Incredibila poveste a carbonului

Carbonul este element esenţial în Univers, pe Pământ şi în viaţa organismelor vii. Lumea întreagă este aşa cum o vedem pentru că, în multe dintre obiectele, ţesuturile şi corpurile fizice de pe Pământ sau din spaţiul cosmic, există carbon, încât Universul întreg ar arăta altfel, fără existenţa acestui element. Diversitatea legăturilor de care este capabil carbonul, dar şi proprietăţile lui, precum şi felul complex în care el participă la procesele fizice din biosfera Pământului şi din organismele vii a uimit lumea cercetătorilor. Însă „biografia“ impresionantă a acestui element nu se opreşte aici. În ultimul secol, descoperiri spectaculoase au arătat că existenţa carbonului este un miracol, determinând mulţi cercetători să vadă în Univers o adevărată operă de artă, de o precizie inimaginabilă.

Carbonul se găseşte în Soare şi în cea mai mare parte a stelelor, în comete şi în meteoriţi, în atmosfera terestră, în sol, în apele oceanelor, dar şi în organismele vii sau în corpul uman. Să o luăm pe rând.

Prezenţa carbonului în stele s-a dovedit a fi esenţială, spre exmplu, în reacţiile nucleare; fără carbon, Soarele ar fi o stea rece. Pe pământ, carbonul se găseşte în cantităţi foarte mari, în solul terestru, în atmosferă şi, într-o diversitate copleşitoare de compuşi, în substanţele organice şi în organismele vii. În aer, carbonul (în forma dioxidului de carbon) are un rol extraordinar în mecanismele complexe ale biosferei, în întreţinerea condiţiilor favorabile vieţii şi în regularizarea temperaturii. Practic, temperatura terestră este stabilizată într-un interval cu câteva zeci de grade peste cea care ar exista în lipsa saI. În solul terestru, carbonul se regăseşte, spre exemplu, în forma carbonatului de calciu în roci, dar şi în hidrocarburi (în petrol, în minereu sau în gazele naturale), dar participă decisiv şi în procesele din interiorul vulcanilor.

Ingredientul vieţii

Pe de altă parte, carbonul este considerat pe bună dreptate unul dintre cei mai importanţi constituienţi ai organismelor vii, având, spre exemplu, o contribuţie majoră în respiraţia celulelor. În corpul uman, atomii de carbon sunt, după hidrogen şi oxigen, cei mai numeroşi (10,7%). De altfel, aceste trei elemente, hidrogenul, oxigenul şi carbonul, formează tripleta ce intră în alcătuirea tuturor organismelor vii. Potrivit observaţiilor, concentraţia de carbon în orice organism viu, indiferent dacă face parte din regnul vegetal sau animal, este mai mare decât în orice alt obiect natural, exceptând diamantul şi grafitulII. Viaţa tuturor structurilor vii, de la celule până la arbori sau cetacee, sunt legate de carbon!

Un element şi 10 milioane de compuşi

Dar carbonul are şi o capacitate extraordinară de asociere, în formarea compuşilor organici. Mulţi compuşi există deja în natură, iar o altă listă foarte lungă a lor este obţinută, prin sintetiză, în laboratoarele lumii, în baza capacităţilor inepuizabile de asociere ale acestui element. Chimiştii cunosc deja peste 10 milioane de compuşi la care participă carbonulIII.

Aşadar, structurile şi procesele la care participă carbonul sunt diverse, şi peste tot prezente, în viaţa celulelor şi în reacţiile nucleare din stele, în atmosfera terestră şi în procesele vulcanice, în corpul uman şi în dezvoltarea civilizaţiei (prin hidrocarburi)... Dar de ce am pus toate aceste date aici? Pentru că dorim să exemplificăm ceea ce fizicienii, chimiştii şi biologii ştiu foarte temeinic: Universul, Pământul şi viaţa, aşa cum sunt ele cunoscute astăzi, ar fi fost imposibile, fără existenţa carbonului.

Felul acesta spectaculos în care un simplu element chimic, cu rudele lui apropiate (izotopii) - nimic altceva decât simple nuclee minuscule cu şase protoni, înconjurate de câţiva electroni, se dovedesc atât de preţioase pentru întreg Universul, pentru Pământ şi pentru viaţa noastră, este cu siguranţă remarcabil. Însă, „biografia“ spectaculoasă a acestui element chimic nu se opreşte aici. Mai mult, adevăratul miracol referitor la carbon nu stă în ceea ce s-a spus până aici. Surpriza cea mai mare pentru astrofizicieni a fost chiar aceea că acest element există în Univers, într-o cantitate semnificativă. Existenţa carbonului, potrivit datelor experimentale cunoscute şi verificate deja de mai multă vreme, se leagă de o serie de coincidenţe cu totul remarcabile, care fac din el, şi din tot ceea ce este alcătuit prin contribuţia lui, prezenţe cu totul excepţionale.

Stelele au preparat nucleele atomilor

Potrivit teoriilor ştiinţifice curente, cele mai abundente nuclee din Universul timpuriu au fost cele mai uşoare şi simple, adică cele de hidrogen şi heliu. Formarea elementelor mai grele, între care şi carbonul, a fost posibilă doar prin fuziunea acestor nuclee uşoare, prin reacţiile nucleare din interiorul stelelor. Acest model de formare a elementelor din Univers este în acord foarte strâns cu datele experimentale şi cu observaţiile de până acum.

Primele arderi stelare au fost întreţinute de hidrogen. Teoria arată, şi observaţiile o confirmă: rezultatul arderii nucleare a hidrogenului este heliul. Mai mult, când hidrogenul se termină, arderea încetează, temperatura scade, iar steaua se comprimă. Fără arderea dinăuntrul ei, ea nu mai are temperatură şi presiune suficiente cât să oprească colapsul gravitaţional. Însă arderea materialului din stea nu se opreşte aici. Comprimarea stelei duce la creşterea densităţii şi a temperaturii interne, suficient de mult, încât se declanşează arderea, adică fuziunea nucleelor de Heliu.

Pe de altă parte, nucleul atomilor de carbon are şase protoni. Potrivit nucleosintezei, un astfel de nucleu nu poate fi obţinut decât prin lipirea mai multor nuclee uşoare. Mai exact, el poate fi obţinut prin fuziunea a trei nuclee de heliu-4 (cel mai abundent izotop al heliului, cu 2 protoni în nucleu).

Misterioasa naştere a carbonului

Aici începe povestea spectaculoasă a nucleului de carbon-12. Dacă, teoretic, el se poate obţine prin lipirea a trei nuclee de heliu, calculele arată că o astfel de coliziune este foarte rară, chiar şi în interiorul stelelor gigantice. Cantitatea considerabilă de carbon existentă în natură, şi prezenţa lui în Univers nu poate fi explicată doar prin această coliziune pretenţioasă, în care trei nuclee să se lovească simultan. Ca să existe atât de mult carbon, trebuie ca el să se poată forma şi altfel. Însă fizica particulelor arată că variantele de naştere a carbonului nu sunt prea multe. De fapt, mai este unul singur: să nu se ciocnească trei nuclee de heliu deodată, ci pe rând. Să se lipească mai întâi două dintre ele (heliu-4 cu heliu-4), iar particula rezultată din lipirea lor (beriliul-8) să se ciocnească cu un al treilea nucleu de heliu-4.

În acest punct, însă, se întâmplă un alt fenomen remarcabil. În general, experimentele au arătat că durata de viaţă a unei particule ce se naşte din ciocnirea altora este cam de acelaşi ordin cu timpul cât a durat reacţia ce i-a dat naştere. Această regulă însă, nu se întâmplă şi în cazul fuziunii nucleelor de heliu-4. Beriliul-8, rezultat din lipirea lor, este anormal de stabil (10-17s). El trăieşte de aproape 10.000 de ori mai mult decât timpul cât durează fuziunea nucleelor care îl formează! Tocmai „viaţa lungă“ a berilului-8 şi stabilitatea mare a nucleului de heliu-4 sunt cele care cresc şansele ca ele să se ciocnească şi să formeze nucleul de carbon.

Explicaţia lui Fred Hoyle

Însă condiţiile excepţionale nu s-au terminat. Simpla ciocnire dintre beriliu-8 şi nucleul de heliu nu ar trebui neapărat să dea naştere nucleului de carbon. În realitate, există un dezechilibru între masa nucleului de carbon şi cea pe care o fac împreună cele două care îl constituie. Formarea carbonului nu rezultă din simpla alipire a lor... În rezumat, şi evitând alte menţiuni de ordin tehnic care ar putea îngreuna lectura, există o situaţie paradoxală. Dacă ar fi să oprim descrierea formării carbonului la aceste două situaţii foarte rare şi stricte, pe de o parte nu am avea explicaţie pentru cantitatea semnificativă de carbon din Univers, iar pe de alta ar trebui să acceptăm chiar că legile fizice ale Universului sunt mai degrabă nefavorabile apariţiei carbonului.

Fred Hoyle, unul dintre cei mai mari astrofizicieni ai secolului trecut, a încercat să rezolve acest mister al prezenţei carbonului, indispensabil în atât de multe procese din Univers.

Ce explicaţie a găsit Fred Hoyle pentru acest fapt? Mai întâi trebuie spus că, la vremea când el încerca dezlegarea acestui mister, faptul că energia şi masa sunt echivalente era deja de notorietate. Însă aceasta s-ar putea traduce, între altele, şi prin aceea că diferitele stări energetice ale unui nucleu i-ar putea modifica sensibil masa. Cu alte cuvinte, fragmentele care alcătuiesc nucleul (protonii şi neutronii) nu sunt aşezate doar într-un singur fel. Fred Hoyle a fost convins că trebuie să existe o astfel de configuraţie (formă excitată) a nucleului de carbon, care să corespundă exact rezultatului lipirii dintre beriliu-8 şi heliu-4! În acest fel, diferenţa semnificativă dintre masele lor, menţionată adineaori, nu ar mai fi fost un impediment în procesul formării nucleului de carbon. Ei bine, Fred Hoyle a reuşit să dovedească existenţa unei astfel de stări energetice a nucleului de carbon! Nivelul de energie prezis s-a dovedit a fi real (7,65 MeV), iar el este situat imediat deasupra nivelului de energie al celor două nuclee fuzionate - beriliul-8 şi heliul-4! Temperatura şi presiunea din interiorul stelelor fac posibil ca cele două nuclee să dobândească energie termică, permiţând ciocnirea lor, şi prin ea, „apropierea“ extraordinară de această „configuraţie“ energetică a nucleului de carbon. Lovirea celor două nuclee de heliu şi beriliu, în interiorul fierbinte al aştrilor, le leagă între ele, într-o stare care se află în imediata vecinătate a unei stări energetice a noului nucleu stabil (cel de carbonul-12). Această coincidenţă remarcabilă este denumită rezonanţă Hoyle şi a primit o remarcabilă confirmare experimentalăIV.

Puţin altfel, legile fizicii nu ar mai fi fost favorabile vieţii

Apariţia carbonului în Univers s-a sprijinit, aşadar, pe caracteristicile particulelor înseşi. Cu alte cuvinte, structurile lor cele mai intime sunt făcute în aşa fel încât să permită existenţa lui. Calculele arată că o reducere doar cu un singur procent a nivelului energetic al carbonului ar reduce de 250 de ori producţia de carbon din arderile stelelor. Practic, „există ceva deosebit legat de nucleul de carbon, ceva care îl face capabil să ia naştere destul de repede. Dacă această trăsătură specială (rezonanţă) ar fi fost absentă, n-ar fi existat abundenţa actuală de carbon din univers, ci doar o infimă cantitate a acestui element“VI.

Un alt miracol - „supravieţuirea“ carbonului

Dar situaţia excepţională a carbonului nu se încheie aici. Nu doar „naşterea“ lui în Univers necesită proprietăţi atât de precise, ci şi „supravieţuirea“ lui imediat după formare. Odată sintetizat, nucleul de carbon-12 ar putea întâlni un alt nucleu de heliu-4, dând naştere oxigenului. Dacă şi în acest caz ar fi fost îndeplinite condiţiile unei rezonanţe, practic toată producţia de carbon ar fi fost consumată instantaneu în formarea de oxigen-16VII. În acest caz, în Univers nu ar mai fi existat carbon, decât într-o cantitate nesemnificativă! Or, în mod cu totul remarcabil, condiţiile pentru cea de-a doua rezonanţă nu mai sunt îndeplinite. Legile nucleare nu au favorizat consumul carbonului în oxigen! Dimpotrivă, mecanismele nucleare încetinesc sensibil formarea oxigenului, încât ponderea celor două elemente în Univers, oxigenul şi carbonul, este apropiată.

Aşadar, longevitatea neobişnuită a beriliului, existenţa nivelului de rezonanţă Hoyle (între fuziunea beriuliu-heliu şi nucleul de carbon-12), şi absenţa unui nivel de rezonanţă avantajos pentru oxigen-16 corespund toate într-un mod remarcabilVIII. În acest fel se dovedeşte, de fapt, modul cum nivelele de energie ale particulelor fundamentale, mecanismele reacţiilor nucleare la care ele participă şi duratele lor de viaţă influenţează toate, printr-o ţesătură complexă de fenomene, configuraţia întregului Univers. Configuraţia legilor microcosmosului, particularităţile intime ale nucleelor determină ca Universul nostru să aibă doar hidrogen şi heliu, ci şi carbon, oxigen, şi celelalte elemente. Fizica particulelor a putut verifica toate aceste procese nucleare. Ele arată că ponderile carbonului şi oxigenului au fost decise încă de la nivelul acestor mecanisme nucleare.

Prea multe coincidenţe pentru o lume întâmplătoare

Fred Hoyle a comentat propria descoperire privind corespondenţa nivelurilor de energie în nucleele de carbon şi oxigen, fără de care existenţa vieţii şi a omului nu ar fi posibilă, oferind următoarea opinie curajoasă: „Nu cred că vreun savant care a văzut evidenţa n-ar reuşi să scoată concluzia că legile fizicii nucleare au fost proiectate în mod deliberat cu gândul la consecinţele pe care le produc înlăuntrul stelelor. Dacă acesta este cazul, atunci orice ciudăţenii aparent întâmplătoare au devenit parte a unei scheme profunde“IX.

Introducând la întâmplare, în teoriile cu care operează astăzi fizica particulelor elementare şi cosmologia, diverse valori ale constantelor fundamentale, s-ar putea estima probabilitatea apariţiei unui Univers care să conţină carbon. Rezultatul este unul extraordinar de mic. Şansa pentru apariţia unui Univers care să conţină carbon este mai mică de 1 la 10220!X Aşadar, Universul pare să aibă legi care pregătesc producţia de carbon în catităţi importante.

Precizia naturii, uimirea şi reflecţia religioasă

Descoperirea lui Fred Hoyle a fost doar începutul unei liste întregi de date privind particularităţile fizice ale lumii în care trăim, dar şi a unor dezbateri cu substrat metafizic sau religios. Mulţi oameni de ştiinţă au început să acorde mai multă consideraţie ideii că Universul nu este întâmplător. Felul în care energiile particulelor şi procesele la care ele participă sunt aşezate într-o corespondenţă precisă, dar şi modul cum ele determină construcţia lumii în care trăim la scară globală a uimit lumea ştiinţifică, forţând o pleiadă impresionantă de cercetători la reflecţii filosofice sau spirituale. Aceasta înseamnă şi o recunoaştere implicită a limitelor ştiinţei şi a faptului că, pe măsură ce descoperirile lumii dovedesc tot mai multă precizie în alcătuirea Universului, înţelesurile lui spirituale, deschise spre reflecţia noastră, sunt tot mai evidente.

Cum a fost ales Universul nostru, cu toate aceste detalii minuscule de proiect? La o astfel de întrebare, ştiinţa nu poate răspunde decât dacă se deschide spre ceea ce depăşeşte competenţele ei.

„Se pare că există un singur răspuns posibil la această întrebare. Ceva extern universului a făcut alegerea. Dacă aşa stau lucrurile, atunci am ajuns exact în punctul în care ştiinţa va deveni religie. Sau, mai bine spus, va fi raţional să folosim ştiinţa ca argument în favoarea religiei“XI.

I J. E. Lovelock, Gaia: A New Look at Life on Earth, Oxford University Press, Oxford, 1979, apud. John D. Barrow si Frank Tipler, Principiul Antropic Cosmologic, Editura Tehnică, Bucureşti, 2001, p. 608.

II Spre exemplu, într-o porţiune din trunchiul unui copac, în greutate de 1 kilogram, se găsesc aproximativ 230 grame de carbon. Însă într-o cantitate similară de materie stelară se găsesc doar 3 grame de carbon; 1,8 grame se găsesc în crustă şi doar 0,018 în apă! Mark Winter, WebElements. Periodical Table (profesional edition), disponibil în format electronic, la adresa www.webelements.com.

III Gale Encyclopedia of Science, K. Lee Lerner and Brenda Wilmoth Lerner, Editors, 2004, vol. 3, p. 715.

IV N M Clarke, Life, Bent Chains, and the Anthropic Principle, 18th November 1999, articol în format electronic găzduit de The Nuclear Physics Group la adresa http:/ /www.np.ph.bham.ac.uk/research/anthropic.html şi Morris Engelson, The Heavenly Time Machine. Essays on Science and Tora, Published by Joint Management Strategy (JMSC), Portland, OR, USA, 2001, pp. 69 - 72. Textul este disponibil şi în format electronic la adresa http://www.pcez.com/Îjmsc/bible-torah-sciencelink.html.

V H. Oberhummer, H. Krauss, K. Grun ş.a., Alpha Clustering and the stellar nucleosynthesis of Carbon, 14 October 1993, articol în format electronic disponibil la adresa http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/9310/9310026.pdf.

VI P.W. Atkins, Regatul periodic. O călătorie pe tărâmul elementelor chimice, Traducere din engleză de Elena I. Burlacu, Editura Humanitas, Bucureşti, 1998, p. 86.

VII John D. Barrow si Frank Tipler, Op. cit., p. 296. Trecerea nucleului de carbon în oxigen-18, prin coliziunea cu un alt nucleu de heliu-4 are o rată mult mai scăzută ce permite atât nucleelor de carbon, cât şi celor de oxigen să fie produse în proporţii comparabile. Cosmology, Astronomy and Modern Physics, Lecture 22, May 6th 2004, în format electronic disponibil la adresa http://www.abdn.ac.uk/phy sics/px2511/Lecture22.pdf.

VIII John D. Barrow si Frank Tipler, Op. cit., p. 297.

IX John D. Barrow, Despre Imposibilitate. Limitele ştiinţei şi ştiinţa limitelor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1999, p. 121.

X Lee Smolin, Spaţiu, timp, univers, Editura Humanitas, 2000, p. 241. Numărul este imens, având în vedere că totalitatea atomilor din Universul observabil este estimată în jurul valorii de 1080.

XI Lee Smolin, Op. cit., p. 241. Numeroase lucrări fac menţiune despre rezonanţa Hoyle. Dintre acestea, cele care prezintă şi detalii semnificative sunt John Barrow şi Frank Tipler, Principiul Antropic Cosmologic, pp. 294 – 298 şi, o lucrare recentă, Simon Singh, Big Bang. Originea Universului, traducere din engleză de Vlad Zografi, Editura Humanitas, Bucureşti, 2008, pp. 347-350.