Anthropie der natuur

Verander het minste aan welke natuur­constante dan ook, en planeetvorming is niet meer mogelijk, of de gehele scheikunde verdwijnt in een wolk van elementaire deeltjes, enz. Het lijkt wel alsof deze wereld met de grootste zorg zó in elkaar is gezet, dat er interessante dingen, inclusief leven, mogelijk zijn.

Enige voorbeelden.

De zwaartekracht
Voor planeetvorming binnen een redelijke temperatuurzone moet de zwaartekracht met een precisie van 1 op 10⁴⁴ de huidige waarde hebben.
De zwaartekracht en electromagnetisme
De verhouding tussen die twee moet precies juist zijn om elementvorming in sterren mogelijk te maken. Een relatief iets sterkere zwaartekracht en alle sterren zouden blauwe reuzen zijn geweest, die geen planeten vormen en veel te kort leven om evolutie mogelijk te maken; iets zwakker en het zouden rode dwergen geweest zijn, die te weinig energie bieden voor leven, en geen supernovae toelaten. (De zwaartekracht levert de tegendruk die sterren ondanks de processen in de kern bijeenhoudt. Een sterkere zwaartekracht betekent dat kleinere structuren al ontbranden. Ook zijn planeten met oceaan en atmosfeer dan veel kleiner, en zijn slecht veel kleinere landdieren mogelijk.)
Elementen boven ijzer kunnen niet in sterren gevormd worden, en complexe structuren ook niet. Super­novae vormen voor beiden de oplossing: daar kunnen hogere elementen gevormd worden, en de explosie brengt de materie buiten de sterhitte.
De zwakke kernkracht
Deze kernkracht mag minder dan 1% verschillen van wat zij nu is om de scheikundige elementen te laten bestaan: iets meer en het heelal zou enkel helium hebben gekend; iets minder en er zouden geen protonen, en dus geen atomen, zijn gevormd. Bij variatie binnen die 1% veranderen de atoomeigenschappen al gauw zodanig dat complexere moleculen onmogelijk worden.
De electrische lading van het electron
De entropie per baryon (S)
De entropie van dit heelal is onwaarschijnlijk laag, en enkel daardoor kunnen complexe structuren ontstaan.
De uniformiteit is niet volledig: het heelal is nagenoeg, maar niet geheel uniform — een variatie van 1 op 100.000. Als het slechts één op de 1010¹²³ minder uniform was geweest zou er ((wat gebeurd zijn? Meer chaos.)); als het geheel uniform was geweest zou er geen clustering in melkwegen, sterstelsel en planeten, of zelfs maar atomen plaatsgevonden hebben. Als er even veel materie als antimaterie zou zijn geweest zouden beide elkaar geannihileerd hebben. ((Wat zou er gebeurd zijn als het verschil groot zou zijn geweest in plaats van zoals in werkelijkheid minimaal?))
(Dit artikel stelt dat in een heelal met een hogere primordiale inhomogeniteit mogelijk meer leven zou ontstaan. Of dat waar is is onzeker, maar als zo'n universum leven zou herbergen zou het zeker wel veel meer lijden kennen, door sterbotsingen en vergelijkbare verschijnselen, doordat moedersterloze planeten uit de leefbare zone dwalen (de kou of juist de hitte in), en zo voort. Anderzijds zouden planeten die rond sterstelsels draaien mogelijk het exploderen en uitdoven van individuele sterren kunnen overleven.))
De inflatie
De snelheid waarmee het heelal uitdijt moet precies (tot op 55 plaatsen achter de komma) kloppen: iets meer en de vorming van sterstelsels was onmogelijk geweest, iets minder en het heelal was binnen luttele tellen weer in elkaar geploft. Deze snelheid volgt uit de uitdijing, en die volgt weer uit de combinatie van de sterke kernkracht en de zwaartekracht — als één van beide op zelfs de honderdste plaats achter de komma zou afwijken zou het al mis gaan. (William Lane Craig noemt 10⁶⁰.)

De dimensieloze natuurconstanten. Hier zijn er zo'n dertig van.

De fijnstructuur­constante (α)
De verhouding in massa tussen proton en electron (μ)
(Is dit de verhouding die tot op 18 plaatsen achter de komma moet kloppen om atomen mogelijk te maken?) Ongeveer 1836.
De sterkte van de electromagnetische kracht. Ongeveer ¹/¹³⁷. Mag niet meer dan 4% afwijken, anders zou er geen koolstof meer gevormd worden, en koolstof is het enige element waarmee complexe structuren kunnen worden gevormd.
De cosmologische constante (λ)
De relatieve energiedichtheid van het heelal (donkere energie). Ongeveer 73%. Bij grote afwijking zou zich een compleet ander heelal, zonder sterren, gevormd hebben. Bij een iets grotere waarde dan de feitelijke zouden deeltjes zich niet aaneen hebben kunnen binden, zodat complexe structuren onmogelijk zouden zijn. De natuurkundig theoretisch voorspelde waarde was een factor 10¹²⁰ groter dan de gevonden (en anthropisch noodzakelijke) waarde. De constante was door Albert Einstein ingevoerd in zijn algemene relativiteitstheorie om een stabiel heelal te kunnen krijgen, vervolgens door hem verworpen toen het heelal niet stabiel maar uitdijend bleek, en door anderen weer ingevoerd toen de versnelde uitdijing werd ontdekt. Dit is de massa or energieinhoud der lege ruimte.
De sterke kernkracht (ε)
Deze bepaalt de fractie der proton­massa die wordt omgezet in energie bij kernfusie, zoals in sterren plaatsvindt. Ongeveer 0,007. Variatie betekent dat kernfusie geheel anders verloopt, en mogelijk geen zware atomen (zuurstof, koolstof) worden gevormd. Zo zouden bij een 2% hogere ε diprotonen en dineutronen gevormd worden, en zou binnen enkele minuten na de oerknal alle waterstof tot helium zijn verbrand, zodat het heelal geen water zou bevatten.
Het aantal dimensies (D)
We weten inmiddels dat wiskundig het aantal dimensies geen geheel getal behoeft te zijn ((Uitwerken in chaostheorie en hier een verwijzing toevoegen)). Als het aantal echter ook maar iets anders was geweest dan de 3+tijd die het is, zou er geen complexiteit hebben kunnen ontstaan. Een eenvoudig voorbeeld daarvan zien we bij knopen: bij minder dan drie ruimtedimensies kunnen er geen knopen gelegd worden, want een touwtje kan niet over zichzelf heen gelegd worden. Bij meer dan drie ruimtedimensies blijft een knoop niet zitten: trekken aan de uiteinden ontrafelt iedere knoop. (Daardoor kunnen wij in de tijd knopen ontwarren, maar vanwege de richting van de tijd slechts als het touwtje niet ringvormig gesloten is, maar uiteinden heeft.)
Voor stabiliteit van planeetbanen en atomen moet deze waarde 3 zijn.
De verwachtingswaarde van het vacuüm van het Higgs­veld.
Deze waarde, 246 GeV, is 16 orden van grootte kleiner dan verwacht — maar blijkt nog niet één procent te kunnen variëren zonder dat we in een heelal zonder koolstof (indien kleiner) of zuurstof (indien groter) terechtkomen. Bij iets grotere variatie ontstaan in het geheel geen complexe structuren meer.

Stephen Hawking, toch bepaald geen Christen, stelt het als volgt: „De kans dat uit zoiets als de oerknal een heelal als het onze te voorschijn komt is uitermate klein. Ik denk dat de religie er duidelijk aan te pas komt.”

Overigens gelden de genoemde voorbeelden voor een oud heelal. Een heelal zou wellicht wel met andere waarden „volwassen” geschapen hebben kunnen zijn.

Tegenwerping (Noodzakelijke natuurconstanten:
In de loop van de tijd worden steeds meer unificerende principes ontdekt. Wat eerst onafhankelijke aspecten lijken (electriciteit, magnetisme, zwakke kernkracht) blijken later uitingen van één onderliggend principe te zijn, en wat eerst onafhankelijke constanten leken blijken dan soms noodzakelijk samenhangende constanten te zijn. Er zijn dus wellicht helemaal niet veel anthropische constanten, maar wellicht slechts één of zelfs nul.
Antwoord:
Dat is zeker mogelijk, en eerlijk gezegd verwacht ik dat zelfs. Dat zou betekenen dat niet slechts de materie, maar zelfs de aard der logica en waarheid met schier oneindige precisie zijn gekozen om leven, ons soort leven, mogelijk te maken. Soorten leven die andere constanten vereisen zijn niet mogelijk als die andere constanten niet mogelijk zijn, of niet in combinatie mogelijk zijn.

((Te doen.))

James Clark Maxwell schreef in 1870 in de Encyclopaedia Brittannica in het artikel Atoms dat uit de verdeling van spectraallijn­frequenties blijkt dat atomen geschapen zijn, en niet willekeurig ontstaan. En de Harvard-astronoom Owen Gingerich pleegt te zeggen: „Ik geloof in intelligent design, met kleine ‚i’ en kleine ‚d’. Ik heb moeite met Intelligent Design, grote ‚I’ en grote ‚D’, omdat dat als politieke beweging verkocht wordt.”.

Wij bevinden ons in een cosmologische leegte (een „void”), en wel verreweg de grootste van de vele leegten die we kennen: de Keenan-Barger-Cowievoid is met een straal van 1 miljard lichtjaar zo'n 7x zo groot als het gemiddelde. Is dit belangrijk (bijv. doordat er anders te veel schadelijke cosmische straling is)? Deze leegte is waarschijnlijk de reden dat verschillende methoden de Hubble-constante te meten tot verschillende uitkomsten leiden: achtergrondstraling komt van buiten de leegte, maar nabije supernova's zullen zeldzamer zijn dan elders.

De grondenergietoestanden van helium en beryllium moeten zich tot op 1% juist verhouden om koolstof mogelijk te maken, zoals Sir Fred Hoyle tot zijn verbijstering ontdekte.

De verhouding tussen sterke kernkracht en electromagnetische kracht moet tot op 10⁻¹⁶ kloppen om stervorming mogelijk te maken; electromagnetische versus zwaartekracht 10⁻⁴⁰: groter maakt slechts grote sterren (nodig voor complexe moleculen) en kleiner slechts kleine (nodig voor voldoende brandtijd om leven te ontwikkelen).

Onderscheid maken tussen extreme of nagenoeg extreme waarden en onafhankelijke waarden. De extrema kunnen door een proces gegenereerd zijn; de bijna-extrema door een asymptotisch proces. Zo kan inflatie tot nagenoeg-vlakheid en nagenoeg-entropieloosheid leiden.

Er is een bepaalde resonantie die maakt dat de vorming van beryllium naar koolstof extra snel verloopt. Dit is nodig, want beryllium is instabiel, en zou zonder die resonantie niet lang genoeg bestaan om de vorming van koolstof toe te laten.

Inflatie zou de vlakheid van onze ruimte kunnen verklaren, maar vergt zelf een getal Λ dat met een fractie 10¹²⁰ precies juist afgestemd moet zijn. Deze zelfde Λ beschrijft ook de huidige versnelling der uitdijing.