Czy pierwiastki są dziełem przypadku?

„KAŻDY obiekt we Wszechświecie, nawet najdalsza gwiazda, został utworzony z atomów” — wyjaśnia The Encyclopedia of Stars & Atoms (Encyklopedia gwiazd i atomów). Pojedyncze atomy są zbyt małe, by można je było ujrzeć, ale zebrane razem tworzą znane nam pierwiastki chemiczne. Wiele pierwiastków to ciała stałe, które można zobaczyć; inne są niewidocznymi gazami. Czy istnienie tych wszystkich pierwiastków może być dziełem przypadku?

Pierwiastki od 1 do 92

Najprostszym pierwiastkiem jest wodór — mimo to stanowi paliwo w gwiazdach podobnych do Słońca i jest niezbędny dla istnienia życia. Atom wodoru składa się z jednego protonu tworzącego jądro i jednego elektronu, który krąży wokół niego. Atomy innych pierwiastków chemicznych, takich jak węgiel, tlen, złoto czy rtęć, mają wiele elektronów poruszających się wokół jąder zbudowanych z wielu protonów i neutronów.

Jakieś 450 lat temu znano jedynie 12 pierwiastków chemicznych. Kiedy odkryto ich więcej, uczeni zaczęli dostrzegać istniejący wśród nich naturalny porządek. A gdy uszeregowano pierwiastki w tabeli, zauważono, iż pierwiastki znajdujące się w tej samej kolumnie mają podobne właściwości. Ale w tabeli tej były też puste miejsca, gdyż niektórych pierwiastków jeszcze nie znano. Pozwoliło to rosyjskiemu uczonemu Dimitrijowi Mendelejewowi przewidzieć istnienie pierwiastka o liczbie atomowej 32, germanu, a także jego kolor, masę, gęstość i temperaturę topnienia. „Przewidywania [Mendelejewa] dotyczące innych brakujących pierwiastków — galu i skandu — też okazały się bardzo trafne” — oznajmiono w podręczniku naukowym Chemistry (Chemia) z roku 1995.

Z czasem naukowcy przewidzieli istnienie innych nieznanych pierwiastków oraz niektóre ich właściwości. W końcu wszystkie brakujące pierwiastki zostały odkryte. Obecnie owa tabela nie zawiera żadnych luk. Naturalny porządek wśród pierwiastków opiera się na liczbie protonów w jądrach atomowych. W ten sposób można uszeregować wszystkie pierwiastki występujące w warunkach naturalnych na Ziemi, od pierwszego, wodoru, do ostatniego, uranu, mającego numer (czyli liczbę atomową) 92. Czy to zwykły zbieg okoliczności?

Zastanówmy się także nad ogromną różnorodnością pierwiastków. Na przykład złoto i rtęć mają zupełnie inny połysk. Złoto jest ciałem stałym, zaś rtęć cieczą. A przecież sąsiadują one ze sobą jako pierwiastki o liczbach atomowych 79 i 80. Atom złota ma 79 elektronów, 79 protonów i 118 neutronów. Atom rtęci ma po jednym elektronie i protonie więcej i w przybliżeniu tyle samo neutronów.

Czy to zwykły przypadek, że drobne zmiany w zestawieniu cząstek elementarnych prowadzą do tak wielkiego zróżnicowania pierwiastków? A co powiedzieć o siłach łączących składniki atomu w jedną całość? The Encyclopedia of Stars & Atoms wyjaśnia: „Od najmniejszej cząstki po największe galaktyki — wszystko we Wszechświecie podlega regułom, które opisywane są przez prawa fizyki”. Wyobraźmy sobie, co by się stało, gdyby jedno z tych praw zostało zmienione, na przykład gdyby inną wielkość miała siła, która utrzymuje elektrony na orbitach wokół jądra atomu.

Precyzyjne dostrojenie głównych sił w przyrodzie

Rozważmy skutki osłabienia owej siły, to znaczy oddziaływania elektromagnetycznego. W książce Star Watch (Obserwacje gwiazd) dr David Block oznajmia: „Elektrony nie byłyby związane z atomami”. Co by to oznaczało? „Mielibyśmy wszechświat, w którym nie mogłyby zachodzić żadne reakcje chemiczne!” — dodaje. Jakże możemy być wdzięczni za ustanowienie praw umożliwiających takie reakcje! Na przykład dwa atomy wodoru oraz jeden atom tlenu tworzą cząsteczkę bezcennej wody.

Oddziaływanie elektromagnetyczne jest około 100 razy słabsze od oddziaływania silnego, które wiąże ze sobą składniki jąder atomowych. Co by się stało, gdyby ta liczba była inna? „Gdyby stosunek sił oddziaływania silnego i elektromagnetycznego był nieco inny, nie istniałyby atomy węgla” — wyjaśniają naukowcy John Barrow i Frank Tipler. Bez węgla zaś nie byłoby życia. Atomy tego pierwiastka stanowią 20 procent masy wszystkich żywych organizmów.

Istotne znaczenie ma także to, jak silne jest oddziaływanie elektromagnetyczne w porównaniu z grawitacją. Jak podano w czasopiśmie New Scientist, „najdrobniejsza zmiana stosunku sił oddziaływania grawitacyjnego i elektromagnetycznego przekształciłaby gwiazdy podobne do Słońca w niebieskie olbrzymy [zbyt gorące, by gdzieś w pobliżu mogło istnieć życie] lub czerwone karły [zbyt chłodne]”.

Inne oddziaływanie, zwane słabym, ma wpływ na szybkość reakcji jądrowych wewnątrz Słońca. Jak twierdzi fizyk Freeman Dyson, jest ono „odpowiednio słabe, by wodór spalał się wewnątrz Słońca powoli i równomiernie”. Można by podać jeszcze mnóstwo innych przykładów ukazujących, jak bardzo nasze życie zależy od precyzyjnego dostrojenia praw obowiązujących we wszechświecie i panujących w nim warunków. Popularyzator nauki profesor Paul Davies przyrównał te prawa i warunki do zespołu pokręteł i oświadczył: „Jak się wydaje, wzajemne położenie pokręteł musiałoby zostać ustawione z ogromną dokładnością, aby doprowadzić do powstania życia”.

Na długo przed czasami Izaaka Newtona, który odkrył prawo powszechnego ciążenia, w Biblii znalazły się wzmianki o takich niezmiennych prawach lub zasadach. Hiobowi zadano pytanie: „Czy ogłosiłeś zasady rządzące niebiosami lub ustaliłeś prawa natury na ziemi?” (Hioba 38:33, The New English Bible). Inne uczące pokory pytania brzmią: „Gdzieżeś był, gdy zakładałem ziemię?” oraz „Kto ustanowił jej wymiary, jeśli to wiesz?” (Hioba 38:4, 5).

[Ramka na stronie 6]

NIEODZOWNE PIERWIASTKI

Aż 98 procent masy naszych ciał tworzą trzy pierwiastki chemiczne: wodór, tlen i węgiel. Następny w kolejności, azot, stanowi 1,4 procent. Inne pierwiastki występują w bardzo małych ilościach, ale również są nieodzowne.

[Tabela i ilustracja na stronach 6, 7]

[Patrz publikacja]

Do chwili druku tego czasopisma naukowcy wytworzyli większość pierwiastków od 93 do 118. Jak można było przewidzieć, one także pasują do układu okresowego.

[Prawa własności]

Źródło: Państwowe Laboratorium w Los Alamos

Nazwa pierwiastka Symbol Liczba atomowa (liczba protonów)

wodór H 1

hel He 2

lit Li 3

beryl Be 4

bor B 5

węgiel C 6

azot N 7

tlen O 8

fluor F 9

neon Ne 10

sód Na 11

magnez Mg 12

glin Al 13

krzem Si 14

fosfor P 15

siarka S 16

chlor Cl 17

argon Ar 18

potas K 19

wapń Ca 20

skand Sc 21

tytan Ti 22

wanad V 23

chrom Cr 24

mangan Mn 25

żelazo Fe 26

kobalt Co 27

nikiel Ni 28

miedź Cu 29

cynk Zn 30

gal Ga 31

german Ge 32

arsen As 33

selen Se 34

brom Br 35

krypton Kr 36

rubid Rb 37

stront Sr 38

itr Y 39

cyrkon Zr 40

niob Nb 41

molibden Mo 42

technet Tc 43

ruten Ru 44

rod Rh 45

pallad Pd 46

srebro Ag 47

kadm Cd 48

ind In 49

cyna Sn 50

antymon Sb 51

tellur Te 52

jod I 53

ksenon Xe 54

cez Cs 55

bar Ba 56

lantan La 57

cer Ce 58

prazeodym Pr 59

neodym Nd 60

promet Pm 61

samar Sm 62

europ Eu 63

gadolin Gd 64

terb Tb 65

dysproz Dy 66

holm Ho 67

erb Er 68

tul Tm 69

iterb Yb 70

lutet Lu 71

hafn Hf 72

tantal Ta 73

wolfram W 74

ren Re 75

osm Os 76

iryd Ir 77

platyna Pt 78

złoto Au 79

rtęć Hg 80

tal Tl 81

ołów Pb 82

bizmut Bi 83

polon Po 84

astat At 85

radon Rn 86

frans Fr 87

rad Ra 88

aktyn Ac 89

tor Th 90

protaktyn Pa 91

uran U 92

neptun Np 93

pluton Pu 94

ameryk Am 95

kiur Cm 96

berkel Bk 97

kaliforn Cf 98

einstein Es 99

ferm Fm 100

mendelew Md 101

nobel No 102

lorens Lr 103

rutherford Rf 104

dubn Db 105

seaborg Sg 106

bohr Bh 107

has Hs 108

meitner Mt 109

110

111

112

114

116

118

[Ilustracja]

[Patrz publikacja]

Czy porządek i harmonia w układzie okresowym pierwiastków to czysty przypadek, czy efekt inteligentnego zaprojektowania?

Atom helu

Elektron

Proton

Neutron

[Ilustracje na stronie 7]

[Patrz publikacja]

Dzięki czemu cztery podstawowe oddziaływania są do siebie precyzyjnie dostrojone?

ELEKTROMAGNETYZM

ODDZIAŁYWANIE SILNE

GRAWITACJA

ODDZIAŁYWANIE SŁABE

Cząsteczka wody

Jądro atomowe

Niebieski olbrzym

Czerwony karzeł

Słońce