CARBONUL MIRACULOS

(fragment din LUMINA CELUI NEVAZUT. O privire teologică în raţionalitatea Creaţiei şi teoriile ştiinţifice recente despre Univers, 2 volume, 950 p., Capitolul 6, lucrare în curs de apariție în colecția Știință, Filosofie, Teologie - Dialog pentru cunoaștere, colecție coeditată de Ed. Basilica a Patriarhiei Române, Ed. Universității Alexandru Ioan Cuza din Iași și Ed. Universității din București)

Un element esenţial, nu doar pe Terra, ci în întreg Universul, este carbonul. El 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 şi, desigur, în corpul uman.

Să le luăm pe rând. În stele, prezenţa carbonului s-a dovedit a fi esenţială, de exemplu 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, mai ales prin regularizarea temperaturii. Practic, temperatura terestră este stabilizată prin intermediul dioxidului de carbon, situându-se într-un interval cu câteva zeci de grade peste valoarea care ar exista în lipsa lui.^[1] În solul terestru carbonul se regăseşte, de exemplu, în forma carbonatului de calciu în roci, dar şi în hidrocarburi, în petrol, în minereu sau în gazele naturale, participând decisiv şi în procesele din interiorul vulcanilor. Pe de altă parte, carbonul este considerat pe bună dreptate unul dintre cei mai importanţi constituenţi ai organismelor vii, având, de exemplu, o contribuţie majoră în respiraţia celulelor. În corpul uman, atomii de carbon sunt, după hidrogen şi oxigen, cei mai numeroşi (10,7 %). Concentraţia de carbon în orice organism viu, indiferent dacă face parte din regnul vegetal sau animal, este mai mare decât în orice alt material existent în stare naturală, exceptând diamantul şi grafitul.^[2]

Carbonul joaca un rol esential in intreaga lume vie.

În fine, carbonul se poate asocia cu mare uşurinţă în formarea compuşilor organici. O sumedenie de astfel de compuşi ai carbonului există deja în natură, iar o altă listă foarte lungă de compuşi a fost obţinută, prin sintetiză, în laboratoare, pe baza capacităţilor lui inepuizabile de asociere. Chimiştii cunosc deja peste 10 milioane de compuşi la care participă carbonul.^[3]

Aşadar, structurile şi procesele la care participă carbonul sunt diverse, prezente peste tot, 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, de exemplu). Acestea nu sunt decât exemplificări sumare a 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 (nuclee minuscule care au şase protoni, înconjurate de câţiva electroni), se dovedește atât de preţios pentru întreg Universul, pentru Pământ şi pentru viaţa noastră, este cu siguranţă remarcabil. Mai mult însă, „biografia“ spectaculoasă a acestui element chimic nu se opreşte aici. Miracolul existenţei carbonului nu stă doar în ceea ce s-a spus până acum. Surpriza cea mai mare pentru astrofizicieni a fost aceea că el există totuşi în Univers, într-o cantitate atât de mare! Aceasta pentru că, potrivit datelor experimentale, cunoscute şi verificate deja de mai multă vreme, existenţa carbonului se leagă de o serie de coincidenţe cu totul remarcabile.

Rezonanța Hoyle

Aşa cum s-a spus, în Universul timpuriu au fost prezente, din abundenţă, elemente uşoare, hidrogen şi heliu. Formarea elementelor mai grele, printre care şi carbonul, a fost posibilă doar prin fuziunea acestor nuclee uşoare. Modelul care descrie acest proces (nucleosinteză) este în acord foarte strâns cu datele experimentale şi cu observaţiile de până acum. [Măsurătorile arată, de exemplu, că elementele existente în Universul observabil – hidrogenul, heliul, dar şi carbonul şi celelalte – au ponderi foarte apropiate de cele estimate de model.]

Potrivit acestei descrieri, primele arderi stelare sunt întreţinute de hidrogen. Teoria arată, experimentele şi observaţiile o confirmă: rezultatul arderii nucleare a hidrogenului este heliul. În stelele masive, etapa arderii nucleare a hidrogenului se continuă cu arderea heliului, care are ca rezultat carbonul-12, şi formarea succesivă de oxigen-16, neon-20, magneziu-24, silicon-28, sulf-32 şi argon-36.^[4]

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, având 2 protoni în nucleu.^[5] 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 într-o astfel de pondere nu pot fi explicate doar prin această coliziune foarte puţin probabilă, în care trei nuclee să se lovească simultan.

Faptul că a fost posibilă formarea unei cantităţi atât de mari de carbon în Univers înseamnă că el s-a format şi altfel. Însă fizica particulelor arată că nu sunt prea multe variante de formare a nucleelor de carbon. De fapt, mai este una singură: să se ciocnească trei nuclee de heliu, însă nu deodată, ci pe rând. Să se lege, mai întâi, două dintre ele, heliu-4 cu heliu-4, iar particula rezultată din lipirea lor, adică beriliul-8, să se ciocnească cu un al treilea nucleu de heliu-4. În acest punct, însă, se întâmplă un fenomen remarcabil.

În general, experimentele au arătat că durata de viaţă a unei particule care se naşte din ciocnirea altora este cam de acelaşi ordin cu timpul cât a durat fuziunea care i-a dat naştere. Această regulă, însă, nu se aplică şi în cazul fuziunii nucleelor de heliu-4. Beriliul-8, rezultat din lipirea a două nuclee de heliu-4, este anormal de stabil (10^-17 s). El trăieşte de aproape 10 000 de ori mai mult decât timpul cât durează fuziunea nucleelor care îl formează (adică 10^-21 s)! Iar semnificativ pentru discuţia de aici, „viaţa lungă“ a beriliului-8 şi stabilitatea mare a nucleului de heliu-4 sunt tocmai cele care cresc şansele ca aceste două elemente să se ciocnească şi să formeze nucleul de carbon.

Dar condiţiile excepţionale nu s-au terminat încă. 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, beriliu-8 şi heliu-4, care îl constituie. Prin urmare, formarea carbonului nu ar trebui să rezulte din simpla lor alipire. Fred Hoyle (1915-2001), unul dintre cei mai mari astrofizicieni ai secolului trecut, a încercat să rezolve acest mister. Ce explicaţie a găsit Hoyle pentru acest fapt?

Pentru a rezuma răspunsul lui, trebuie spus mai întâi că nucleul unui atom poate exista în mai multe stări energetice. Anterior am văzut că atomul poate avea mai multe stări energetice, după cum electronii lui (excitaţi sau nu) sunt situaţi pe diferiţi orbitali. Întrucât nucleul atomului este alcătuit şi el din protoni şi neutroni, se poate imagina că şi aceştia se pot situa pe diferite niveluri de energie. Pe de altă parte, la vremea când Hoyle încerca dezlegarea acestui mister, echivalenţa dintre energie şi masă, stabilită de relativitatea restrânsă a lui Einstein, era deja de notorietate. Rezultatul lui Einstein, însă, se poate traduce şi prin aceea că diferitele stări energetice ale unui nucleu i-ar putea modifica sensibil masa. Cu alte cuvinte, plecând de la faptul că fragmentele ce alcătuiesc nucleul (protonii şi neutronii) nu sunt aşezate doar într-un singur fel, Hoyle a fost convins că trebuie să existe o anumită configuraţie, o formă excitată a nucleului de carbon care să corespundă exact rezultatului lipirii dintre beriliu-8 şi heliu-4.^[6] În acest fel, diferenţa semnificativă dintre masele lor, menţionată adineaori, nu ar mai fi fost un impediment în procesul formării nucleului de carbon. Fred Hoyle a reuşit să dovedească existenţa unei astfel de stări energetice a nucleului de carbon! Nivelul de energie prezis prin calcule s-a dovedit a fi real (7,65 MeV), fiind într-adevăr situat imediat deasupra nivelului de energie al celor două nuclee (beriliul-8 şi heliul-4) care dau – prin fuziune – nucleul de carbon!

În rezumat şi evitând alte menţiuni de ordin tehnic, care ar putea îngreuna lectura, avem de-a face cu o situaţie paradoxală. Dacă ar fi să oprim descrierea formării carbonului la aceste două situaţii foarte rare, nu am avea nicio altă explicaţie pentru cantitatea semnificativă de carbon din Univers, decât dacă acceptăm că legile fizice sunt, într-un fel, chiar favorabile apariţiei lui. Temperatura şi presiunea din interiorul stelelor fac posibil ca cele două nuclee să dobândească energie termică, permiţând ciocnirea lor. Lovirea nucleelor de heliu şi beriliu, în interiorul fierbinte al aştrilor, le leagă însă într-o stare care se află în imediata vecinătate a stării energetice a noului nucleu stabil, cel de carbon-12. Calculele arată că, în situaţia unei reduceri cu 1 % a nivelului energetic al carbonului, producţia de carbon din arderile stelelor se reduce de 250 de ori^[7]. [Coincidenţa aceasta remarcabilă este denumită rezonanţă Hoyle.]

Şansele apariţiei carbonului stau, aşadar, în unele dintre caracteristicile particulelor înseşi. Se pare că structurile cele mai intime ale materiei sunt făcute în aşa fel încât să permită existenţa acestui element. În mod spectaculos, heliul, beriliul şi carbonul au o astfel de proprietate comună. Cele două nuclee de heliu sintetizate în beriliu „amână“ dezintegrarea compusului lor pentru foarte scurt timp, manifestând, dacă se poate spune aşa, o anumită „afinitate“ pentru sinteza cu încă un nucleu de heliu. Rezonanţa Hoyle a primit o strălucită confirmare experimentală.^[8] Dacă această trăsătură specială (rezonanţă) ar fi fost absentă, carbonul nu ar fi existat din abundenţă, aşa cum se întâmplă în Universul actual, ci într-o cantitate infimă.^[9]

Calibrări fine pentru existența Carbonului

Însă situaţia excepţională a carbonului nu se încheie aici. Nu doar „naşterea“ lui reclamă proprietăţi cu totul deosebite. 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-16!^[10] 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, oxigenul şi carbonul, în Univers este comparabilă.

Aşadar, longevitatea neobişnuită a beriliului, existenţa nivelului de rezonanţă Hoyle, între fuziunea beriliu-heliu şi nucleul de carbon-12, dar şi absenţa unui nivel de rezonanţă avantajos pentru oxigen-16 corespund toate, într-un mod remarcabil.^[11] În acest fel, se dovedeşte, de fapt, modul cum niveleurile de energie ale particulelor fundamentale, mecanismele reacţiilor nucleare la care ele participă şi duratele lor de viaţă influenţează fiecare în parte şi toate la un loc, printr-o ţesătură complexă de fenomene din abisul materiei, configuraţia întregului Univers. Fizica particulelor a verificat aceste procese nucleare. Ponderile carbonului şi oxigenului au fost decise la nivelul acestor mecanisme nucleare.

Fred Hoyle a comentat descoperirea sa privind corespondenţa nivelurilor de energie în nucleele de carbon şi oxigen, fără de care existenţa vieţii şi a omului nu ar fi fost posibilă: „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”.^[12]

Până la urmă, dacă s-ar estima probabilitatea apariţiei unui Univers care să conţină carbon, introducând, la întâmplare, în teoriile cu care operează astăzi fizica particulelor elementare şi cosmologia, diverse valori ale constantelor fundamentale, rezultatul ar fi extraordinar de mic. Şansa pentru apariţia unui Univers care să conţină carbon este mai mică decât raportul dintre unu şi un număr egal cu 10 ridicat la puterea 220!^[13]

 Note

---

^[1] J.E. Lovelock, Gaia: A New Look at Life on Earth, apud J.D. Barrow şi F.J. Tipler, Principiul antropic cosmologic, p. 608.

^[2] De exemplu, într-o porţiune din trunchiul unui copac, în greutate de 1 kg, se găsesc aproximativ 230 g de carbon. Însă într-o cantitate similară de materie stelară se găsesc doar 3 grame de carbon: 1,8 g se găsesc în crustă şi doar 0,018 în apă! Cf. M. Winter, WebElements. Periodical Table, adresa citată.

^[3] Robert V. Wolke, „Carbon”, în: K. Lee Lerner şi Brenda Wilmoth Lerner (ed.), The Gale Encyclopedia of Science, vol. 1, ed. a III-a, Thomson Gale, Farmington Hills, MI, 2004, p. 715.

^[4] Cf. P. Moore (ed.), Philip’s Astronomy Encyclopedia, p. 287 [„nucleosynthesis”, ad voc.].

^[5] Heliul-4 este, la rândul său, rezultatul sintezei a două nuclee de heliu-3, care se obţin, fiecare dintre ele, prin sinteza a două nuclee de hidrogen.

^[6] Simon Singh, Big Bang. Originea Universului, Ed. Humanitas, Bucureşti, 2008, pp. 347-349 [pentru o prezentare a contextului acestei descoperiri, precum şi numeroase alte detalii, v. pp. 339-350].

^[7] H. Oberhummer et al., „Alpha clustering and the stellar nucleosynthesis of carbon“, în: Zeitschrift für Physik A: Hadrons and Nuclei, 349 (1994), nr. 3-4, pp. 241-242.

^[8] Cf. Morris Engelson, The Heavenly Time Machine. Essays on Science and Tora, Joint Management Strategy (JMSC), Portland, OR, 2001, pp. 69-72 [disponibilă online: http://www.pcez.com/~jmsc/bible-torah-sciencelink.html].

^[9] P.W. Atkins, Regatul periodic. O călătorie pe tărâmul elementelor chimice, Ed. Humanitas, Bucureşti, 1998, p. 86.

^[10] J.D. Barrow şi F.J. Tipler, Principiul antropic cosmologic, p. 296. În realitate însă, trecerea nucleului de carbon în oxigen-18, prin coliziunea cu un alt nucleu de heliu-4, are o rată mult mai scăzută, ce permite proceselor de „producţie“ a nucleelor de carbon şi a celor de oxigen să conducă la proporţii comparabile.

^[11] J.D. Barrow şi F.J. Tipler, Principiul antropic cosmologic, p. 297.

^[12] John D. Barrow, Despre imposibilitate. Limitele ştiinţei şi ştiinţa limitelor, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1999, p. 121.

^[13] L. Smolin, Spaţiu, Timp, Univers…, p. 241. Numărul este imens, având în vedere că totalitatea atomilor din Universul observabil este estimată în jurul valorii de 10⁸⁰.