Albert Einstein kdysi uvedl, že by ho skutečně zajímalo, zda Bůh měl nějakou možnost při stvoření světa. Tuto otázku považoval za skutečně zásadní. Ve srovnání s touto otázkou všechny ostatní vypadají triviálně. Autor článku [1] tvrdí, že Bůh jistě měl mnoho možností, pokud by chtěl vytvořit vesmír bez života. Pokud však měl v úmyslu vytvořit vesmír, v němž by mohl existovat také život, měl velmi omezené možnosti. Podle nedávných zjištění hodnoty fundamentálních fyzikálních konstant musely být přesně nastaveny, aby ve vesmíru vůbec mohl vzniknout život, jaký známe. O této skutečnosti se zmínil Brandon Carter a následně byla popularizována v několika knihách.

Existuje řada fyzikálních konstant, jako je rychlost světla c, gravitační konstanta G, Planckova konstanta h, Boltzmannova konstanta k. Hmotnost elektronu, hmotnost protonu a konstanty určující velikosti elektromagnetické, silné a slabé jaderné interakce, jsou také fundamentálními konstantami. Dosud nevíme, proč tyto konstanty mají právě takové hodnoty, jaké mají.

Ve snaze přiblížit teorii relativity a kvantovou mechaniku George Gamow napsal populárně vědeckou knihu "Pan Tompkins v říši divů" (Mr. Tompkins in Wonderland, London, Cambridge University Press, 1940). Relativistické a kvantové jevy zvýraznil v běžném životě říše divů změnou základních fyzikálních konstant. Výrazně zmenšil hodnotu světla a výrazně zvětšil hodnotu gravitační konstanty a Planckovy konstanty.

Ve skutečnosti se však ukazuje, že pokud by se hodnoty fundamentálních fyzikálních konstant změnily pouze nepatrně, vesmír by vypadal naprosto jinak a život ve formě, v jaké ho známe, by vůbec nemohl vzniknout. V některých případech, pokud by život přesto vznikl, by nemohl vzniknout inteligentní život.

Veškeré životní formy na Zemi závisejí na sloučeninách uhlíku. Dvojmocný a čtyřmocný uhlík vytváří společně s vodíkem, kyslíkem, dusíkem, sírou, fosforem a dalšími stopovými prvky (vápník, sodík, draslík, železo, hořčík atd.) jednoduché až velmi složité organické sloučeniny, jako jsou proteiny (bílkoviny), oligosacharidy (cukry), lipidy (tuky) a nukleové kyseliny, které jsou stavebním a energetickým základem života. Všechny živé organismy závisejí přímo nebo nepřímo na fotosyntéze. Nedávno byly objeveny organismy na dně oceánů, kam neproniká žádné sluneční světlo. Tyto organismy získávají energii ze sloučenin síry, které vyvěrají z hydrotermálních zřídel. Avšak někteří vědci se domnívají, že tyto organismy požírají mršiny větších organismů, které nepřímo závisejí na fotosyntéze.

Pro fotosyntézu, která probíhá díky chlorofylu, je nutné viditelné světlo. Fotony infračerveného světla mají příliš nízkou energii a fotony ultrafialového světla příliš vysokou energii. Životní formy na jiných planetách ve vesmíru mohou využívat jiné biochemické reakce složitých molekul, avšak energetické úrovně těchto reakcí budou podobné kvůli velikosti elektromagnetické interakce. Proto lze očekávat, že organismy na jiných planetách budou také závislé na viditelném světle.

Mohou také jiné hvězdy než Slunce umožňovat existenci života? Intenzita světelného záření tělesa závisí podle Planckova zákona na vlnové délce záření. Závislost intenzity záření na jeho vlnové délce popisuje spektrum záření. Toto spektrum závisí na povrchové teplotě hvězdy, která souvisí s rychlostí termonukleárních reakcí v jádru hvězdy a s intenzitou proudění fotonů z jádra na povrch. Ve spojitém spektru záření se vyskytují emisní nebo absorpční spektrální čáry způsobené buď emisí nebo absorpcí určitých vlnových délek světla chemickými prvky a sloučeninami. Spektrální čáry jsou pro každý chemický prvek nebo sloučeninu charakteristické a zhruba souvisejí s přeskoky elektronů mezi hladinami energie v atomech.

Rychlost termonukleárních reakcí a intenzita proudění fotonů na povrch je určena hodnotami řady fyzikálních konstant, jako jsou velikosti gravitační, silné a elektromagnetické interakce, hmotnost elektronu a protonu a rychlost světla ve vakuu.

Spektra hvězd se odlišují počtem a výrazností spektrálních čar (emisních a absorpčních). Jednotlivé typy hvězdných spekter byly srovnány do spektrálních tříd, které byly rozděleny do deseti skupin. Závislost absolutní svítivosti hvězd na jejich spektrální třídě je zaznamenávána do Hertzsprungova-Russelova diagramu. Na vodorovné ose tohoto diagramu se uvádí spektrální třída (nebo logaritmus absolutní teploty) a na svislé ose se nanáší absolutní vizuální magnituda (případně logaritmus zářivého výkonu hvězdy). Hvězdy v tomto diagramu zaujímají určité pozice, které vytvářejí skupiny označované jménem. Nejvíce hvězd leží ve skupině označované jako hlavní posloupnost.

Hvězdy hlavní posloupnosti, k níž náleží také Slunce, lze rozdělit do několika podskupin, z nichž nejpočetnější jsou modří obři a červení trpaslíci. Modří obři jsou hmotné hvězdy, jejichž energie z jádra se šíří zejména zářením fotonů na povrch. Tyto hvězdy převážně vyzařují ultrafialové záření. Naopak červení trpaslíci jsou málo hmotné hvězdy, jejichž energie z jádra se šíří převážně prouděním látky. Tyto hvězdy převážně vyzařují infračervené záření. Hvězdy podobné Slunci se nacházejí někde mezi modrými obry a červenými trpaslíky. Jejich energie se z jádra na povrch šíří jak zářením tak prouděním látky. Kromě ultrafialového a infračerveného záření vyzařují zejména viditelné světlo, které je využíváno fotosyntézou. Protože mnoho hvězd se nachází na této hranici, nepatrná změna fundamentálních fyzikálních konstant by způsobila, že by byly buď modrými obry nebo červenými trpaslíky. Aby existovaly hvězdy podobné Slunci, musely být hodnoty fundamentálních konstant přesně vyladěny.

Uvažujme nejprve důsledky změny velikosti silné jaderné interakce. Pokud by velikost silné interakce byla nepatrně vyšší než nyní, termonukleární fúze uvnitř jader hvězd by probíhala rychleji než nyní. Hvězdy by měly vyšší teplotu jádra a větší průměr. Přesné změny struktury hvězd lze zkoumat numerickými simulacemi. Kvůli rychlejším termonukleárním reakcím by doba života hvězd byla kratší. Ve vesmíru je nejvíce vodíku a hélia a poté uhlíku, dusíku, kyslíku a dalších prvků. Pokud by však velikost silné interakce byla nepatrně větší než nyní, uhlíku, dusíku a kyslíku by bylo ve vesmíru méně, protože by se jadernými reakcemi snadněji přeměňovaly v těžší prvky. Nedostatek uhlíku by však neumožňoval vznik života, jak ho známe.

Pokud by velikost silné jaderné interakce byla větší pouze o 2 procenta, dva protony by mohly tvořit jádra právě se dvěma protony. Tento proces řízený silnou jadernou interakcí by probíhal rychleji než proces vzniku jader deuteria (jeden proton a jeden neutron), který je řízen slabou jadernou interakcí. V tomto případě by se všechen vodík přeměnil na hélium již během nukleosyntézy krátce po velkém třesku. Bez vodíku by však hvězdy obsahující hélium zářily jen několik miliónů let, než by se jádra atomů hélia přeměnila na jádra atomů uhlíku. Tato doba života hvězd je však příliš krátká na to, aby vůbec vznikl život se svými nejjednoduššími organismy. Navíc bez vodíku by neexistovala voda, která má výjimečné chemické a fyzikální vlastnosti.

Ve vesmíru existuje 92 přirozených chemických prvků. Velikosti silné jaderné interakce a elektromagnetické interakce strukturu atomového jádra. Jejich relativní velikosti určují počet chemických prvků. Silná jaderná interakce působí jako přitažlivá síla mezi nukleony (protony a neutrony) na krátkou vzdálenost menší než 10^-15 metru. Elektromagnetická interakce působí jako síla dlouhého dosahu s intenzitou nepřímo úměrnou druhé mocnině vzdálenosti elektrických nábojů. Kladně nabitý proton v jádře je elektromagnetickou interakcí odpuzován od všech ostatních protonů, avšak silnou jadernou interakcí je přitahován pouze okolními protony a neutrony. S velikostí atomového jádra proto postupně převažuje odpudivá elektromagnetická interakce nad přitažlivou silnou jadernou interakcí. Velikost atomového jádra proto nemůže být neomezená.

Velmi těžké chemické prvky se samovolně rozpadají. Takové prvky nazýváme radioaktivní. Pokud by velikost silné jaderné interakce byla nepatrně menší než nyní, počet stabilních chemických prvků by byl menší a železo by mohlo být radioaktivní. Železo je však aktivní součástí červeného krevního barviva hemoglobinu, který přenáší kyslík do buněk. Není jasné, které chemické prvky by mohly železo v hemoglobinu nahradit. Navíc bez těžkých chemických prvků, jako je vápník, by nemohly existovat větší živočichové s pevnou kostrou, která udržuje tvar těla. Pokud by silná jaderná interakce byla dostatečně silná, pak by uhlík, dusík a kyslík byly radioaktivními prvky a život ve formě, v níž ho známe, by byl zcela vyloučen.

K dramatické změně by došlo v případě, že by silná jaderná interakce byla slabší o 5 procent. Proton a neutron by nemohly vytvořit deuteron, jádro deuteria. Vznik deuteronů je prvním krokem jaderné syntézy chemických prvků. Bez deuteronů by nemohly v jádrech hvězd vzniknout žádné těžší chemické prvky a život by byl zcela vyloučen.

Uvažujme nyní důsledky změny velikosti slabé jaderné interakce. Pokud železné jádro hmotných hvězd překročí 1,4 násobek hmotnosti Slunce, dochází k náhlému kolapsu hvězdy za mohutné emise neutrin, která způsobí následnou erupci obalu hvězdy za vzniku supernovy, jejíž absolutní svítivost může po určitou dobu dosáhnout absolutní svítivosti Galaxie. Reakce neutrin v obalu hvězdy je určena slabou jadernou interakcí. Pokud by velikost slabé jaderné interakce byla nepatrně menší než nyní, erupce supernov by vůbec nebyly možné. Erupce supernov jsou však jediným zdrojem těžkých prvků v mezihvězdném prostoru. Tyto těžké prvky vznikají v jádrech hmotných hvězd. Bez erupcí supernov by nemohly vzniknout planety s těžkými chemickými prvky, jako jsou uhlík, dusík, kyslík, síra a fosfor, které jsou základní součástí živé hmoty, jak ji známe. Nevznikl by hořčík, který je aktivním prvkem zeleného barviva chlorofylu, železo, které je aktivním prvkem červeného krevního barviva hemoglobinu, nebo vápník, který je stavebním prvkem vápenitých schránek a kostí. Velikost slabé jaderné interakce je tedy pro existenci života podstatná.

Pokud by gravitační konstanta, která určuje velikost gravitační interakce, byla větší než nyní, v jádrech hvězd by byl větší hydrostatický tlak a teplota jader by byla vyšší. Proto by také vzrostla rychlost jaderných reakcí. Vyšší teplota jádra a větší množství vznikající energie by způsobily větší teplotu povrchu hvězd. Silnější gravitace by povrch hvězd zmenšila. Protože by se vyzařovalo více energie menší plochou, většina energie by se vyzařovala ve formě ultrafialového záření. Hvězdy s hmotností blízkou Slunci by byly spíše modrými obry. Naopak hvězdy s nižší hmotností než Slunce by vyzařovaly ve viditelném světle. Avšak doba života těchto hvězd by byla kratší než hvězd podobných Slunci. Tyto hvězdy dříve opouštějí hlavní posloupnost a doba setrvání na hlavní posloupnosti by nebyla dostatečná pro evoluci života ve formě, v jaké ho známe.

Podobně malé změny velikosti elektromagnetické interakce, rychlosti světla, Planckovy konstanty, Boltzmannovy konstanty hmotnosti protonu a elektronu by měly závažné důsledky pro existenci života.

Na druhé straně by odlišné hodnoty těchto konstant zřejmě vedly k novým jemným koincidencím (souvislostem), které si vůbec nedokážeme představit ani odhadnout, a samoorganizace by vedla ke strukturám, které nepozorujeme. Život by mohl mít zcela odlišné formy nebo by mohl mít zcela jiný význam. Dokud se nám nepodaří objevit život někde ve vesmíru, nebudeme schopni si představit jeho jiné formy.

Literatura:

[1] Taeil Albert Bai: The Universe Fine-Tuned for Life. Stanford University, Stanford, CA 94305, U.S.A.

[2] Taeil Albert 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.

[N1] Náhoda nebo záměr. Natura 10/2004.