Ένας σπουδαίος αριθμός για την ύπαρξη της ζωής στο σύμπαν: ο αριθμός e

Ένας σπουδαίος αριθμός που χάρις στην ακριβή ρύθμιση του οι πυρήνες στη φύση είναι συμπαγείς αλλά και ότι υπάρχουν τα περισσότερα στοιχεία της φύσης πάνω στη Γη, είναι ο αριθμός e του οποίου η τιμή είναι 0,007.

H τιμή του αριθμού e ρυθμίζει τη φωτεινή ισχύ που δεχόμαστε από τον Ήλιο. Επίσης, η διαδικασία με την οποία τα άστρα μεταστοιχειώνουν το υδρογόνο σε κάποια άτομα του περιοδικού πίνακα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στην τιμή αυτού του αριθμού e . Το ότι υπάρχει ο άνθρακας όσο και το οξυγόνο σε μεγάλη αναλογία στον πλανήτη μας, ενώ ο χρυσός και το ουράνιο σπάνια, οφείλεται σε διεργασίες που συμβαίνουν μέσα στα άστρα. Αν ο αριθμός e ήταν 0,006 ή 0,008, τότε δεν θα μπορούσαμε να υπάρξουμε.

Τα πρώτα άστρα γεννήθηκαν περίπου πριν από 13 δισεκατομμύρια χρόνια από το αρχέγονο υλικό το οποίο περιείχε μόνο τα απλουστέρα άτομα —καθόλου άνθρακα, καθόλου οξυγόνο, καθόλου σίδηρο παρά μόνο από υδρογόνο και ελάχιστο ήλιο. Την εποχή εκείνη δεν θα μπορούσαν, φυσικά, να υπάρξουν πλανήτες γύρω από τα πρώτα άστρα. Πριν ακόμη σχηματιστεί ο Ήλιος, πολλές γενιές βαρέων άστρων είχαν ήδη διανύσει ολόκληρο τον κύκλο της ζωής τους, μεταστοιχειώνοντας το υδρογόνο τους στους βασικούς δομικούς λίθους της ζωής και εκτοξεύοντας τους στο διάστημα μέσω ισχυρών αστρικών ανέμων ή μέσω των υπερκαινοφανών εκρήξεων. Ορισμένα από αυτά τα άτομα βρέθηκαν σε ένα μεσοαστρικό νεφέλωμα —παρόμοιο με το νεφέλωμα του Ωρίωνα — όπου, πριν από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου, κάποιες τυχαίες συμπυκνώσεις σχημάτισαν ένα νέο άστρο, το οποίο περιβάλλονταν από ένα δίσκο σκόνης και αερίου που έμελλε να γίνει το ηλιακό μας σύστημα.

Γιατί όμως ο άνθρακας και το οξυγόνο είναι τόσο κοινά στοιχεία εδώ στη Γη, ενώ ο χρυσός και το ουράνιο τόσο σπάνια; H απάντηση βρίσκεται στα άστρα που εξερράγησαν πριν δημιουργηθεί ο Ήλιος. H Γη, και εμείς οι ίδιοι, είμαστε φτιαγμένοι από τις στάχτες αυτών των αρχαίων άστρων, προτού ‘ανατείλει’ στο σύμπαν ο Ήλιος μας. Δηλαδή ο Γαλαξίας μας (όπως και οι υπόλοιποι γαλαξίες) είναι ένα οικοσύστημα που ανακυκλώνει άτομα ξανά και ξανά μέσω της δημιουργίας νέων άστρων.

Τα άτομα του άνθρακα, του οξυγόνου και του σιδήρου στο ηλιακό μας σύστημα είναι απολιθώματα του νέφους σκόνης από το οποίο δημιουργήθηκε το ηλιακό μας σύστημα πριν από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια:
δημιουργήθηκαν από άστρα μεγάλης μάζας που εκείνη την εποχή είχαν ήδη αποβάλει τα «συντρίμμια» τους στο Διάστημα. Και αυτά τα «απόβλητα» συνιστούσαν μόλις το 2% της μάζας, ενώ το υδρογόνο και το ήλιο ήταν ακόμη, με συντριπτική διαφορά, τα κυρίαρχα άτομα. Τα βαρέα άτομα, ωστόσο, έχουν ισχυρή παρουσία εδώ στη Γη, επειδή το υδρογόνο και το ήλιο είναι πτητικά αέρια που διέφυγαν από όλους τους εσωτερικούς πλανήτες.

Σε αντίθεση, ο γιγαντιαίος πλανήτης Δίας αποτελείται, όπως και ο Ήλιος, κυρίως από υδρογόνο και ήλιο. Σχηματίστηκε από τα ψυχρότερα εξωτερικά στρώματα του δίσκου που περιέβαλλε τον νεοσύστατο Ήλιο, και η δική του βαρύτητα ήταν αρκετή για να συγκρατήσει τα εν λόγω ελαφρά άτομα.

Τα αρχαιότερα από τον Ήλιο άστρα θα πρέπει να σχηματίστηκαν προτού καν ο Γαλαξίας μας γεμίσει με τόσα «απόβλητα»· υλικά, συνεπώς οι επιφάνειες τους θα πρέπει να παρουσιάζουν μια έλλειψη βαρέων στοιχείων συγκριτικά με τον Ήλιο. Το αστρικό φως έχει πολύπλοκο φάσμα, στο οποίο κάθε είδος ατόμου αποτυπώνει ένα χαρακτηριστικό σύνολο χρωμάτων. Και πράγματι, αποδεικνύεται ότι τα αρχαιότερα άστρα τείνουν να έχουν μικρότερη περιεκτικότητα σε βαριά άτομα — και έτσι επιβεβαιώνεται τούτο το γενικό σχήμα γαλαξιακής ιστορίας. Αντίθετα, το στοιχείο ήλιο παραμένει άφθονο και στα αρχαιότερα άστρα, και ο λόγος που συμβαίνει αυτό, μας οδηγεί απευθείας στα λίγα πρώτα λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Η πυρηνική απόδοση e = 0,007

O υπολογισμός της αναλογίας των διαφόρων ατόμων — και η κατανόηση πως κατά την δημιουργία δεν χρειάστηκε να σχηματιστούν  ενενήντα δύο διαφορετικά στοιχεία παρά τρία μόνο τρία (υδρογόνο, ήλιο και λίθιο) — αποτελεί έναν από τους θριάμβους της αστροφυσικής.

Υπάρχει ακόμη αβεβαιότητα για μερικές λεπτομέρειες, ωστόσο η ουσία εξαρτάται από έναν μόνο αριθμό: την ισχύ της δύναμης που συνδέει μεταξύ τους τα σωματίδια (πρωτόνια και νετρόνια) τα οποία συνιστούν τον ατομικό πυρήνα.

H διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν E = mc² μας λέει ότι η μάζα (m) συνδέεται με την ενέργεια (E) μέσω της ταχύτητας του φωτός (c). H ταχύτητα του φωτός, επομένως, έχει θεμελιώδη σημασία. Αποτελεί το «συντελεστή μετατροπής»: μας λέει πόση ενέργεια αντιστοιχεί σε κάθε χιλιόγραμμο ύλης. O μόνος τρόπος για να μετατραπεί μια μάζα ύλης πλήρως σε ενέργεια είναι εάν μπορέσει να έλθει σε επαφή με ίση μάζα αντιΰλης — κάτι που ευτυχώς για την επιβίωση μας δεν υπάρχει σε μεγάλη ποσότητα πουθενά στον Γαλαξία μας. Μόλις ένα χιλιόγραμμο αντιΰλης θα έδινε ενέργεια ίση με αυτήν που παράγει σε δέκα χρόνια κάποιο μεγάλο εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής.

Τα συμβατικά καύσιμα όπως η βενζίνη, ή ακόμη και τα εκρηκτικά όπως η τρινιτροτουλουόλη,  εκλύουν  μόλις το  ένα δισεκατομμνριοοτό  της «μάζας ηρεμίας» του υλικού. Στα υλικά αυτά λαμβάνουν χώρα χημικές αντιδράσεις, οι οποίες αφήνουν αμετάβλητους τους πυρήνες των ατόμων και απλώς ανακατανέμουν τις τροχιές των ηλεκτρονίων γύρω τους και τους δεσμούς μεταξύ των ατόμων.

H ισχύς της πυρηνικής σύντηξης, όμως, προκαλεί δέος, διότι έχει εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη απόδοση από οποιαδήποτε χημική αντίδραση. O πυρήνας ενός ατόμου ηλίου περιέχει το 99,3% των μαζών των δύο πρωτονίων και των δύο νετρονίων που τον αποτελούν. Το υπόλοιπο 0,7% εκλύεται στο περιβάλλον κυρίως υπό μορφή θερμότητας, κατά τη διαδικασία σχηματισμού του πυρήνα ηλίου. Έτσι, το καύσιμο που χρησιμοποιεί ο Ήλιος — το αέριο υδρογόνο στον αστρικό πυρήνα του —, όταν συντήκεται σε ήλιο, μετατρέπει το 0,007 της μάζας του σε ενέργεια. Ουσιαστικά, αυτός είναι ο αριθμός e, και ο οποίος καθορίζει το πόσο θα ζήσουν τα άστρα. Περαιτέρω μεταστοιχειώσεις του ηλίου, μέχρι το σίδηρο, συνεισφέρουν ένα επιπλέον 0,001, συνεπώς, τα κατοπινά στάδια στη ζωή ενός άστρου είναι σχετικά σύντομα. Είναι ακόμη πιο σύντομα επειδή, στους πιο θερμούς αστρικούς πυρήνες, επιπλέον ενέργεια διαφεύγει αόρατη υπό τη μορφή νετρίνων.

H ποσότητα της ενέργειας που εκλύεται κατά τη σύντηξη απλών ατόμων εξαρτάται από την ισχύ της’ δύναμης που «συγκολλά» τα συστατικά του ατομικού πυρήνα. H δύναμη αυτή είναι διαφορετική από την βαρυτική και την ηλεκτρική δύναμη, επειδή δρα μόνο σε πολύ μικρή απόσταση και η ισχύς της περιορίζεται στην κλίμακα του ατομικού πυρήνα. Δεν έχουμε άμεση εμπειρία αυτής της δύναμης, σε αντίθεση με τον τρόπο που «νιώθουμε» τη βαρυτική και την ηλεκτρική. Μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα, όμως, αυτή η δύναμη κρατά ενωμένα τα πρωτόνια και τα νετρόνια τόσο ισχυρά ώστε να υπερνικά την ηλεκτρική άπωση των θετικά φορτισμένων πρωτονίων. Οι φυσικοί ονομάζουν αυτή τη δύναμη «ισχυρή αλληλεπίδραση».

Αυτή η «ισχυρή αλληλεπίδραση», η κυρίαρχη δύναμη στο μικρόκοσμο, συγκρατεί τα πρωτόνια στον πυρήνα του ηλίου και στους βαρύτερους πυρήνες τόσο δυνατά, ώστε η σύντηξη να αποτελεί εξαιρετικά ισχυρή πηγή ενέργειας και να παρέχει στον Ήλιο την παρατεταμένη θερμότητα η οποία υπήρξε προαπαιτούμενο για την εμφάνιση μας. Χωρίς την ενέργεια από τη σύντηξη των πυρήνων ο Ήλιος όντως θα έχανε την ενέργεια του μέσα σε 10 περίπου εκατομμύρια χρόνια, όπως εκτίμησε ο Kelvin πριν από έναν αιώνα. Επειδή η δύναμη αυτή έχει μικρή ακτίνα δράσης, η επενέργεια της ελαττώνεται στους μεγαλύτερους και βαρύτερους πυρήνες: γι’ αυτόν ακριβώς το λόγο στους πυρήνες οι οποίοι είναι βαρύτεροι από το σίδηρο, τα συστατικά τους είναι λιγότερο ισχυρά συνδεδεμένα απ’ ό,τι στους υπόλοιπους πυρήνες.

H μικρορύθμιση του e

Οι πυρηνικές δυνάμεις αναμφισβήτητα έχουν έναν καθοριστικής σημασίας ρόλο στη δομή του Σύμπαντος μας, ωστόσο, τι σημασία έχει η ακριβής τιμή τού ε; Τι θα άλλαζε αν το ε ήταν, για παράδειγμα, ίσο με 0,006 ή 0,008 αντί για 0,007;

Εκ πρώτης όψεως, θα λέγαμε ότι δεν θα υπήρχε μεγάλη διαφορά. Av το e είχε μικρότερη τιμή, το υδρογόνο θα ήταν λιγότερο αποδοτικό καύσιμο, συνεπώς ο Ήλιος και τα άστρα δεν θα ζούσαν τόσο πολύ. Όμως αυτό από μόνο του δεν θα ήταν κρίσιμο — ούτως ή άλλως, είμαστε ήδη εδώ, και ο Ήλιος δεν έχει διανύσει ούτε το μισό της ζωής του. Ωστόσο, αποδεικνύεται ότι στη διαδικασία σύνθεσης που μετατρέπει το υδρογόνο στα άλλα στοιχεία του περιοδικού πίνακα υπάρχουν κάποια λεπτά, ευαίσθητα σε αυτό τον αριθμό, φαινόμενα.

O κρίσιμος πρώτος κρίκος της αλυσίδας — ο σχηματισμός ηλίου από υδρογόνο — εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ισχύ της ισχυρής πυρηνικής αλληλεπίδρασης. O πυρήνας ηλίου περιέχει 2 πρωτόνια αλλά και 2 νετρόνια. Αντί να συγκροτηθούν αυτά τα τέσσερα σωματίδια σε έναν πυρήνα ηλίου κατευθείαν, ο πυρήνας ηλίου συντίθεται σε στάδια, διαμέσου του δευτερίου (βαρύ υδρογόνο), το οποίο αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο.

Εάν η πυρηνική «κόλλα» ήταν ασθενέστερη, και το e είχε την τιμή 0,006 (αντί για 0,007), ένα πρωτόνιο δεν θα μπορούσε να «συνδεθεί» με ένα νετρόνιο — συνεπώς, το δευτέριο θα ήταν ασταθές. Έτσι, η πορεία προς το σχηματισμό ηλίου θα σταματούσε. Θα είχαμε ένα απλό σύμπαν φτιαγμένο από υδρογόνο, και καθόλου χημεία.

Τα άστρα θα μπορούσαν να σχηματιστούν σε ένα τέτοιο σύμπαν (αν όλα τα άλλα παρέμεναν αμετάβλητα) αλλά δεν θα διέθεταν πυρηνικό καύσιμο. Θα ξεφούσκωναν και θα κρύωναν, καταντώντας νεκρά απομεινάρια. Δεν θα υπήρχαν εκρήξεις για να διασπείρουν τα «θραύσματα» στο Διάστημα ώστε να μπορούν απ’ αυτά να σχηματιστούν νέα άστρα, και δεν θα υπήρχαν στοιχεία που να μπορούν να σχηματίσουν βραχώδεις πλανήτες.

Θα μπορούσε κάποιος να υποστηρίξει ότι, σύμφωνα με τα παραπάνω, μια περισσότερο ισχυρή πυρηνική δύναμη θα αποδεικνυόταν περισσότερο ευνοϊκή για τη ζωή, αφού θα καθιστούσε την πυρηνική σύντηξη πιο αποδοτική. Ωστόσο, δεν θα μπορούσαμε να υπάρξουμε εάν ο σπουδαίος αριθμός e ήταν μεγαλύτερος από 0,008, διότι, σε αυτή την περίπτωση, δεν θα απέμενε καθόλου υδρογόνο από τη Μεγάλη Έκρηξη. Στο πραγματικό μας Σύμπαν, δύο πρωτόνια απωθούν το ένα το άλλο τόσο έντονα ώστε η ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση δεν μπορεί να τα συνδέσει μεταξύ τους χωρίς τη βοήθεια ενός ή δύο νετρονίων (τα οποία συμβάλλουν στην πυρηνική «κόλλα», αλλά δεν αναπτύσσουν ηλεκτρική απωστική δύναμη αφού δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο).

Εάν το e ήταν 0,008, τότε δύο πρωτόνια θα μπορούσαν να συνδεθούν απευθείας μεταξύ τους. Αυτό θα συνέβαινε εύκολα κατά τα πρώτα στάδια σχηματισμού του σύμπαντος, οπότε δεν θα απέμενε καθόλου υδρογόνο για να παράσχει καύσιμο στα συνηθισμένα άστρα —κ αι βέβαια δεν θα μπορούσε να υπάρξει νερό.

Επομένως, ένα σύμπαν με πολύπλοκη χημεία περιορίζει το e να λαμβάνει τιμή στην περιοχή 0,006 έως 0,008. Κάποιες συγκεκριμένες  λεπτομέρειες  είναι  ακόμη  πιο   ευαίσθητες στην τιμή τού e. O θεωρητικός Fred Hoyle βρήκε την πιο διάσημη περίπτωση «λεπτής ρύθμισης» όταν υπολόγιζε τον ακριβή τρόπο με τον οποίο σχηματίζεται ο άνθρακας και το οξυγόνο στα άστρα.

O άνθρακας (με 6 πρωτόνια και 6 νετρόνια στον πυρήνα του) σχηματίζεται συνδυάζοντας τρεις πυρήνες ηλίου. H πιθανότητα να συναντηθούν και οι τρεις μαζί είναι αμελητέα, και έτσι η διαδικασία γίνεται με ένα ενδιάμεσο στάδιο. Σε αυτό, δύο πυρήνες ηλίου συνενώνονται για να δημιουργήσουν έναν πυρήνα βηρυλλίου (με 4 πρωτόνια και 4 νετρόνια), και τότε αυτός ενώνεται με έναν τρίτο πυρήνα ηλίου για να σχηματίσει τον άνθρακα. O Hoyle αντιμετώπισε το πρόβλημα ότι αυτός ο πυρήνας βηρυλλίου είναι ασταθής: θα διασπώταν τόσο γρήγορα, που η πιθανότητα να έλθει ένας τρίτος πυρήνας ηλίου και να κολλήσει έγκαιρα πάνω του φαινόταν πολύ μικρή.

Πώς λοιπόν θα μπορούσε να ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία; Τελικά αποδείχθηκε ότι ένα ειδικό χαρακτηριστικό του πυρήνα του άνθρακα, η παρουσία κάποιου «συντονισμού» με μια πολύ συγκεκριμένη ενέργεια συντονισμού – 7,644 MeV – αυξάνει την πιθανότητα το βηρύλλιο ν« κολλήσει με έναν πυρήνα ηλίου στο μικρό χρονικό διάβημα μέχρι να διασπαστεί. O Hoyle προέβλεψε την ύπαρξη αυτού του συντονισμού. Πρότεινε δε στους πειραματιστές συνεργάτες του να τον μετρήσουν, και επαληθεύτηκε.

Αυτό το φαινομενικά «τυχαίο γεγονός» της πυρηνικής φυσικής είναι που επιτρέπει στον άνθρακα να σχηματιστεί — ενώ δεν υπάρχει αντίστοιχο φαινόμενο που να ενισχύει το επόμενο στάδιο της διαδικασίας, κατά το οποίο ο πυρήνας του άνθρακα συλλαμβάνει άλλον έναν πυρήνα ηλίου και μετατρέπεται σε πυρήνα οξυγόνου. O κρίσιμος «συντονισμός» είναι εξαιρετικά ευαίσθητος στην πυρηνική δύναμη. Ακόμη και μια μεταβολή κατά 4% αυτής θα μείωνε σημαντικά την ποσότητα του άνθρακα που μπορούσε να σχηματιστεί. O Hoyle υποστήριξε με επιχειρήματα ότι η ύπαρξη μας θα διέτρεχε σοβαρό κίνδυνο από τη μεταβολή έστω κατά ένα πολύ μικρό ποσοστό στην τιμή τού e.

Ανεξάρτητα από το πώς σχηματίστηκαν τα διάφορα χημικά στοιχεία, οποιαδήποτε μεταβολή στην τιμή του e θα επηρέαζε το μέγεθος του περιοδικού πίνακα. Μια ασθενέστερη πυρηνική δύναμη θα μετακινούσε τον πιο ισχυρά συνδεδεμένο πυρήνα (του σιδήρου, με αύξοντα αριθμό 26) σε προηγούμενη θέση του πίνακα, και θα μείωνε κάτω από το 92 τον αριθμό των ευσταθών ατόμων. Αυτό θα οδηγούσε σε μια αποδυναμωμένη χημεία. Αντίθετα, μεγαλύτερη τιμή τού e θα μπορούσε να αυξήσει την ευστάθεια των βαρύτερων ατόμων.

Εκ πρώτης όψεως, ένα μεγαλύτερο «μενού» από διαφορετικά άτομα φαίνεται να ανοίγει το δρόμο σε μια χημεία με μεγαλύτερο ενδιαφέρον και ποικιλία. Αυτό δεν είναι ωστόσο αυτονόητο — για παράδειγμα, η αγγλική γλώσσα δεν θα γινόταν πιο πλούσια σε αξιοσημείωτο ποσοστό εάν το αλφάβητο της είχε περισσότερα γράμματα. Κατά παρόμοιο τρόπο, πολύπλοκα μόρια μπορούν να δημιουργούνται σε ατελείωτη ποικιλία παρά το γεγονός ότι υπάρχουν σχετικά λίγα στοιχεία. H χημεία θα ήταν πιο πληκτική (και τα πολύπλοκα μόρια που είναι ουσιώδη για τη ζωή δεν θα υπήρχαν) αν δεν υπήρχε οξυγόνο και σίδηρος (με αύξοντες αριθμούς 8 και 26, αντίστοιχα), και κυρίως εάν ο άνθρακας (με αύξοντα αριθμό 6) δεν βρισκόταν σε αφθονία.

Ωστόσο, λίγα πράγματα θα άλλαζαν εάν αυξανόταν ο αριθμός των στοιχείων που βρίσκονται σε αφθονία ή εάν είχαμε μερικά ακόμη σταθερά στοιχεία πέραν των ενενήντα δύο.

Το μείγμα των στοιχείων εξαρτάται βέβαια από τον σπουδαίο αριθμό e, αυτό όμως που προκαλεί εντύπωση είναι ότι δεν θα μπορούσε να υπάρξει βιόσφαιρα με βάση τον άνθρακα εάν αυτός ο αριθμός ήταν 0,006 ή 0,008, αντί για 0,007.

Πηγή: Μόνο έξι αριθμοί του Martin Rees (εκδόσεις Κάτοπτρο)

Δείτε και τα σχετικά άρθρα

H προέλευση των χημικών στοιχείων και το πρόβλημα δημιουργίας του άνθρακα στα άστρα

Ο κύκλος της δημιουργίας των χημικών στοιχείων, είναι ένας κύκλος της ζωής των αστέρων.