Kosminen hienosäätö

Kosmisella hienosäädöllä tarkoitetaan sitä havaittua tosiasiaa, että universumin rakenne ja fysiikan lakien rakenne ja erityisesti vakiot on täytynyt säätää todella tarkasti jotta elämä olisi mahdollista. Suunnittelun jälkiä näyttää löytyvän hyvin suurista asioista hyvin pieniin. Näistä esimerkkejä ovat vaikkapa

• Universumin juuri sopiva laajeneminen, massan sopiva tasaisuus, entropia.
• Galaksimme, maapallon, aurinkomme ominaisuudet.
• Elämän usean osan systeemit jotka eivät antaisi valintaetua ennenkuin koko systeemi olisi valmis.
• Elämän ohjelmakoodi, sekä DNA:n ja proteiinien ominaisuudet
• Alkuaineiden ja molekyylien ominaisuudet, erityisesti hiili ja happi
• Hiukkasfysiikan ja kvanttifysiikan lait mahdollistavat alkuaineiden olemassaolon.

Käymme alla läpi joitain näistä.

Hienosäädettyjä parametreja

Vesi

Elämä tarvitsee nesteen. Neste mahdollistaa sen, että elämän rakennusosat voivat liikkua, mutta myös koskea toisiinsa riittävän usein. Alla joitain veden elämän mahdollistavista ominaisuuksista. Nämä ja useat veden muut ominaisuudet tekevät vedestä erittäin poikkeuksellisen nesteen.

• Vesi on universaali liuotin: useimmat aineet liukenevat veteen. Kun elämä käyttää vettä, se voi käyttää useimpia alkuaineita.
• Vesi ei ole liian reaktiivinen, useimmat aineet eivät pala tai syövy veden vaikutuksesta liian nopeasti.
• Vedellä on sopivan pieni viskositeetti (nesteen jähmeys) verenkiertoon. Veden kapillaari-ilmiö mahdollistaa sen että vesi nousee painovoimaa vastaan kapeissa putkissa mahdollistaen suurten kasvien elämän.
• Vedellä on yksinkertainen rakenne joten vettä on saatavilla

Elämälle on siis välttämätöntä että vesi pysyy nestemäisenä. Veden omat ominaisuudet auttavat tässä (Jos olisi toisin, emme olisi täällä.):

• Korkea lämpökapasiteetti. Vedellä on aineiden joukossa poikkeuksellisen korkea lämpökapasiteetti, joka tarkoittaa sitä että vesi kykenee sitomaan paljon lämpöenergiaa ilman että sen oma lämpötila muuttuu merkittävästi.
• Korkea kiehumispiste. Vedellä on poikkeuksellisen korkea kiehumispiste, se höyrystyy vasta sadassa asteessa.
• Vesi laajenee jäätyessään. Tämä on erittäin poikkeuksellista nesteiden joukossa ja mahdollistaa sen, että jää nestemäistä vettä kevyempänä kelluu. Jää muodostaa järviä ja meriä liialta jäätymiseltä suojaavan kerroksen koska jäällä on alhainen lämmönjohtavuus ja siinä ei tapahdu konvektiota.
• Korkea jäätymisen latenttilämpö. Jäätyessään jää luovuttaa lämpöenergiaa hidastaen jäätymistä.
• Jään sopivan pieni viskositeetti. Jää on suuremmassa paineessa muovautuvaa, joten jää ei jää maapallon navoille tai vuoristoihin vaan suuret jäämassat leviävät hajoavat reunoilta ja näin kaikki vesi ei jäädy navoille ja vuorien huipuille.

Vesi - lämmönsäätely

• Veden ominaisuudet ovat juuri sopivat ihmisen, eläimien ja maapallon lämmönsäätelyyn:
• Korkea lämpökapasiteetti. Vesi kykenee sitomaan paljon lämpöenergiaa ilman että sen oma lämpötila muuttuu merkittävästi. Kun ihminen tai eliö siis tekee lihaksillaan tai aineenvaihdunnallaan työtä, josta aina vapautuu lämpöenergiaa, vettä käyttävän eliön oma lämpötila ei muutu merkittävästi. Esimerkiksi (vettä käyttävän) ihmisen lämpötila nousee 10 km juoksun seurauksen 10 astetta. Mikäli olisimme suolaa, ruumiinlämpömme nousisi 40 astetta, mikäli lyijyä, 200 astetta. Samoin koko maapallon lämpötilavaihtelut ovat huomattavan pieniä koska suuret vesimassat tasaavat vuorokausi- ja vuodenaikojen lämpötilavaihteluja.
• Korkea kiehumispiste. Vesi ei kiehu eikä haihdu liian helpolla.
• Vesi laajenee jäätyessään. Tämä on erittäin poikkeuksellista nesteiden joukossa ja mahdollistaa sen, että jää nestemäistä vettä kevyempänä kelluu. Mikäli jää muodostuisi merien ja järvien pohjaan, jokainen talvi lisäisi jään määrää pohjassa, eikä jää ehtisi sulaa kesän aikana. Tällöin järvet jäätyisivät pohjasta myöden, tappaen suurimman osan vesien elämästä.
• Jään alhainen lämmönjohtavuus. Jää muodostaa kylmältä suojaavan kerroksen järvien pinnalle. Näin jäätyminen hidastuu.
• Korkea jäätymisen latenttilämpö. Jäätyessään vesi luovuttaa paljon lämpöenergiaa ympäristöönsä näin hidastaen jäätymistä jääkerroksen alarajassa.
• Jään sopivan pieni viskositeetti mahdollistaa sen, että jää ei kerry liiaksi maapallon navoille vaan palautuu lopulta kiertoon.
• Alhainen viskositeetti (mahdollistaa verenkierron)
• Korkea ominaislämpö
• Lämmönjohtavuus
• Korkea latenttilämpö haihtumisessa

Vesi - ravinteet

Veden ominaisuudet ovat myös juuri sopivat ravinteiden kiertoon, joka myös on välttämätöntä elämän kannalta.

Valo ja elämä

Valo on fotonien aaltoliikettä. Eri värit ovat eri taajuudella värähteleviä fotoneja. Universumissa on valtava skaala erilaista valoa, josta näkyvä valo on vain hyvin pieni ja kapea kaista.

• Aurinko lähettää energialtaan juuri sellaista valoa (näkyvä valo), jota molekyylit voivat käyttää.
• Ilmakehän molekyylit päästävät juuri meille hyödyllisen aallonpituuden läpi ja pysäyttävät meille vaarallista gamma- röntgen ja UV- säteilyä.
• Myös vesi absorboi meille vaarallista säteilyä ja läpäisee hyödyllistä.
• Myös eliöiden silmien on mahdollista olla tarkkoja juuri tällä samalla valon aallonpituus-alueella. Suuremmat aallonpituudet vaatisivat liian suuria silmiä ja kuvausvirheitä olisi vaikea hallita. Pienempiä aallonpituuksia on vaikeaa taittaa ja ne vaurioittavat silmiä.

Fysiikan perusvoimat

Fysiikassa on neljä perusvuorovaikutusta: painovoima, sähkömagneettinen voima, sekä heikko ja vahva ydinvoima. Näiden vuorovaikutusten vahvuudet ovat seuraavanlaiset kun painovoima normitetaan vahvuuteen yksi:

• Painovoima, vahvuus 1
• Heikko ydinvoima, vahvuus 10^32
• Sähkömagneettinen voima, vahvuus 10^36
• Vahva ydinvoima, vahvuus 10^38

(Tilanne on oikeastaan hieman tätä monimutkaisempi koska vuorovaikutukset kohdistuvat eri asioihin ja vuorovaikutusten etäisyysriippuvuudet ovat erilaisia. Nämäkin yksityiskohdat ovat välttämättömiä elämän kannalta.)

Vaikka vuorovaikutuksien vahvuuksien vaihteluväli on valtavan suuri, niiden keskinäisten vahvuuksien tulee olla nykyisten kaltaisia jotta elämä olisi mahdollista. Vahvuuksien suhteiden osuminen sopivaan kohtaan sattumalta on siis erittäin epätodennäköistä.

Painovoima

Sähkömagneettisen voiman vahvuuden suhde painovoiman vahvuuteen on 1036=1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Jos painovoima olisi 3000 kertaa vahvempi (muutos vastaa tuumaa verrattuna universumin laajuuteen), tähdet eivät olisi pitkäikäisiä. Jos vielä vahvempi, olisi vain miniuniversumeita, lyhytikäisiä tähtiä, metriluokan planeettoja ja vain pienet eliöt voisivat kestää painovoiman. Jos se olisi heikompi, tähdet eivät olisi tarpeeksi kuumia fuusion syttymiseen.

Sähkömagneettinen voima

Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen johdosta samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan ja erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa. Näin esimerkiksi atomia kiertävät negatiiviset elektronit pysyvät positiivisen atomiytimen ympärillä ja alkuaineet ovat mahdollisia (Tähän tarvitaan myös erittäin hieno kvanttifysiikka, jonka seurauksena elektroneilla on vakaita tiloja ytimen ympärillä ja alkuaineilla on kullekin tyypilliset ominaisuudet.)

Atomiytimen positiiviset protonit ovat lähellä toisiaan ja hylkivät siten toisiaan vahvasti. Atomeja koossa pitävä voima siis räjäyttäisi atomiytimen hajalle ilman protonien välistä liimaa, vahvaa ydinvoimaa, joka siis pitää atomin ydintä kasassa. (Vahva ydinvoima on jäännevoima protoneja ja neutroneja koossa pitävästä vuorovaikutuksesta.) Vahvan ydinvoiman suhde sähkömagneettiseen voimaan on noin 137 ja tästä syystä erilaisia ytimiä ja siten alkuaineita on suurin piirtein tämä määrä. Jos suhde olisi 60, elämälle tärkeät alkuaineet eivät olisi vakaita. Hieman suurempi muutos eliminoisi kaikki alkuaineet paitsi vedyn.

Vahva ydinvoima

Jo 0.5 prosentin muutos vahvan ydinvoiman vahvuudessa lopettaisi hiilen ja hapen tuoton tähdissä.

Universumiin liittyviä parametreja

Universumin laajeneminen miljardeja vuosia massan jatkuvasti hidastaessa laajenemista vaatii valtavan tarkkaa tasapainoa, toisaalta ettei painovoima vedä universumia liian aikaisin kasaan ja toisaalta ettei laajeneminen ole niin nopeaa ettei rakenteita pääse muodostumaan. (Kosmisen inflaation mallit selittävät laajenemisnopeuden hienösäädön mutta mallien parametreja ja rakennetta täytyy hienosäätää jotta tämä olisi mahdollista. Ne siis siirtävät hienosäädön omaan rakenteeseensa ja vakioihinsa.)

Universumin laajenemista kiihdyttävän voiman arvo (kosmologinen vakio) on erittäin pieni. Onneksi se on noin 1/10^53 -osa siitä mitä sen odottaisi olevan, muuten galakseja ja tähtiä ei olisi. Tämä voima laajentaisi avaruuden niin nopeasti, ettei mitään rakenteiden muodostumista ehtisi tapahtua.

Massa on universumissa juuri sopivan tasaisesti: 1/100000 eroja. Jos massa olisi liian tasaisesti jakautunutta, painovoima ei alkaisi kasata tähtiä. Jos se olisi liian epätasaisesti jakautunutta, olisi vain mustia aukkoja.

Universumin entropia täytyy asettaa erittäin epätavalliseen arvoon jotta elämän salliva universumi olisi mahdollista. Entropia kuvaa systeemin tilan todennäköisyyttä. Mustan aukon erittäin suuri entropia voidaan laskea. Suuresta entropiasta seuraa, että mustista aukoista koostuva alkutila on universumille paljon todennäköisempi kuin nykyiseen elämälle sopivaan universumiimme johtanut erittäin järjestäytynyt alkutila. On laskettu (Penrose 2005), että universumin alkutila vaatii hienosäätöä 1:10^(10^123) tarkkuudella. Tämä todennäköisyys on niin pieni, että lukua ei voida edes kirjoittaa auki tunnetun universumin atomeilla.

Lainauksia

Tunnettujen fyysikkojen lausuntoja hienosäädöstä fysiikassa:

• ”Luonto on ollut meille suosiollisempi kuin mitä meillä oli oikeus odottaa. Kun katsomme universumia ja tunnistamme monet fysiikan ja tähtitieteen yhteensattumat jotka yhdessä toimivat eduksemme, näyttää melkein siltä että universumi on jollain tapaa tiennyt meidän olevan tulossa.” –Freeman Dyson
• "[Fysiikan] lait ... näyttävät olevan erittäin nerokkaan suunnittelun tulosta ... universumilla täytyy olla tarkoitus." -Paul Davies
• ”Kun käymme läpi kaiken todistusaineiston, nousee ajatus, että yliluonnollinen taho – tai siis Taho – täytyy olla mukana. On mahdollista että yhtäkkiä, tahtomattamme, olemme löytäneet tieteellisen Jumalan olemassaolon todistuksen.” -George Greenstein
• “Erittäin älykäs taho on säätänyt fysiikkaa, sekä kemiaa ja biologiaa.” -Fred Hoyle

Tutkittavuus

Lisäpotkua suunnittelu-argumentille tuo se, että olemme monella tavalla parhaassa paikassa tekemään havaintoja maapallosta, aurinkokunnasta, maailmankaikkeudesta ja luonnonlaeista (Gonzales & Richards: The Privileged Planet). Paras paikka elää näyttää myös olevan paras paikka tutkia kosmosta. Mikäli universumi olisi vain sattuman tulosta, ei olisi mitään syytä miksi asuttavuuden ja havaittavuuden välillä olisi korrelaatio. Suunnittelijan olettaisi antavan älykkäimmille tietoisille olennoille mahdollisuudet suunnitellun universumin havainnointiin ja arvostamiseen. Havaittavuuden ja asuttavuuden välisestä onnellisesta samanaikaisuudesta kertovat useat asiat, otamme esimerkiksi kuun ja paikkamme galaksissa:

• Kuu vakauttaa maapallon akselin, joka mahdollistaa sopivat vuodenaikojen lämpötilavaihtelut.
• Kuun vetovoima sekoittaa merien kylmää ja lämmintä vettä ja kierrättää ravinteita.

• Kuu peittää auringon juuri sopivasti mahdollistaen auringon toiminnan ymmärtämisen.
• Myös yleinen suhteellisuusteoria varmistettiin auringonpimennyksen avulla.

Paras paikka elää galaksissa on myös paras paikka tehdä havaintoja:

• Galaksin keskustassa on liikaa säteilyä. Suurenerginen ja runsas säteily tuhoaisi elämän planeeralla ja puhaltaisi ilmakehän avaruuteen. Lisäksi galaksin keskustassa on liikaa tähtiä ja siten törmäyksiä. Galaksin laidalla taas on liian vähän raskaampia alkuaineita (esimerkiksi hiili, happi, fosfori ja metallit). Elämälle paras paikka on siellä missä me olemmekin, eli spiraaligalaksin käsivarsien välissä olevalla tyhjemmällä alueella jossa kuitenkin on riittävästi eri alkuaineita eikä liikaa säteilyä tai lähellä räjähteleviä supernovia.
• Galaksin asuttavin paikka (jossa siis asumme) on myös paras paikka universumimme havainnointiin, sillä galaksin keskustassa on liikaa pölyä ja muita tähtiä joten sieltä ei näe kunnolla muita galakseja, taustasäteilyä tai universumin suuria rakeita. Aivan galaksin reunalta taas ei näe kunnolla galaksimme keskustaan. Paikkamme spiraaligalaksin käsivarsien välissä on myös vähäpölyinen, täältä näkee hyvin joka suuntaan.

Ymmärrettävyys

Miksi ihminen olisi sellainen että kykenee ymmärtämään maailmankaikkeutta? A. Einstein totesi: ”Käsittämättömin asia universumissa on, että se on käsitettävissä.” Luonto näyttää jopa olevan tutorial-muodossa. Meitä lähellä olevat luonnonlait ovat riittävän yksinkertaisia, ne on voitu ymmärtää. Miksi löytämämme matematiikka toimii luonnonlakien kuvaamisessa? E. Wigner :"Matematiikan kielen soveltuvuus fysiikan lakien kuvaamiseen on ihmeellinen lahja, jota emme ymmärrä, emmekä ansaitse."

Elegantit luonnonlait

Luonnonlaeissa on eleganssia, kauneutta, harmoniaa ja nerokkuutta. Eleganttien lakien etsintä on ohjannut tiedettä. Esimerkiksi Dirac on todennut: ”On tärkeämpää että yhtälö on kaunis kuin että se sopii mittauksiin.” ja Einstein: ”Minulla on syvä usko, että universumin perimmäiset lait tulevat olemaan kauniita ja yksinkertaisia.” Miksi kauneuden etsintä tuottaisi teorioita, jotka tekevät tarkkoja ennusteita? Materialismi/naturalismi ei anna syytä miksi luonnonlait olisivat elegantteja ja ymmärrettäviä. Ei ole mikään ihme että Suunnittelija halusi tehdä maailman joka on kaunis ja elegantti perustavalla tasolla.

Hienosäädön selityksiä

• Perustavampi ’kaiken’ teoria: Ei näytä auttavan, perustavampi teoria siirtäisi hienosäädön omiin vakioihinsa tai rakenteeseensa. Esimerkiksi neutronin ja protonin massa seuraa tietysti allaolevista kvarkkien massoista ja QCD-teorian rakenteesta ja kvarkkien massojen hienosäätö on vielä tarkempaa jotta neutronin ja protonin massat saadaan kohdalleen. Hienosäätö voi siis vaikeutua tai helpottua mutta perusargumentti pysyy samana. Lisäksi elämän vaatimien rajaehtojen määrä pysyy joka tapauksessa samana (kymmenistä satoihin), joten pienemmällä määrällä vakioita on yhä vaikeampi löytää niitä täyttävää ratkaisua.
• Monimaailmankaikkeusteoriat ja valintaefekti (emme voisi havaita muuta): Ei paranna ennustetta havaittavuudesta tälle universumille. Tästä aiheesta lisää esimerkiksi tässä jutussa http://www.intelligentdesign.fi/2008/09/03/monimaailmankaikkeus-selityksen-monet-ongelmat/.
• Suunnittelu: Ei muodissa naturalistisen tieteenfilosofian takia, mutta ennustaa havaitsijat parhaiten. Suunnittelusta on myös riippumattomia todisteita.

Vastäväitteitä

Kosmologi K. Enqvist on esittänyt seuraavaa kritiikkiä kosmiselle hienosäädölle (Kanava 03):

”Esimerkiksi kreationistit rakastavat todennäköisyyksien liittämistä geeneihin ja niiden mutaatioihin. Kaikkien mahdollisten geenien permutaatioista saadaan sitten suunnattoman pieniä todennäköisyyksiä, jotka ovat osoittavinaan, että vaikkapa elämän synty sattumalta on ”käytännössä mahdoton”. Mutta nämä tarkastelut ovat mielettömiä jollei niihin liitetä sekunteja ja tilavuuksia: kuinka monta molekyyliä asustaa kuutiosenttimetrissä ja kuinka usein uusia permutaatioita muodostuu sekunnissa.”

V: ID ei tietenkään ole kreationismia, mutta kaikissa lukemissani laskuissa joille molekyylien tai solujen määrä on olennaista, se on tietenkin otettu huomioon.

”Tämän lisäksi on tiedettävä, mikä on fysikaalisten suureiden mahdollinen vaihteluväli.”

V: Toki vaihteluväli vaikuttaa, mutta laskut on tehty pienimmillä järkevillä vaihteluväleillä. Periaatteessahan vaihteluvälit voisivat olla äärettömän suuria, jolloin materialisti joutuisi uskomaan p=0 todennäköisyyksiin.

”Kaikkien kompleksisten ilmiöiden esiintymistodennäköisyydet ovat niin mitättömiä että voisimme aina halutessamme kutsua niitä ihmeiksi.”

V: Enqvist ei ole ilmeisesti vähääkään tutustunut suunnittelu teoriaan, sillä täsmennyksen kriteeri ratkaisee juuri tämän asian. Toisaalta tämä on lähes triviaali huomio Bayeslaiselle hypoteesitestaukselle: Suunnittelun ennuste on parempi, sillä hyvä.

”meidän on liki mahdotonta liittää fysiikan teorioiden parametreihin selkeää lukua, joka kuvaisi niiden havaittujen arvojen todennäköisyyksiä. Tällä hetkellä emme tunne sen paremmin vaihteluväliä kuin tapaakaan, jolla parametrit voivat vaihdella.”

V: Tässä Enqvistillä on väärä ja valikoiva todennäköisyyskäsitys: meidän täytyisi tietää kaikki jotta voisimme määrätä todennäköisyyksiä. Mutta tällöin todennäköisyyksiä ei tarvittaisi, tietäisimme tuloksen. Jos esim. tiedämme nopanheitosta kaiken, tiedämme tuloksen. Todennäköisyys kuvaa juuri epävarmuuttamme. Ja sitä käytetään kosmologiassakin juuri näin. Tasaiset todennäköisyysjakaumat varsinkin ovat yleisesti käytössä.

Aukkojen Jumala? Teemmekö aukkojen suunnittelija/Jumala argumentin ID:ssä?

V: Emme, kyse on kilpailevista hypoteeseista parhaaseen selitykseen. Argumentti ei perustu tietämättömyyteen vaan siihen mitä tiedämme suunnittelijoista ja toisaalta siihen mitä tiedämme tunnettujen materialististen prosessien rajoista. ”Aukkojen X”–syytös voitaisiin esittää mille tahansa laajan selitysvoiman omaavalle hypoteesille. Tulevaisuuden tieteellinen edistys ei ole argumentti suunnittelua vastaan: Tulevaisuuden tutkimus voi samoin tukea ID:tä. Meidän pitäisi toipua Galilei-kompleksista. Tieteen historian käyttö hypoteesien arvioimiseen on arveluttavaa ja usein valitettavan valikoivaa. Tieteen historiassa on paljon väärässä olleita materialistisia selityksiä.

Johtopäätöksiä

Veden, hiilen, DNA:n, proteiinien ominaisuudet, ilmakehän valon kaista jne. eivät ole itsestään selviä, vaan ne ovat mahdollisia vain tietyillä fysiikan laeilla ja niiden vakioiden arvoilla. Nämä ovat hienosäädetyt elämää varten. Kun katsoo oikeastaan mitä tahansa ympärillään, on siis hyvä ymmärtää, että niiden olemassaolo ei ole itsestään selvyys vaan fysiikan lait on säädetty tarkoin jotta elämä ja ihmiset ovat mahdollisia. Todennäköisyys sille että lait olisivat oikein sokean sattuman kautta on äärimmäisen pieni. On järkevää ajatella että suunnittelija halusi luoda elämää universumiinsa ja suunnitteli lait elämää varten. Lisäksi luonnossa on paljon monitasoista järjestystä, joka koostuu useista osista ja jonka on vaikea kehittyä. Lisää ID:n tutkijoita (ja rahoitusta) tarvitaan. Vaikka suunnittelua tukevaa tutkimusta ei ole saatu tehdä paljoakaan, löydetyt tosiasiat yhdessä muodostavat voimakkaan kumulatiivisen argumentin suunnittelulle.

Kirjallisuutta

Suomeksi hienosäätöä on käsitelty kappaleen verran professori T. Puolimatkan kirjassa Usko, tiede ja evoluutio.

• J. Lennox, God's Undertaker, Lion UK, 2007.
• H. Ross, Why is the Universe the Way it is?, Baker Books, 2008.
• J. Barrow, F. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, Clarendon Press, 1986.
• J. Leslie, Universes, Routledge, 1996.
• M. Denton, Nature’s Destiny. Free Press, 2002.
• R. Collins, Evidence for Fine-tuning, in God and Design, ed. N. A. Manson, Routledge, 2001
• G. Gonzalez and J. W. Richards, The Privileged Planet, Regnery Publishing, 2004.
• M. Rees, Just Six Numbers, Phoenix, 2000.
• R. Swinburne, The Existence of God, 2nd ed., Oxford University Press, 2004.
• R. Collins, How to Rigorously Define Fine-tuning, Philosophia Christi, 2005, http://home.messiah.edu/ rcollins/finetune/Defining
• R. Penrose, The Road to Reality, Knopf, 2005.

Todennäköisesti erittäin hyvä kirja asiasta tulee olemaan Robin Collinsin The Well-tempered Universe, kunhan ilmestyy. Tästä hyvä tiivistelmä lienee W. Lane Craigin ja J.P. Morelandin tuoreessa useita argumentteja tiivistävässä kirjassa "The Blackwell Companion to Natural Theology".