lze namítnout, že stvoření mnoha vesmírů pro získání několika obyvatelných vesmírů je marnivostí. Nebylo by však větší marnivostí to, že Bůh má schopnosti, jichž nikdy nevyužil?

Při rozhodování mezi Božím záměrem a hypotézou mnoha vesmírů lze použít kritéria Occamovy břitvy. Podle tohoto kritéria je nejjednodušší vysvětlení slučitelné s pozorovanými fakty tím nejlepším vysvětlením. Autor článku [1] je přesvědčen, že vševědoucí Bůh je jednodušším vysvětlením než hypotéza velkého počtu vesmíru.

S tím ovšem nelze z vědeckého hlediska souhlasit. Karl Popper požaduje, aby každou vědeckou hypotézu přírodních věd bylo možno vyvrátit nebo logicky dokázat vědeckými fakty, tedy měřením, pozorováním nebo experimentem. Occamova břitva má tedy smysl při výběru mezi ověřitelnými hypotézami. Nemá však reálný smysl při výběru mezi několika hypotézami, z nichž žádnou nelze ani dokázat ani vyvrátit.

Uvažujme nyní třetí interpretaci, podle níž fundamentální fyzikální konstanty jsou provázány dosud neznámými fyzikálními zákony tak, že dávají pozorované hodnoty. Autor článku [1] tvrdí, že jde o spekulaci, protože jsme dosud žádné takové vztahy neobjevili. Je však zvláštní, že totéž netvrdí o své hypotéze vševědoucího Boha v pozadí fyzikálních zákonů. Podle jeho názoru některé fundamentální konstanty mohou být nějak provázány, avšak je nepravděpodobné, že budou provázány všechny.

Steven Weinberg ve své knize [3] uvádí následující úvahu o vysvětlení velikosti fyzikálních konstant. Představme si, že existuje planeta Země 2, která je zcela identická se Zemí až na to, že její obyvatelé vyvinuli fyziku bez jakýchkoliv znalostí o astronomii (můžeme si představit, že planeta je trvale zakryta oblačností). Jako naši studenti, mají i studenti Země 2 ve svých učebnicích tabulku fundamentálních fyzikálních konstant. Jednou z těchto konstant je konstanta velikosti energie dopadající na povrch Země 2 z neznámého zdroje. Na naší Zemi tuto konstantu nazýváme solární konstanta, protože víme, že energii dodává Slunce. Na Zemi 2 ale nikdo nemá ponětí, odkud tato energie přichází a proč má právě hodnotu 8,09 J.cm^-2.min^-1. Někteří fyzikové na Zemi 2 poznamenávají, že hodnota této konstanty je mimořádně příznivá pro vznik života. Pokud by Země 2 dostávala energie podstatně více, pak by se voda v oceánech vypařila. Pokud by naopak bylo energie podstatně méně, voda v oceánech by se změnila v led. Tito fyzikové pochopitelně mohou dojít k závěru, že hodnota této konstanty byla stanovena promyšleně Bohem ku prospěchu lidstva. Skeptičtější fyzikové na Zemi 2 by soudili, že hodnota této konstanty bude nakonec vysvětlena finální teorií a její velikost příznivá pro vznik života je jen náhodná souhra okolností. Přesně vzato, obě strany se mýlí. Až obyvatelé Země 2 jednou vyvinou astronomii, zjistí, že jejich planeta dostává 8,09 J.cm^-2.min^-1 právě proto, že Země 2 je ve vzdálenosti 149,5 miliónu kilometrů od Slunce a zářivý výkon Slunce je 3,8268.10²⁶ Wattů. Dověděli by se také, že existují jiné planety, na nichž život vzniknout nemohl, protože jsou buď moc blízko nebo moc daleko od Slunce. Důvod, proč žijí na planetě, která dostává 8,09 J.cm^-2.min^-1 je pouze v tom, že jinde žít prostě nemohou. [2]

Teoretikové, kteří zastávají hypotézu mnoha paralelních vesmírů, vycházejí z hypotetické existence hyperprostoročasového kontinua, v němž kvantově mechanické zákony řídí vznik mnoha vesmírů. Kvantová mechanika je použitelná uvnitř prostoročasového kontinua našeho vesmíru. Lze oprávněně pochybovat, zda nějaké hyperprostoročasové kontinuum vůbec existuje a zda lze do něj extrapolovat kvantovou mechaniku. Teoretikové, kteří popisují tuto třetí interpretaci, nutně předpokládají existenci nějakých fundamentálních přírodních zákonů. Autor článku [1] se ptá, zda tyto přírodní zákony mohou nahradit Boha. Kdo stanovil jejich rovnice? Navíc pouhá existence takových rovnic neurčuje existenci vesmíru, který je dodržuje. Stephen Hawkinkg se ve své slavné knize "Stručná historie času" [8], [N2] ptá, kdo vdechl život těmto rovnicím?

Podle autora článku [1] je zajímavé, že po kopernikovské revoluci je význam lidských bytostí ve vesmíru stále menší. Nejprve Země byla svržena ze svého trůnu ve středu vesmíru. Pak se zjistilo, že Slunce je průměrnou hvězdou na okraji Mléčné dráhy (Galaxie), která obsahuje milióny jiných hvězd. Galaxie je pouze jednou z mnoha miliard galaxií ve vesmíru, o němž se dnes domníváme, že by mohl být nekonečně velký. Jak naše schopnosti pozorování vesmíru postupně rostly, význam člověka ve vesmíru se vytrácel. Autor článku [1] tvrdí, že anthropický princip existenci člověka náhle navrátil do centra dění. Pokud přijmeme hypotézu velkého počtu paralelních vesmírů, pak inteligentní pozorovatelé (v našem případě lidé) vesmíru, v němž žijí, dávají reálnou existenci tím, že ho pozorují. Pokud přijmeme hypotézu vševědoucího Boha, pak tento Bůh navrhl a vytvořil takový vesmír, aby v něm mohly vzniknout a vyvíjet se inteligentní bytosti.

Objev, že fundamentální fyzikální konstanty jsou přesně vyladěny tak, aby umožnily vznik a vývoj života, podle autora článku [1] nejsou důkazem ve prospěch existence Boha. Avšak umožňuje diskusi o Bohu na hlubší úrovni a ukazuje, že existence člověka ve vesmíru je významná.

Podle mého názoru si však anthropickým principem příliš fandíme. Je skutečně možné, že pokud by fundamentální fyzikální konstanty měly jiné hodnoty, jemné koincidence mezi nimi by možná vedly k jiné mikroskopické a makroskopické struktuře hmoty a to, co nazýváme životem a inteligencí by možná vypadalo zcela jinak. Biologové dnes dokazují, že primitivní jednobuněčný život může existovat ve velmi (pro nás) extrémních podmínkách. Mohl proto také vzniknout ve velmi odlišném fyzikálním prostředí, než poskytuje Země. Naopak vznik mnohobuněčných organismů zřejmě byl velkým štěstím v souhře fyzikálních a biochemických podmínek a inteligentní život je zřejmě velmi výjimečný. [N3]

Literatura:

[1] Taeil A. Bai: Accident or Design. Stanford University. Adapted from a section of the book entitled The Creative Universe and the Creating God being written by the author.

[2] Barrow, John D.: Teorie všeho. Mladá fronta, Praha 1997. z angl. orig.: Theories of Everything. The Quest for Ultimate Explanation. Oxford University Press, 1991. ISBN: 80-204-0602-6

[3] Weinberg, Steven: Snění o finální teorii. Nakl. Hynek spol. s r.o., Celetná 11, 110 00 Praha 1. 1996. z amer. orig.: Dreams of a Final Theory. Pantheon Books, New York, 1993. ISBN: 80-85906-26-0

[4] P.C.W. Davies: The Accidental Universe. London: Cambridge University Press, 1982.

[5] M. Rees: Just Six Numbers. New York: Basic Books, 2000.

[6] John Archibald Wheeler: "Foreword" in John D. Barrow and Frank Tipler. The Anthropic Cosmic Principle. New York: Oxford University Press, 1986.

[7] Brandon Carter and M.S. Longair, ed.: The Confrontation of Cosmological Theories with Observation. Dodrecht: Reidel, 1974.

[8] Stephen W. Hawking: Stručná historie času. Mladá fronta. Praha 1991. (z angl.originálu A Brief History of Time. From The Big Bang to Black Holes, Bantam Books Inc., New York 1988)

[X1] Frank Wilczek: From "Not Wrong" to (Maybe) Right. Center for Theoretical Physics. Department of Physics. Massachusetts Institute of Technology. 24 Mar 2004. physics/0403115 e-Print archive. Los Alamos National Laboratory. US National Science Foundation.

[N1] Od "není chybně" k "je (možná) správně". Natura 5/2004.

[N2] Vznik a vývoj vesmíru. (1) - (7). Natura 10/1994 - 4/1995.

[N3] Výjimečná Země. Natura 4/2004.