Nobelprisen Nobelprisens logo

Hvor gammel er solen? Hvordan skinner solen? Disse spørgsmål er to sider af samme sag, som vi skal se.

Den hastighed, hvormed solen udstråler energi, kan let beregnes ved at bruge den målte hastighed, hvormed energien når frem til jordens overflade, og afstanden mellem jorden og solen. Den samlede energi, som solen har udstrålet i løbet af sin levetid, er omtrent produktet af den aktuelle hastighed, hvormed energien udsendes, som kaldes solens luminositet, gange solens alder.

Jo ældre solen er, jo større er den samlede mængde udstrålet solenergi. Jo større den udstrålede energi er, eller jo større solens alder er, jo vanskeligere er det at finde en forklaring på kilden til solenergien.

For bedre at forstå, hvor vanskeligt det er at finde en forklaring, skal vi se på en konkret illustration af den enorme hastighed, hvormed solen udstråler energi. Lad os antage, at vi på en sommerdag stiller en kubikcentimeter is udenfor på en sommerdag på en sådan måde, at alt sollyset absorberes af isen. Selv i den store afstand mellem jorden og solen vil sollyset smelte isterningen i løbet af ca. 40 minutter. Da dette ville ske hvor som helst i rummet i Jordens afstand fra solen, ville en enorm kugleformet isskal centreret om solen og med en diameter på 300 millioner km (200 millioner miles) blive smeltet på samme tid. Eller hvis vi skrumper den samme mængde is ned til solens overflade, kan vi beregne, at et område, der er 10.000 gange større end jordens overflade og omkring en halv kilometer tykt, også ville blive smeltet på 40 minutter af den energi, der strømmer ud fra solen.

I dette afsnit skal vi diskutere, hvordan videnskabsmænd i det nittende århundrede forsøgte at bestemme kilden til solenergien, idet de brugte solens alder som et fingerpeg.

Konfliktfyldte skøn over solens alder

Energikilden til solens stråling blev af fysikere i det nittende århundrede anset for at være gravitation. I et indflydelsesrigt foredrag i 1854 foreslog Hermann von Helmholtz, en tysk professor i fysiologi, der blev en fremtrædende forsker og fysikprofessor, at oprindelsen til solens enorme udstrålede energi er gravitationskontraktion af en stor masse. Noget tidligere, i 1840’erne, havde J. R. Mayer (en anden tysk læge) og J. J. Waterson også foreslået, at solstrålingens oprindelse er omdannelsen af gravitationsenergi til varme.1

Biologer og geologer overvejede virkningerne af solstråling, mens fysikere koncentrerede sig om oprindelsen af den udstrålede energi. I 1859 foretog Charles Darwin i den første udgave af On The Origin of the Species by Natural Selection en grov beregning af jordens alder ved at anslå, hvor lang tid det ville tage erosion, der finder sted med den nuværende observerede hastighed, at skylle Weald væk, en stor dal, der strækker sig mellem North og South Downs tværs over det sydlige England. Han fik et tal for “denudation of the Weald” på omkring 300 millioner år, hvilket tilsyneladende er længe nok til, at naturlig selektion har skabt det forbløffende udvalg af arter, der findes på jorden.

Som Herschel understregede, er det solens varme, der er ansvarlig for livet og for det meste af den geologiske udvikling på jorden. Derfor indebar Darwins skøn over en minimumsalder for den geologiske aktivitet på jorden et minimumsskøn for den mængde energi, som solen har udstrålet.

En stærk modstander af Darwins naturlige selektion var William Thomson, den senere Lord Kelvin, professor ved universitetet i Glasgow og en af de store fysikere i det nittende århundrede. Ud over sine mange bidrag til anvendt videnskab og til ingeniørvidenskab formulerede Thomson den anden termodynamiske lov og opstillede den absolutte temperaturskala, som senere blev opkaldt Kelvin-skalaen til hans ære. Den anden termodynamiske lov fastslår, at varme naturligt strømmer fra et varmere til et koldere legeme og ikke omvendt. Thomson indså derfor, at solen og jorden må blive koldere, medmindre der er en ekstern energikilde, og at jorden til sidst vil blive for kold til at kunne bære liv.

Kelvin var ligesom Helmholtz overbevist om, at solens lysstyrke blev frembragt ved omdannelse af gravitationsenergi til varme. I en tidlig (1854) version af denne idé foreslog Kelvin, at solens varme kunne produceres kontinuerligt ved nedslag af meteorer, der falder ned på dens overflade. Kelvin blev tvunget af astronomiske beviser til at ændre sin hypotese, og han hævdede derefter, at den primære kilde til den energi, som solen havde til rådighed, var tyngdeenergien fra de urmeteorer, som den blev dannet af.

Så erklærede Lord Kelvin med stor autoritet og veltalenhed i 1862:

At en eller anden form for meteorteori helt sikkert er den sande og fuldstændige forklaring på solens varme kan man næppe betvivle, når man tager følgende grunde i betragtning: (1) Der kan ikke tænkes nogen anden naturlig forklaring, undtagen ved kemisk virkning. (2) Den kemiske teori er helt utilstrækkelig, fordi den mest energiske kemiske handling, vi kender, som finder sted mellem stoffer, der svarer til hele solens masse, kun ville frembringe ca. 3.000 års varme. (3) Der er ingen vanskeligheder ved at redegøre for 20.000.000 års varme ved hjælp af meteorteorien.”

Kelvin fortsatte med at angribe Darwins skøn direkte og spurgte retorisk:

Hvad skal vi så mene om sådanne geologiske skøn som 300.000.000 år for “denudation of the Weald”?

Da Kelvin troede, at Darwin tog fejl i sit skøn over jordens alder, mente han også, at Darwin tog fejl med hensyn til den tid, der var til rådighed for den naturlige udvælgelse til at virke.

Lord Kelvin anslog solens levetid, og dermed også jordens, på følgende måde. Han beregnede tyngdeenergien for et objekt med en masse svarende til solens masse og en radius svarende til solens radius og dividerede resultatet med den hastighed, hvormed solen udstråler energi. Denne beregning gav en levetid på kun 30 millioner år. Det tilsvarende skøn for den levetid, der kunne opretholdes ved hjælp af kemisk energi, var meget mindre, fordi kemiske processer frigiver meget lidt energi.

Hvem havde ret?

Som vi lige har set, kunne man i det nittende århundrede få meget forskellige skøn over solens alder, alt efter hvem man spurgte. Fremtrædende teoretiske fysikere hævdede på baggrund af de energikilder, man kendte på det tidspunkt, at solen højst var et par ti millioner år gammel. Mange geologer og biologer konkluderede, at solen må have skinnet i mindst flere hundrede millioner år for at kunne forklare de geologiske forandringer og udviklingen af levende væsener, som begge er kritisk afhængige af energi fra solen. Solens alder og solenergiens oprindelse var således vigtige spørgsmål ikke kun for fysik og astronomi, men også for geologi og biologi.

Darwin blev så rystet af kraften i Kelvins analyse og af autoriteten i hans teoretiske ekspertise, at han i de sidste udgaver af On The Origin of the Species eliminerede al omtale af specifikke tidsskalaer. Han skrev i 1869 til Alfred Russel Wallace, medopdageren af den naturlige selektion, og klagede over Lord Kelvin:

Thomsons synspunkter om verdens nyere alder har i nogen tid været et af mine værste problemer.

I dag ved vi, at Lord Kelvin tog fejl, og at geologerne og evolutionsbiologerne havde ret. Radioaktiv datering af meteoritter viser, at solen er 4,6 milliarder år gammel.

Hvad var der galt med Kelvins analyse? En analogi kan måske hjælpe. Lad os antage, at en ven observerede dig, mens du brugte din computer, og forsøgte at regne ud, hvor længe computeren havde været i drift. Et plausibelt skøn kunne være højst et par timer, da det er den maksimale varighed, hvor et batteri kan levere den nødvendige mængde strøm. Fejlen i denne analyse er antagelsen om, at din computer nødvendigvis drives af et batteri. Skønnet på et par timer kunne være forkert, hvis computeren blev drevet fra en stikkontakt i væggen. Antagelsen om, at et batteri leverer strøm til din computer, svarer til Lord Kelvins antagelse om, at gravitationsenergi driver solen.

Da teoretiske fysikere fra det nittende århundrede ikke kendte til muligheden for at omdanne kernemasse til energi, beregnede de en maksimal alder for solen, som var for kort. Ikke desto mindre ydede Kelvin og hans kolleger et varigt bidrag til videnskaberne astronomi, geologi og biologi ved at insistere på princippet om, at gyldige slutninger inden for alle forskningsområder skal være i overensstemmelse med fysikkens grundlæggende love.

Vi vil nu diskutere nogle af de skelsættende udviklinger i forståelsen af, hvordan kernemasse bruges som brændstof til stjerner.

1 von Helmholtz og Mayer var to af medopdagerne af loven om bevarelse af energi. Denne lov fastslår, at energi kan omdannes fra en form til en anden, men at den samlede mængde altid er bevaret. Energiens bevarelse er et grundlæggende princip i moderne fysik, som bruges til at analysere de allermindste (subatomare) områder og de største kendte strukturer (universet) og stort set alt derimellem. Vi skal senere se, at Einsteins generalisering af loven om energiens bevarelse var en vigtig ingrediens i forståelsen af solstrålingens oprindelse. Anvendelsen af energibevarelsesloven på radioaktivitet afslørede eksistensen af neutrinoer.

Et glimt af en løsning