Vezna energija
eVezna energija drugi je kozmički broj koji snažno utječe na značajke našeg univerzuma (Rees, 2000., str. 43-49). On određuje oblik atoma i način na koji se odvijaju nuklearne reakcije. To je, naravno, veoma značajno i za postojanje oblika života.
Atomi različitih elemenata imaju različite vezne energije. Za nas je najznačajnija vezna energija helija. Prema stajalištu današnje astrofizike, prva generacija zvijezda pretvara vodik u helij procesom fuzije. Jezgra atoma vodika sadrži jedan proton. Jezgra vodikova izotopa, deuterija, sadrži jedan proton i jedan neutron. Fuzijom dvaju atoma deuterija nastaje atom helija s dva protona i dva neutrona. Masa jezgre atoma helija jednaka je .999 (99.3%) mase dvaju protona i dvaju neutrona od kojih je sastavljena. Procesom fuzije, .007 (0.7%) mase pretvara se u energiju, uglavnom toplinu. Taj broj, .007 je vezna energija atomske jezgre i srodna je snažnoj nuklearnoj sili koja spaja protone u atomu. Rees kaže (2000., str. 48): "Količina energije koja se oslobađa kada jednostavni atomi prolaze kroz proces nuklearne fuzije, ovisi o jačini sile koja 'lijepi' sastojke u atomskoj jezgri." Što je vezna energija veća, veća je snaga nuklearne sile. Protoni u jezgri imaju pozitivan naboj, a pozitivni naboji će se uzajamno odbijati, uslijed čega će se atom raspuknuti. Ali snažna nuklearna sila dovoljno je jaka da prevlada njihovo uzajamno odbijanje i održi protone u jezgri. Mi ne osjećamo tu silu jer ona djeluje samo unutar jezgre atoma.
Da je vrijednost samo malo drukčija, to bi imalo velike posljedice na strukturu atoma. Naime, da vrijednost iznosi .006, umjesto .007, to bi značilo da je snažna nuklearna sila bila nešto slabija nego što je sada. Ali to bi bilo dovoljno da spriječi oblikovanje elemenata težih od vodika. Teži elementi nastaju dodavanjem protona atomskim jezgrama. Vodik, koji je sastavljen od jednog protona, najlakši je element. Željezo ima 26 protona.
No, da bi mogli nastati željezo i teži elementi, najprije mora nastati vodik, pa helij. Jezgra helija obično se sastoji od dva protona i dva neutrona, dok se jednostavna jezgra vodika sastoji od samo jednog protona. Dakle, razvoj od vodika do helija iziskuje međuradnju, tj. pretvaranje vodika u svoj izotop, deuterij, koji se sastoji od jednog protona i jednog neutrona. Tek će se tada dvije jezgre deuterija moći fuzionirati i oblikovati jezgru helija s dva protona i dva neutrona. Snaga nuklearne vezne sile između protona i neutrona u jezgri helija, uzrokuje oslobađanje dijela njezine mase u obliku energije, vezne energije. Dalje, da ta vezna energija iznosi .006 ukupne mase protona i neutrona, umjesto .007, snažna nuklearna snaga bila bi slabija.
Točnije, ne bi bila dovoljno jaka da se neutron veže uz proton. Ne bi se mogle oblikovati jezgre deuterija i, prema tome, ne bi se oblikovale ni jezgre helija. Vodikovi atomi bi se i dalje kondenzirali u teže mase, koje bi se užarile. Ali, ne bi nastupile fuzijske reakcije koje bi održavale zvijezdu. Ne bi se oblikovali ni drugi elementi. Ne bi postojali ni planeti, ni život kakav poznajemo.
Što bi bilo da je iznosio .008 umjesto .007, što bi značilo da je snažna nuklearna sila bila nešto veća nego danas? To bi dovelo do drugog problema u procesu oblikovanja elemenata. Kako smo vidjeli, za međusobno vezivanje protona neophodna je snažna nuklearna sila. Današnja snažna nuklearna sila nije dovoljno snažna da veže samo dva protona. Spoj dvaju protona zove se 'diproton'. U današnjem svemiru ne postoje stabilni diprotoni. Razlog tomu je činjenica da je snaga odbijanja dvaju pozitivno nabijenih protona veća od vezne energije snažne nuklearne sile. Ali, vezna energija, sa svojom trenutnom vrijednosti od .007, dovoljno je snažna da uzrokuje da se proton veže s neutronom oblikujući deuterij. Slijedom toga, dva spojena atoma deuterija mogu oblikovati helij. To se događa jer neutroni opskrbljuju dodatnom količinom vezne energije neophodne za spajanje dvaju protona. Budući da su neutroni elementarne čestice bez električnog naboja, oni ne pridaju nikakvu dodatnu silu odbijanja. Dalje, da je veći od .008, dva protona bi se mogla međusobno spojiti i oblikovati diproton, izotop helija s dva protona i bez ijednog neutrona. To znači da bi se
svi vodikovi atomi (od kojih svaki ima jedan proton) u početku nastanka svemira veoma brzo sjedinili u diprotone. Danas samo neki vodikovi atomi tvore deuterij i normalan helij protekom dugih vremenskih razdoblja. To ostavlja vodik u svemiru za oblikovanje vodikovih spojeva neophodnih za život.Barrow i Tipler to ovako objašnjavaju (1996. str. 322): "Da su snažne interakcije tek neznatno jače, diproton bi bio stabilno vezno stanje s katastrofalnim posljedicama - sav vodik u univerzumu izgorio bi do He
2 tijekom prvih etapa Velikog praska, i danas ne bi postojali vodikovi spojevi, kao ni stabilne, dugotrajne zvijezde. Da je postojao diproton, mi ne bismo nastali!"Najznačajniji vodikov spoj je voda, a u svemiru u kojem bi bio veći od .008, ne bi bilo vode. Stabilne zvijezde ne bi postojale jer im je neophodan vodik kao gorivo, a vodika ne bi bilo.
Prijelaz od helija do ugljika također iziskuje proces fine usklađenosti (Barrow i Tipler, 1996., str. 250-253). Kako tvrde kozmolozi, prve generacije zvijezda izgaraju vodikove jezgre procesom fuzije, uslijed čega se oblikuju jezgre helija. Naposljetku, zvijezdi ponestane vodik i njezina jezgra od helija postaje gušća. Kondenzacijom se povećava temperatura zvijezde do točke kada se helij počinje fuzionirati u ugljik. Jezgra helija sastoji se od dva protona. Jezgru ugljika tvori šest protona. Teoretski, fuzijom tri jezgre helija može se oblikovati jezgra ugljika. No, to se u stvarnosti ne događa jer je mala vjerojatnost da će se tri jezgre helija istodobno sudariti na način neophodan za oblikovanje jezgre ugljika. Umjesto toga, odvija se dvostruki proces. Najprije se dvije jezgre helija spajaju, oblikujući jezgru berilija s 4 protona. Nakon toga se jezgra berilija spaja s drugom jezgrom helija, oblikujući ugljik. Međutim, problem predstavlja činjenica da su jezgre berilija nestabilne i prilično se brzo iznova raspadaju u jezgre helija. Stoga fizičari smatraju da bi se mogla proizvesti samo veoma mala količina ugljika, a sigurno ne onoliko koliko ga danas postoji u svemiru.
No, tada je engleski astronom Fred Hoyle pokazao da jezgra ugljika sadrži jedinstvenu razinu rezonantne energije, koja se nalazi neposredno iznad združenih energetskih razina berilija i helija. Dodatna količina energije koja dopire do berilija i helija isijavanjem topline iz sunčeve jezgre, dovodi jezgre berilija i helija do te razine, omogućujući im da se spoje u jezgre ugljika mnogo brže od očekivanog. Stoga je moguće da se sav ugljik, proizveden na takav način, trenutačno pretvorio u kisik, ako su se jezgre ugljika spojile s jezgrama helija. Ah, razina rezonantne energije jezgre kisika nalazi se ispod združenih energija ugljika i helija. Ta sretna okolnost znači da je mnogo manje vjerojatno da će nastupiti fuzijska reakcija između ugljika i helija. Upravo radi toga imamo dovoljno ugljika za opstanak oblika života koji se osniva na ugljiku. Rees primjećuje (2000., str. 50): "Ta prividna 'slučajnost' nuklearne fizike omogućuje nagomilavanje ugljika, ali nijedan sličan učinak ne pojačava sljedeću etapu procesa, u kojoj ugljik zahvaća drugu jezgru helija i pretvara se u kisik. Ključna rezonancija veoma je osjetljiva na nuklearnu silu. Čak bi i pomak od 4% znatno iscrpio količinu ugljika koja bi se stvorila. Hoyle je, stoga, tvrdio da bi naš opstanak ugrozila čak i promjena za samo nekoliko posto." Komentirajući fino usklađene rezonancije koje su omogućile proizvodnju teških elemenata u zvijezdama, Hoyle je rekao: "Ne vjerujem da bi ijedan znanstvenik na temelju razmotrenih dokaza, propustio izvesti zaključak da su zakoni fizike svjesno konstruirani s obzirom na posljedice koje proizvode u zvijezdama."
(Barrow i Tipler, 1996., str. 22).
bglavac
edin.kecanovic
