Kolumni / Vesa Palonen / 30.4.2013

Kosminen hienosäätö

Ehkä kaikkein mielenkiintoisin mutta yllättävän vähän tutkittu aihe modernissa fysiikassa on kosminen hienosäätö. Kosmisella hienosäädöllä viitataan niihin havaintoihin, joiden mukaan useat asiat fysiikassa, kemiassa ja kosmologiassa näyttävät olevan hyvin tarkoin säädettyjä elämää varten.

Universumin ja luonnonlakien säätö elämää varten viittaa suunnitelmaan luonnonlakien ja universumin ominaisuuksien taustalla. Esittelen tässä kirjoituksessa joitain näistä hienosäädetyistä vakioista ja ominaisuuksista. Kattavamman kuvan hienosäädöstä saa tutustumalla tarkemmin jutun linkkeihin ja kirjallisuusviitteisiin.

Hienosäätöä kemiassa: vesi

Elämä tarvitsee alustakseen nesteen. Näin mikrotason rakennusosat voivat liikkua toistensa suhteen mutta myös koskea toisiinsa riittävän usein. Nesteistä juuri vesi on selvästi paras elämälle.

Vesi on universaali liuotin, eli useimmat alkuaineet liukenevat veteen. Kun elämä käyttää vettä, se pystyy käyttämään useimpia muita alkuaineita. Lisäksi vesi reagoi useimpien alkuaineiden kanssa riittävästi muttei toisaalta liian vahvasti. Tärkeää on, että veden rakenne on yksinkertainen ja sitä on riittävästi saatavilla.

Solutason nanokoneissa on päätähuimaavat hyötysuhteet, mutta silti kudoksiin jää elämän toiminnoista lämpöenergiaa, joka elämän täytyy kestää. Veden ominaisuudet lämmönsäätelyyn ovat poikkeuksellisen hienot. Vedellä on korkea lämpökapasiteetti. Näin veden lämpötila muuttuu hitaasti, kun lämpöenergiaa tuodaan tai viedään kudoksesta. Esimerkiksi kymmenen kilometrin juoksun aiheuttama lämpömäärä nostaa periaatteessa lämpötilaamme vain noin 10 °C. Lämpötilan nousu olisi 50 °C astetta mikäli meidät olisi tehty suolasta, 250 °C mikäli meidät olisi tehty raudasta. Lisäksi vedellä on sopivan alhainen viskositeetti verenkierron kannalta, eli lämpö saadaan siirrettyä työtä tekevästä kudoksesta tehokkaasti. Vedellä on myös riittävä lämmönjohtavuus, jolloin lämpö voidaan johtaa hiussuoniin ja hiussuonista. Veden korkea latenttilämpö haihtuessa mahdollistaa poikkeuksellisen tehokkaan lämmönsiirron iholta. Vastaavia veden ominaisuuksia käytetään tehokkaasti myös maapallon mittakaavassa vakauttamaan planeettamme lämpötilavaihteluita.

Normaalisti kiinteä aine on nestemäistä painavampaa. Onneksi kuitenkin vesi laajenee jäätyessään. Jää on siis nestemäistä vettä kevyempää.  Näin järvet ja meret eivät jäädy pohjasta alkaen, vaan jää muodostaa vesielämää suojaavan, lämpöä tehokkaasti eristävän kerroksen. Lisäksi jäällä on kiinteäksi aineeksi alhainen lämmönjohtavuus ja korkea latenttilämpö. Näin vesi luovuttaa jäätyessään ympäristöön suurehkon määrän lämpöenergiaa, mikä hidastaa jäätymistä. Kaiken kukkuraksi jään viskositeetti on sopivan pieni, eli navoilla ja vuoristoissa vesi ei kerry liian suuriksi jäätiköiksi, vaan jäätiköt leviävät, ja vesi saadaan takaisin elämän käyttöön.

Ravinteiden kierrätyksen kannalta veden korkea pintajännitys, laajeneminen jäätyessä, liuotusominaisuudet, alhainen viskositeetti ja jään sopivan korkea viskositeetti mahdollistavat tehokkaan kierrätysprosessin.

Nämä veden elämälle välttämättömät ominaisuudet johtuvat tietenkin alla olevasta fysiikasta: esimerkiksi sähkömagnetismin voimakkuus, elektronin ja protonin massasuhde ja kvanttitason ominaisuudet täytyy valita sopivasti.

Hienosäätöä fysiikassa

Fysiikassa on neljä perusvuorovaikutusta (voimaa): painovoima, sähkömagneettinen, heikko, ja vahva vuorovaikutus. Näiden vahvuuksien vaihteluväli on valtava. Vahva vuorovaikutus on noin tekijällä 1039 painovoimaa vahvempi. Kuitenkin, jotta elämä olisi mahdollista, vuorovaikutusten vahvuuksien täytyy olla suurinpiirtein siinä missä ne ovat.

Esimerkiksi, mikäli painovoima olisi kolme kertaluokkaa suurempi, tähdet eivät olisi tarpeeksi pitkäikäisiä [Collins 2003]. Lisäksi mahdolliset planeetat olisivat pieniä ja eliöillä olisi vaikeuksia kestää painovoima. Mikäli painovoima olisi heikompi, tähdet eivät olisi tarpeeksi kuumia fuusion syttymiseen jolloin auringon kaltaisia vakaita energialähteitä ei olisi käytettävissä. Parin kertaluokan heitto saattaa tuntua paljolta, mutta koko vaihteluväliin verrattuna tämä on pientä: painovoiman vahvuus täytyy säätää noin 10-36 tarkkuudella jotta elämä olisi mahdollista [Collins 2003].

Alkuaineiden olemassolon mahdollistavat sähkömagneettisen ja vahvan vuorovaikutuksen vahvuuksien sopiva suhde (jolloin positiivisesti varattu ydin saadaan pidettyä kasassa), kvanttifysiikasta seuraavien energiatasojen olemassaolo sekä hiukkasten pakkautumista estävä Paulin kieltosääntö. Mikäli esimerkiksi vahvan vuorovaikutuksen vahvuus olisi alle puolet nykyisestä, hiilipohjaiselle elämälle tärkeät alkuaineet eivät olisi vakaita eli niitä ei olisi [Barrow ja Tipler, 1988].

Myös alkuaineiden synty asettaa vaatimuksia fysiikan laieille. Edesmennyt Fred Hoyle ennusti elämän olemassaolon perusteella tietyn hiiliytimen energiatason, jota ilman tähdissä ei syntyisi hiiltä ja sitä raskaampia alkuaineita. Jotta hiiltä syntyisi tähdissä, vahvan vuorovaikutuksen vahvuuden täytyy osua 0.5% tarkkuudella nykyiseen arvoonsa. Tarkemmassa tarkastelussa otetaan huomioon, että vahvan vuorovaikutuksen vahvuus on johdannaissuure keveiden kvarkkien massoista, joiden täytyy osua 3% sisällä nykyiseen arvoonsa jotta elämä olisi mahdollista.

Elektroni on noin tuhat kertaa protonia kevyempi. Tämä mahdollistaa sen, että elektronipilvi kiertää paljon raskaampaa ja siten riittävästi paikallaan pysyvää ydintä, joka taas mahdollistaa kemialliset sidokset.

Neutroni on juuri sopivasti protonia raskaampi: Jos neutroni olisi hieman (1/700 -osa) raskaampi, tähtien palamisen kannalta olennaista reaktiota p + p → D ei tapahtuisi, koska reaktio olisi endoterminen, eikä tähtiä näin olisi [Barrow ja Tipler, 1988].

Hienosäätöä kosmologiassa

Universumimme laajeneminen näyttää kiihtyvän. Laajenemista kiihdyttävän pimeän energian arvo on erittäin pieni, sillä kvanttimekaanisten efektien perusteella odotusarvo tyhjiön energiatiheydelle ja siten pimeälle energialle on vähintään 1053 kertaa suurempi. Mikäli pimeä energia olisi vähänkään nykyistä suurempi, universumi olisi laajennut aivan liian nopeasti eikä galakseja tai planeettoja olisi muodostunut.

Ehkä suurinta hienosäätöä edustaa universumimme entropia. Mikäli universumimme koostuisi yhdestä tai useammasta mustasta aukosta, sen entropia olisi noin 10123 [Penrose, The Road To Reality, s 726-732]. Universumi on siis täytynyt säätää todella järjestäytyneeseen tilaan, jotta mahdollisen inflaation ja laajenemisen jälkeenkin (entropia kasvaa) universumimme on yhä näin järjestäytyneessä tilassa. Alkavan universumin paikka faasiavaruudessa täytyy siis periaatteessa säätää 1:10^10^123 tarkkuudella.

Keskustelua

Yllä käsitellyn kaltaisia esimerkkejä hienosäädöstä elämää varten on paljon muitakin. Vaikka mielipiteet vaihtelevat hieman hienosäädettyjen parametrien määrästä ja tarkoista luvuista, itse hienosäätö on yleisesti hyväksytty ilmiö siihen perehtyneiden keskuudessa. Esimerkiksi, vaikka Stephen Hawking vastustaa filosofisista syistä ajatusta, että universumin taustalla olisi suunnitelma, tuoreessa kirjassaan The Grand Design hän kuitenkin joutuu toteamaan:

“Luonnonlait muodostavat järjestelmän, joka on äärimmäisen hienosäädetty ja fysiikan lakeja voidaan muuttaa vain hyvin vähän tuhoamatta tuntemamme elämän kehittymisen mahdollisuutta.”

Mitä hienosäätö sitten tarkoittaa ja mitä johtopäätöksiä sen perusteella voidaan tehdä?

Fyysikko-filosofi R. Collins on esittänyt hyvin määritellyn argumentin teismille (Jumala on olemassa) hienosäädön perusteella [Collins 2009]. Yksinkertaistaen, perustelu on seuraavanlainen: Naturalismin alla on hyvin epätodennäköistä, että fysiikan lait ja vakiot osuvat elämän salliviin arvoihin. Teismin alla tämä ei ole epätodennäköistä. Siten, hypoteesi-testauksen periaatteiden mukaan, hienosäätö tukee teismiä.

Kosmologi Kari Enqvist on kritisoinut hienosäätöargumenttia sillä perusteella, että emme tiedä fysikaalisten suureiden todellista vaihteluväliä. On sinällään huomionarvoista, että vaihteluväli ja valittu parametrisaatio vaikuttavat hienosäädön tarkkuuteen. Ne eivät kuitenkaan poista hienosäätöä. Perimmältään Enqvistin kritiikin taustalla on väärä todennäköisyyskäsitys: todennäköisyys kuvaa tietämättömyyttämme, ei mitattua otosjakaumaa. Mikäli tietäisimme kaiken esimerkiksi nopanheitosta, lottokoneesta tai korttipelistä, emme tarvitsisi todennäköisyyksiä, voisimme vain laskea tuloksen. Myös kosmologiassa  todennäköisyyksiin perustuvat tarkastelut toimivat hyvin ja niitä käytetään rutiininomaisesti, eikä otosjakaumaa ole saatavilla. On siis normaalia kuvata esimerkiksi tietämättömyyttämme vuorovaikutusten vahvuuksista tasaisella jakaumalla niiden nykyisellä vaihteluvälillä. Todellinen vaihteluväli voi toki olla suurempikin, jolloin hienosäätö kasvaa entisestään.

Yhtenäistämisteoriat saattavat jatkossa muuttaa hieman hienosäädön tarkkuutta suuntaan tai toiseen. Joka tapauksessa korkeamman tason teoriaa täytyy hienosäätää jotta nykyiset efektiiviset luonnonlait ja vakiot saadaan elämälle sopiviin asetuksiin. Oikeastaan ainoa uskottava materialistinen selitys hienosäädölle onkin multiversumi. Eli universumeita täytyy olla niin paljon, että jossain näinkin onnellisesti piti käydä. Selityksenä multiversumi on kuitenkin ongelmallinen. Se esimerkiksi syyllistyy käänteiseen uhkapelaajan virhepäätelmään. Uhkapelaajan virhepäätelmä on seuraava: olen hävinnyt niin paljon, että seuraavaksi minun täytyy voittaa. Tämä on virhepäätelmä, koska pelit ovat toisistaan riippumattomia. Käänteinen uhkapelaajan virhepäätelmä taas on seuraava: Voitin niin epätodennäköisen voiton, että pelejä täytyy olla valtava määrä. Mutta tässäkin tapauksessa pelit ovat riippumattomia. Multiversumi ei selitä yhtä universumia paremmin, miksi tämä universumi on hienosäädetty [Palonen 2009]. 

Alvin Plantinga näkee Collinsin todennäköisyyksiin perustuvan hienosäätö-argumentin pätevänä, mutta esittää myös toisen tavan tulkita hienosäätöä [Plantinga 2011]: Hienosäädön perusteella havaitsemme intuitiivisesti suunnittelun ja/tai Jumalan olemassaolon. (Plantingan mukaan muodostamme luotettavia uskomuksia samoin esimerkiksi muiden mielten olemassaolosta tai menneisyyden todellisuudesta, esittämättä niitä perustelevia argumentteja. Uskomme siihen, että söimme aamulla aamupalaa, ei perustu argumenttiin, me vain muistamme sen.) Hienosäädön perusteella ei oikeastaan voi välttyä siltä ajatukselta, että universumin takana on tarkoitus ja mieli, ei pelkkä sattuma ja materia-tason prosessit.

Fyysikko John Wheeler totesi aikanaan ”bit before it” eli informaatio ennen materiaa. Tämä oli selvää jo silläkin perusteella, että materiaa ei voi olla olemassa ilman sen ominaisuuksia ja nämä ominaisuudet ovat informaatiota. Hienosäädön olemassaolo vahvistaa tätä käsitystä entisestään. Informaatio, mieli ja tarkoitus fysiikan ja universumin taustalla lupaa fysiikalle hyvää, sillä mitä mieltä olisi tutkia kosmisen satunnaislukugeneraattorin ulosantia?

Kirjallisuutta

A. Plantinga, Where the Conflict Really Lies: Science, Religion, and Naturalism, (Oxford University Press 2011)

Michael Denton, Nature’s Destiny: How the Laws of Biology Reveal Purpose in the Universe (The Free Press, 1998).

J. Barrow ja F. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (Oxford University Press, 1988)

John Leslie, Universes (New York: Routledge, 1989)

R. Collins, “Evidence for Fine-Tuning” kirjassa God and Design, ed. N. Manson (Routledge, 2003)

R. Collins, “The Teleological Argument: an Exploration of the Fine-Tuning of the Universe”, kirjassa The Blackwell Companion to Natural Theology, ed. William Lane Craig and J. P. Moreland. (New York: Wiley, 2009)

Kuva: Drew Patrick Miller.

Ylös