Oddziaływanie silne i słabe

O budowie wszechświata decyduje nie tylko precyzyjne dostrojenie oddziaływania grawitacyjnego i elektromagnetycznego. Istotne znaczenie dla naszego życia mają także dwa inne oddziaływania.

Własności obu tych oddziaływań, występujących między składnikami jądra atomowego, najwyraźniej zostały z góry zaplanowane. Rozważmy oddziaływanie silne — spajające protony i neutrony w jądra atomowe. Dzięki temu wiązaniu mogą istnieć różne pierwiastki: lekkie (na przykład hel i tlen) oraz ciężkie (takie jak złoto czy ołów). Przypuszcza się, że gdyby to wiązanie było zaledwie o 2 procent słabsze, istniałby tylko wodór. Gdyby zaś było nieco silniejsze, istniałyby wyłącznie pierwiastki cięższe od wodoru. Czy to odbiłoby się na naszym życiu? Owszem, we wszechświecie pozbawionym tego pierwiastka Słońce nie miałoby paliwa, dzięki któremu wypromieniowuje życiodajną energię. Rzecz jasna nie mielibyśmy też wody ani żywności, gdyż wodór jest ich nieodzownym składnikiem.

Czwartym oddziaływaniem, które chcemy omówić, jest oddziaływanie słabe, odpowiedzialne za niektóre promieniotwórcze przemiany jądrowe. Ma ono również wpływ na reakcje termojądrowe zachodzące w naszym Słońcu. Być może zapytasz: Czy siła tego oddziaływania też została precyzyjnie dobrana? Matematyk i fizyk Freeman Dyson wyjaśnia: „Oddziaływanie słabe jest miliony razy słabsze niż siły jądrowe [oddziaływanie silne]. Jest odpowiednio słabe, by wodór spalał się wewnątrz Słońca powoli i równomiernie. Gdyby było znacznie silniejsze lub znacznie słabsze, wszelkie formy życia, które do istnienia potrzebują gwiazdy przypominającej Słońce, znowu znalazłyby się w fatalnym położeniu”. Odpowiednie tempo spalania wodoru rzeczywiście jest konieczne, by Ziemia była dobrze ogrzana — ale nie spopielona — i byśmy mogli na niej żyć.

Poza tym naukowcy uważają, że oddziaływanie słabe odgrywa istotną rolę podczas wybuchów supernowych, a właśnie tymi wybuchami tłumaczą istnienie i rozprzestrzenienie większości pierwiastków. „Gdyby oddziaływanie silne oraz słabe były nieco inne niż w rzeczywistości, gwiazdy nie wyprodukowałyby pierwiastków, z których ty i ja jesteśmy zbudowani” — wyjaśnia fizyk John Polkinghorne.

Takie fakty można by jeszcze mnożyć, ale zapewne już teraz zgodzisz się z płynącym z nich wnioskiem. Cztery podstawowe oddziaływania są ze sobą zdumiewająco zestrojone. „Wszystko wokół nas zdaje się poświadczać, że natura zrobiła to tak, jak trzeba” — napisał profesor Paul Davies. Istotnie, tylko dzięki precyzyjnemu dostrojeniu oddziaływań podstawowych mogą istnieć i spełniać swe funkcje Słońce i nasza cudowna planeta, a na niej życiodajna woda, nieodzowna dla życia atmosfera oraz mnóstwo cennych pierwiastków chemicznych. Zadaj sobie jednak pytanie: Dlaczego te oddziaływania są tak dokładnie dostrojone i komu lub czemu należałoby to przypisać?

Idealne cechy Ziemi

Nasze istnienie jest też zależne od precyzyjnego doboru innych parametrów. Zastanówmy się nad wielkością Ziemi i jej położeniem w stosunku do pozostałych ciał Układu Słonecznego. Biblijna Księga Hioba zawiera pytania uświadamiające nam naszą znikomość: „Gdzieżeś był, gdy zakładałem ziemię? (...) Kto ustanowił jej wymiary, jeśli to wiesz?” (Hioba 38:4, 5). W naszych czasach pytania te jeszcze pilniej domagają się odpowiedzi. Dlaczego? Ponieważ wyszły na jaw zdumiewające fakty dotyczące między innymi rozmiarów Ziemi oraz jej położenia w Układzie Słonecznym.

Nigdzie we wszechświecie nie odkryto planety przypominającej Ziemię. Co prawda niektórzy naukowcy przedstawiają pośrednie dowody, iż wokół pewnych gwiazd krążą obiekty setki razy od niej większe. Ale Ziemia ma wielkość dokładnie taką, jaka jest konieczna dla naszego istnienia. Co o tym świadczy? Gdyby była nieco większa, silniejsze byłoby też przyciąganie ziemskie i nie pozwoliłoby na ucieczkę w przestrzeń kosmiczną lekkiego gazu, jakim jest wodór — gromadziłby się on wtedy na naszej planecie. Atmosfera nie sprzyjałaby więc życiu. Gdyby zaś Ziemia była nieco mniejsza, uciekłby z niej życiodajny tlen oraz wyparowałaby woda zgromadzona na jej powierzchni. W obu wypadkach nie moglibyśmy tutaj żyć.

Innym istotnym czynnikiem, dzięki któremu warunki na Ziemi sprzyjają życiu, jest odpowiednia odległość dzieląca ją od Słońca. Astronom John Barrow i matematyk Frank Tipler przeanalizowali „stosunek promienia Ziemi do jej odległości od Słońca”. Doszli do wniosku, że „gdyby ten stosunek różnił się nieco od obserwowanego w rzeczywistości”, życie ludzkie by nie istniało. Profesor David L. Block zauważył: „Jak wynika z obliczeń, gdyby Ziemia znajdowała się zaledwie o 5 procent bliżej Słońca, około 4 miliardów lat temu pojawiłby się straszliwy efekt cieplarniany [powodujący przegrzanie Ziemi]. Natomiast gdyby krążyła tylko o 1 procent dalej, około 2 miliardów lat temu nastąpiłoby potężne zlodowacenie [większą część naszego globu pokryłyby ogromne masy lodu]” (Our Universe: Accident or Design?).

Do tych przykładów precyzji można dodać okoliczność, że Ziemia obraca się wokół swej osi raz na dzień, czyli z prędkością zapobiegającą zbyt wielkim wahaniom temperatury. Obrót Wenus wokół własnej osi trwa 243 dni. Pomyśl tylko, co by się działo, gdyby Ziemia obracała się równie wolno! Nie przetrwalibyśmy skrajnych temperatur będących skutkiem bardzo długich dni i nocy.

Kolejną ważną sprawą jest kształt okołosłonecznej orbity Ziemi. Komety poruszają się po bardzo wydłużonych elipsach. Na szczęście z Ziemią jest inaczej. Jej orbita jest prawie kołowa. To również chroni nas przed zabójczymi wahaniami temperatur.

Nie bez znaczenia jest też usytuowanie naszego Układu Słonecznego. Gdyby znajdował się bliżej centrum naszej galaktyki, Drogi Mlecznej, oddziaływanie grawitacyjne pobliskich gwiazd zaburzałoby orbitę Ziemi. Gdyby natomiast mieścił się gdzieś na obrzeżach Galaktyki, nocne niebo byłoby niemalże pozbawione gwiazd. Co prawda ich światło nie jest nam konieczne do życia, ale czyż nie przydaje niezwykłego piękna nocnemu niebu? Poza tym na podstawie obecnych teorii kosmologicznych naukowcy obliczyli, że na krańcach Drogi Mlecznej nie ma wystarczającej ilości pierwiastków chemicznych niezbędnych do powstania układu planetarnego takiego jak nasz.d

Prawo i porządek

Z własnego doświadczenia zapewne wiesz, że wszystko samoistnie zmierza do coraz większego nieuporządkowania. Jak zauważył chyba każdy właściciel domu, rzeczy pozostawione własnemu losowi psują się i niszczeją. Skłonność tę naukowcy nazywają „drugą zasadą termodynamiki”. Codziennie możemy dostrzec skutki jej działania. Nowy samochód czy rower, jeśli nie jest konserwowany, po jakimś czasie nadaje się tylko na złom. Opuszczony budynek staje się ruiną. A co ze wszechświatem? Do niego również odnosi się ta sama zasada. Można by więc sądzić, że porządek istniejący we wszechświecie powinien się przerodzić w całkowity chaos.

Jednakże wszechświatowi daleko do chaosu, na co zwrócił uwagę profesor matematyki Roger Penrose, analizując stan nieuporządkowania (czyli entropię) wszechświata dostępnego obserwacji. Wypływa z tego logiczny wniosek, że w chwili początkowej wszechświat był uporządkowany i w dalszym ciągu panuje w nim bardzo duży porządek. Jak zauważył astrofizyk Alan Lightman, naukowcy „uznają za rzecz niepojętą, iż wszechświat został stworzony w tak bardzo uporządkowany sposób”. Następnie dodał, że „zadowalająca teoria kosmologiczna powinna ostatecznie rozwiązać ten problem z entropią” — to znaczy wyjaśnić, dlaczego we wszechświecie nie zapanował chaos.

W gruncie rzeczy nasze istnienie pozostaje w sprzeczności z tą uznawaną zasadą. Dzięki czemu więc żyjemy na Ziemi? Jak już wspomnieliśmy, jest to podstawowe pytanie, toteż powinno nam zależeć na znalezieniu właściwej odpowiedzi.

Dodatek

„Cegiełki wszechświata”

Tak w pewnej encyklopedii nazwano pierwiastki chemiczne. Wśród pierwiastków spotykanych na Ziemi istnieje ogromna różnorodność: jedne występują rzadko, inne bardzo często. Niektóre, takie jak złoto, mogą przyciągać wzrok. Inne, na przykład azot i tlen, to niewidoczne dla nas gazy. Każdy pierwiastek składa się z określonych atomów. Ich budowa oraz podobieństwa między nimi świadczą o ekonomicznych rozwiązaniach i zdumiewającym porządku, dającym się ukazać za pomocą tabeli.

Około 300 lat temu znano tylko 12 pierwiastków: antymon, arsen, bizmut, cynę, miedź, ołów, rtęć, siarkę, srebro, węgiel, złoto i żelazo. Kiedy odkryto ich więcej, uczeni dostrzegli wśród nich wyraźne przejawy porządku. Ponieważ w tym porządku występowały pewne luki, tacy uczeni, jak Mendelejew, Ramsay, Moseley i Bohr, przewidzieli istnienie nie znanych pierwiastków oraz ich właściwości. Pierwiastki takie zostały później odkryte. Dzięki czemu ci uczeni zdołali przewidzieć istnienie form materii, których jeszcze nie znano?

Otóż pierwiastki można uszeregować w kolejności wynikającej z budowy ich atomów. Jest to niepodważalny fakt. Dzięki temu w podręcznikach szkolnych można znaleźć układ okresowy pierwiastków, czyli tablicę, w której wodór, hel i pozostałe pierwiastki są umieszczone w poziomych szeregach i pionowych kolumnach.

W dziele McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology zauważono: „Mało która systematyzacja w dziejach nauki może konkurować z koncepcją okresowości, jeśli chodzi o zakres uwidocznionego dzięki niej uporządkowania fizycznego świata. (...) Bez względu na to, jakie jeszcze pierwiastki zostaną w przyszłości odkryte, na pewno znajdą one swe miejsce w układzie okresowym — będą pasować do istniejącego w nim porządku i mieć właściwości charakterystyczne dla odpowiedniej grupy”.

Kiedy pierwiastki ułoży się w szeregach i kolumnach układu okresowego, pierwiastki z tej samej kolumny wykazują zadziwiające podobieństwo. Na przykład w ostatniej kolumnie znajdują się hel (nr 2), neon (nr 10), argon (nr 18), krypton (nr 36), ksenon (nr 54) i radon (nr 86). Są to gazy, które pod wpływem wyładowania elektrycznego jasno świecą i dlatego są wykorzystywane w lampach jarzeniowych. Poza tym w przeciwieństwie do innych gazów bardzo trudno wchodzą w reakcje z różnymi pierwiastkami.

W całym wszechświecie — aż do atomów i cząstek elementarnych — rzeczywiście ujawnia się zadziwiający porządek i harmonia. Czemu zawdzięczamy to uporządkowanie oraz różnorodność wśród tych „cegiełek wszechświata”?

[Tablica na stronie 27]

Układ okresowy pierwiastków

[Patrz publikacja]

Czy porządek i harmonia w układzie okresowym pierwiastków to czysty przypadek, czy efekt inteligentnego zaprojektowania?

METALE

NIEMETALE

GAZY SZLACHETNE

PIERWIASTKI PRZEJŚCIOWE

Lantanowce

Aktynowce

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

Nazwa pierwiastka Symbol Liczba atomowa

wodór H 1

hel He 2

lit Li 3

beryl Be 4

bor B 5

węgiel C 6

azot N 7

tlen O 8

fluor F 9

neon Ne 10

sód Na 11

magnez Mg 12

glin Al 13

krzem Si 14

fosfor P 15

siarka S 16

chlor Cl 17

argon Ar 18

potas K 19

wapń Ca 20

skand Sc 21

tytan Ti 22

wanad V 23

chrom Cr 24

mangan Mn 25

żelazo Fe 26

kobalt Co 27

nikiel Ni 28

miedź Cu 29

cynk Zn 30

gal Ga 31

german Ge 32

arsen As 33

selen Se 34

brom Br 35

krypton Kr 36

rubid Rb 37

stront Sr 38

itr Y 39

cyrkon Zr 40

niob Nb 41

molibden Mo 42

technet Tc 43

ruten Ru 44

rod Rh 45

pallad Pd 46

srebro Ag 47

kadm Cd 48

ind In 49

cyna Sn 50

antymon Sb 51

tellur Te 52

jod I 53

ksenon Xe 54

cez Cs 55

bar Ba 56

lantan La 57

cer Ce 58

prazeodym Pr 59

neodym Nd 60

promet Pm 61

samar Sm 62

europ Eu 63

gadolin Gd 64

terb Tb 65

dysproz Dy 66

holm Ho 67

erb Er 68

tul Tm 69

iterb Yb 70

lutet Lu 71

hafn Hf 72

tantal Ta 73

wolfram W 74

ren Re 75

osm Os 76

iryd Ir 77

platyna Pt 78

złoto Au 79

rtęć Hg 80

tal Tl 81

ołów Pb 82

bizmut Bi 83

polon Po 84

astat At 85

radon Rn 86

frans Fr 87

rad Ra 88

aktyn Ac 89

tor Th 90

protaktyn Pa 91

uran U 92

neptun Np 93

pluton Pu 94

ameryk Am 95

kiur Cm 96

berkel Bk 97

kaliforn Cf 98

einstein Es 99

ferm Fm 100

mendelew Md 101

nobel No 102

lorens Lr 103

104

105

106

107

108

109