Nobelova cena Logo Nobelovy ceny

Jak staré je Slunce? Jak svítí slunce? Tyto otázky jsou dvě strany téže mince, jak uvidíme.

Rychlost, s jakou Slunce vyzařuje energii, lze snadno vypočítat pomocí naměřené rychlosti, s jakou energie dosahuje zemského povrchu, a vzdálenosti mezi Zemí a Sluncem. Celková energie, kterou Slunce za dobu své existence vyzářilo, je přibližně součinem současné rychlosti, s jakou je energie vyzařována, která se nazývá sluneční svítivost, a stáří Slunce.

Čím je Slunce starší, tím větší je celkové množství vyzářené sluneční energie. Čím větší je vyzářená energie nebo čím větší je stáří Slunce, tím obtížnější je najít vysvětlení zdroje sluneční energie.

Abychom lépe pochopili, jak obtížné je najít vysvětlení, uvažujme konkrétní ilustraci obrovské rychlosti, s jakou Slunce vyzařuje energii. Předpokládejme, že za letního dne umístíme venku krychlový centimetr ledu tak, aby veškerý sluneční svit pohltil led. I při velké vzdálenosti Země od Slunce sluneční záření rozpustí kostku ledu přibližně za 40 minut. Protože by k tomu došlo kdekoli ve vesmíru ve vzdálenosti Země od Slunce, roztál by za stejnou dobu obrovský kulovitý obal ledu se středem na Slunci a průměrem 300 milionů km (200 milionů mil). Nebo, zmenšíme-li stejné množství ledu až k povrchu Slunce, můžeme spočítat, že plocha desetitisíckrát větší než plocha zemského povrchu a silná asi půl kilometru (0,3 míle) by rovněž roztála za 40 minut vlivem energie vycházející ze Slunce.

V této části se budeme zabývat tím, jak se vědci devatenáctého století snažili určit zdroj sluneční energie, přičemž jako vodítko jim posloužil sluneční věk.

Konfliktní odhady slunečního věku

Fyzikové devatenáctého století se domnívali, že zdrojem energie slunečního záření je gravitace. Hermann von Helmholtz, německý profesor fyziologie, který se stal významným badatelem a profesorem fyziky, ve své vlivné přednášce v roce 1854 navrhl, že původem obrovské energie vyzařované Sluncem je gravitační smršťování velké hmoty. O něco dříve, ve 40. letech 19. století, J. R. Mayer (další německý lékař) a J. J. Waterson rovněž navrhli, že původem slunečního záření je přeměna gravitační energie na teplo.1

Biologové a geologové se zabývali účinky slunečního záření, zatímco fyzikové se soustředili na původ vyzařované energie. V roce 1859 Charles Darwin v prvním vydání knihy O vzniku druhů přírodním výběrem provedl hrubý výpočet stáří Země, když odhadl, za jak dlouho by eroze probíhající současnou pozorovanou rychlostí odplavila Weald, velké údolí, které se táhne mezi North a South Downs na jihu Anglie. Získal číslo pro „denudaci Wealdu“ v rozsahu 300 milionů let, což je zřejmě dostatečně dlouhá doba na to, aby přírodní výběr vytvořil ohromující škálu druhů, které na Zemi existují.

Jak Herschel zdůraznil, za život a většinu geologického vývoje na Zemi je zodpovědné sluneční teplo. Proto Darwinův odhad minimálního stáří geologické aktivity na Zemi implikoval minimální odhad množství energie, kterou Slunce vyzářilo.

Tvrdým odpůrcem darwinovského přírodního výběru byl William Thomson, pozdější lord Kelvin, profesor na univerzitě v Glasgow a jeden z velkých fyziků devatenáctého století. Kromě mnoha příspěvků k aplikované vědě a technice formuloval Thomson druhý termodynamický zákon a zavedl absolutní teplotní stupnici, která byla později na jeho počest pojmenována Kelvinova stupnice. Druhý termodynamický zákon říká, že teplo přirozeně proudí od teplejšího tělesa k chladnějšímu, nikoli naopak. Thomson si proto uvědomil, že Slunce a Země se musí ochlazovat, pokud neexistuje vnější zdroj energie, a že nakonec se Země stane příliš chladnou pro život.

Kelvin byl stejně jako Helmholtz přesvědčen, že svítivost Slunce vzniká přeměnou gravitační energie na teplo. V rané (1854) verzi této myšlenky Kelvin navrhl, že teplo Slunce může být neustále produkováno dopadem meteoritů padajících na jeho povrch. Kelvin byl astronomickými důkazy donucen svou hypotézu upravit a poté tvrdil, že primárním zdrojem energie, kterou má Slunce k dispozici, je gravitační energie prvotních meteorů, z nichž vzniklo.

S velkou autoritou a výmluvností lord Kelvin v roce 1862 prohlásil:

O tom, že určitá forma meteorické teorie je jistě pravdivým a úplným vysvětlením slunečního tepla, lze jen stěží pochybovat, když uvážíme následující důvody: (1) Žádné jiné přirozené vysvětlení, kromě chemického působení, si nelze představit. (2) Chemická teorie je zcela nedostatečná, protože nejenergičtější chemické působení, které známe, probíhající mezi látkami o hmotnosti celého Slunce, by vytvořilo teplo jen asi za 3 000 let. (3) Není žádný problém vysvětlit 20 000 000 let tepla pomocí meteorické teorie.

Kelvin pokračoval přímým útokem na Darwinův odhad a řečnicky se ptal:

Co si tedy máme myslet o takových geologických odhadech jako 300 000 000 let pro „denudaci Wealdu“?

Pokud se Darwin mýlil v odhadu stáří Země, Kelvin se také domníval, že se Darwin mýlil v odhadu doby, kterou měl k dispozici pro působení přírodního výběru.

Lord Kelvin odhadl dobu života Slunce, a tím i Země, následovně. Vypočítal gravitační energii objektu o hmotnosti rovné hmotnosti Slunce a poloměru rovném poloměru Slunce a výsledek vydělil rychlostí, kterou Slunce vyzařuje energii. Výsledkem tohoto výpočtu byla doba života pouhých 30 milionů let. Odpovídající odhad doby života udržitelné chemickou energií byl mnohem menší, protože chemické procesy uvolňují velmi málo energie.

Kdo měl pravdu?

Jak jsme právě viděli, v devatenáctém století jste mohli získat velmi rozdílné odhady stáří Slunce podle toho, koho jste se zeptali. Významní teoretičtí fyzikové na základě tehdy známých zdrojů energie tvrdili, že Slunce je staré nanejvýš několik desítek milionů let. Mnoho geologů a biologů dospělo k závěru, že Slunce musí svítit nejméně několik stovek milionů let, aby bylo možné vysvětlit geologické změny a vývoj živých organismů, které jsou na sluneční energii rozhodujícím způsobem závislé. Stáří Slunce a původ sluneční energie se tak staly důležitými otázkami nejen pro fyziku a astronomii, ale také pro geologii a biologii.

Darwin byl tak otřesen silou Kelvinovy analýzy a autoritou jeho teoretických znalostí, že v posledních vydáních knihy O původu druhů odstranil všechny zmínky o konkrétních časových měřítkách. V roce 1869 napsal Alfredu Russelu Wallaceovi, spoluobjeviteli přírodního výběru, stížnost na lorda Kelvina:

Tomsonovy názory na nedávné stáří světa byly po nějakou dobu jedním z mých nejbolestivějších problémů.

Dnes víme, že lord Kelvin se mýlil a geologové a evoluční biologové měli pravdu. Radioaktivní datování meteoritů ukazuje, že Slunce je staré 4,6 miliardy let.

V čem se Kelvinova analýza mýlila? Možná vám pomůže analogie. Předpokládejme, že vás přítel pozoroval při používání počítače a snažil se zjistit, jak dlouho počítač pracuje. Věrohodný odhad by mohl být maximálně několik hodin, protože to je maximální doba, po kterou může baterie dodávat potřebné množství energie. Chybou této analýzy je předpoklad, že počítač je nutně napájen z baterie. Odhad několika hodin by mohl být chybný, pokud by byl počítač napájen z elektrické zásuvky ve zdi. Předpoklad, že energii pro váš počítač dodává baterie, je analogický předpokladu lorda Kelvina, že Slunce pohání gravitační energie.

Protože teoretičtí fyzikové devatenáctého století nevěděli o možnosti přeměny jaderné hmoty na energii, vypočítali maximální věk Slunce, který byl příliš krátký. Přesto Kelvin a jeho kolegové trvale přispěli vědám o astronomii, geologii a biologii tím, že trvali na zásadě, že platné závěry ve všech oblastech výzkumu musí být v souladu se základními fyzikálními zákony.

Nyní se budeme zabývat některými přelomovými událostmi v chápání způsobu využití jaderné hmoty jako paliva pro hvězdy.

1 von Helmholtz a Mayer byli dvěma spoluobjeviteli zákona zachování energie. Tento zákon říká, že energie se může přeměňovat z jedné formy na druhou, ale její celkové množství se vždy zachovává. Zachování energie je základním principem moderní fyziky, který se používá při analýze nejmenších (subatomárních) oblastí a největších známých struktur (vesmír) a téměř všeho mezi tím. Později uvidíme, že Einsteinovo zobecnění zákona zachování energie bylo klíčovou složkou pro pochopení původu slunečního záření. Aplikace zákona zachování energie na radioaktivitu odhalila existenci neutrin.

Záblesk řešení

.