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Wie alt ist die Sonne? Wie scheint die Sonne? Diese Fragen sind zwei Seiten derselben Medaille, wie wir sehen werden.

Die Geschwindigkeit, mit der die Sonne Energie abstrahlt, lässt sich leicht berechnen, indem man die gemessene Geschwindigkeit, mit der die Energie die Erdoberfläche erreicht, und die Entfernung zwischen Erde und Sonne verwendet. Die Gesamtenergie, die die Sonne im Laufe ihres Lebens abgestrahlt hat, ist in etwa das Produkt aus der aktuellen Abstrahlungsrate, die als Sonnenleuchtkraft bezeichnet wird, und dem Alter der Sonne.

Je älter die Sonne ist, desto größer ist die Gesamtmenge der abgestrahlten Sonnenenergie. Je größer die abgestrahlte Energie oder je höher das Alter der Sonne ist, desto schwieriger ist es, eine Erklärung für die Quelle der Sonnenenergie zu finden.

Um besser zu verstehen, wie schwierig es ist, eine Erklärung zu finden, wollen wir uns ein konkretes Beispiel für die enorme Geschwindigkeit ansehen, mit der die Sonne Energie abstrahlt. Nehmen wir an, wir stellen an einem Sommertag einen Kubikzentimeter Eis so nach draußen, dass die gesamte Sonneneinstrahlung vom Eis absorbiert wird. Selbst bei der großen Entfernung zwischen Erde und Sonne schmilzt die Sonne den Eiswürfel in etwa 40 Minuten. Da dies überall im Weltraum in der Entfernung der Erde von der Sonne geschehen würde, würde eine riesige kugelförmige Eishülle, die auf die Sonne zentriert ist und einen Durchmesser von 300 Millionen km (200 Millionen Meilen) hat, in der gleichen Zeit geschmolzen werden. Oder, wenn man die gleiche Menge Eis auf die Sonnenoberfläche verkleinert, kann man berechnen, dass eine Fläche, die zehntausendmal so groß wie die Erdoberfläche und etwa einen halben Kilometer dick ist, ebenfalls in 40 Minuten durch die von der Sonne ausgehende Energie geschmolzen würde.

In diesem Abschnitt soll erörtert werden, wie Wissenschaftler des neunzehnten Jahrhunderts versuchten, die Quelle der Sonnenenergie zu bestimmen, wobei das Sonnenalter als Anhaltspunkt diente.

Widersprüchliche Schätzungen des Sonnenalters

Die Energiequelle der Sonnenstrahlung wurde von den Physikern des neunzehnten Jahrhunderts als Gravitation angesehen. In einer einflussreichen Vorlesung im Jahr 1854 schlug Hermann von Helmholtz, ein deutscher Professor für Physiologie, der ein angesehener Forscher und Physikprofessor wurde, vor, dass der Ursprung der enormen Strahlungsenergie der Sonne die Gravitationskontraktion einer großen Masse ist. Etwas früher, in den 1840er Jahren, hatten auch J. R. Mayer (ein weiterer deutscher Arzt) und J. J. Waterson vorgeschlagen, dass der Ursprung der Sonnenstrahlung die Umwandlung von Gravitationsenergie in Wärme ist.1

Biologen und Geologen befassten sich mit den Auswirkungen der Sonnenstrahlung, während sich die Physiker auf den Ursprung der Strahlungsenergie konzentrierten. Im Jahr 1859 stellte Charles Darwin in der ersten Ausgabe von „Die Entstehung der Arten durch natürliche Auslese“ eine grobe Berechnung des Alters der Erde an, indem er abschätzte, wie lange es dauern würde, bis die Erosion in der derzeit beobachteten Geschwindigkeit das Weald, ein großes Tal, das sich zwischen den North und South Downs im Süden Englands erstreckt, weggespült hätte. Er ermittelte eine Zahl für die „Denudation of the Weald“ in der Größenordnung von 300 Millionen Jahren, offenbar lange genug für die natürliche Auslese, um die erstaunliche Artenvielfalt auf der Erde hervorzubringen.

Wie Herschel betonte, ist die Sonnenwärme für das Leben und den größten Teil der geologischen Evolution auf der Erde verantwortlich. Daher implizierte Darwins Schätzung eines Mindestalters für die geologische Aktivität auf der Erde eine Mindestschätzung für die von der Sonne abgestrahlte Energiemenge.

Ein entschiedener Gegner der darwinistischen natürlichen Auslese war William Thomson, der spätere Lord Kelvin, Professor an der Universität von Glasgow und einer der großen Physiker des 19. Neben seinen zahlreichen Beiträgen zur angewandten Wissenschaft und zum Ingenieurwesen formulierte Thomson den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und stellte die absolute Temperaturskala auf, die später ihm zu Ehren Kelvin-Skala genannt wurde. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme natürlicherweise von einem heißeren zu einem kälteren Körper fließt und nicht umgekehrt. Thomson erkannte daher, dass die Sonne und die Erde kälter werden müssen, wenn es keine externe Energiequelle gibt, und dass die Erde schließlich zu kalt wird, um Leben zu ermöglichen.

Kelvin war wie Helmholtz davon überzeugt, dass die Leuchtkraft der Sonne durch die Umwandlung von Gravitationsenergie in Wärme erzeugt wird. In einer frühen Version (1854) dieser Idee schlug Kelvin vor, dass die Wärme der Sonne kontinuierlich durch den Einschlag von Meteoriten erzeugt werden könnte, die auf ihre Oberfläche fallen. Kelvin wurde durch astronomische Beweise gezwungen, seine Hypothese zu ändern, und er argumentierte dann, dass die primäre Quelle der Energie, die der Sonne zur Verfügung steht, die Gravitationsenergie der Urmeteore ist, aus denen sie entstanden ist.

Mit großer Autorität und Beredsamkeit erklärte Lord Kelvin 1862:

Dass eine Form der meteorischen Theorie sicherlich die wahre und vollständige Erklärung der Sonnenwärme ist, kann kaum bezweifelt werden, wenn man die folgenden Gründe in Betracht zieht: (1) Eine andere natürliche Erklärung als die chemische ist nicht denkbar. (2) Die chemische Theorie ist völlig unzureichend, denn die energiereichste chemische Reaktion, die wir kennen, würde zwischen Stoffen, die der gesamten Sonnenmasse entsprechen, nur etwa 3.000 Jahre Wärme erzeugen. (3) Es gibt keine Schwierigkeiten, 20.000.000 Jahre Wärme durch die meteorische Theorie zu erklären.

Kelvin fuhr fort, indem er Darwins Schätzung direkt angriff und rhetorisch fragte:

Was sollen wir dann von solchen geologischen Schätzungen wie 300.000.000 Jahren für die „Denudation des Wealds“ halten?

Da Kelvin glaubte, dass Darwin mit seiner Schätzung des Alters der Erde falsch lag, glaubte er auch, dass Darwin sich in Bezug auf die Zeit, die für die natürliche Auslese zur Verfügung steht, irrte.

Lord Kelvin schätzte die Lebensdauer der Sonne und damit auch der Erde wie folgt. Er berechnete die Gravitationsenergie eines Objekts mit einer Masse gleich der Sonnenmasse und einem Radius gleich dem Sonnenradius und teilte das Ergebnis durch die Geschwindigkeit, mit der die Sonne Energie abstrahlt. Diese Berechnung ergab eine Lebensdauer von nur 30 Millionen Jahren. Die entsprechende Schätzung für die durch chemische Energie aufrechtzuerhaltende Lebensdauer war viel kleiner, weil chemische Prozesse nur sehr wenig Energie freisetzen.

Wer hatte Recht?

Wie wir gerade gesehen haben, konnte man im neunzehnten Jahrhundert sehr unterschiedliche Schätzungen für das Alter der Sonne erhalten, je nachdem, wen man fragte. Prominente theoretische Physiker vertraten auf der Grundlage der damals bekannten Energiequellen die Ansicht, dass die Sonne höchstens ein paar zehn Millionen Jahre alt sei. Viele Geologen und Biologen kamen zu dem Schluss, dass die Sonne mindestens mehrere hundert Millionen Jahre lang geschienen haben muss, um die geologischen Veränderungen und die Entwicklung der Lebewesen zu erklären, die beide entscheidend von der Sonnenenergie abhängen. Das Alter der Sonne und der Ursprung der Sonnenenergie waren also nicht nur für die Physik und die Astronomie, sondern auch für die Geologie und die Biologie von großer Bedeutung.

Darwin war von der Kraft von Kelvins Analyse und von der Autorität seines theoretischen Fachwissens so erschüttert, dass er in den letzten Ausgaben von „On The Origin of the Species“ jede Erwähnung von spezifischen Zeitskalen strich. 1869 schrieb er an Alfred Russel Wallace, den Mitentdecker der natürlichen Selektion, und beschwerte sich über Lord Kelvin:

Thomsons Ansichten über das jüngste Alter der Welt sind seit einiger Zeit eines meiner größten Ärgernisse.

Heute wissen wir, dass Lord Kelvin falsch lag und die Geologen und Evolutionsbiologen Recht hatten. Radioaktive Datierungen von Meteoriten zeigen, dass die Sonne 4,6 Milliarden Jahre alt ist.

Was war falsch an Kelvins Analyse? Eine Analogie mag helfen. Nehmen wir an, ein Freund beobachtet Sie bei der Benutzung Ihres Computers und versucht herauszufinden, wie lange der Computer schon in Betrieb ist. Eine plausible Schätzung wäre nicht mehr als ein paar Stunden, denn das ist die maximale Zeitspanne, in der eine Batterie die erforderliche Energiemenge liefern könnte. Der Fehler in dieser Analyse ist die Annahme, dass Ihr Computer zwangsläufig von einer Batterie betrieben wird. Die Schätzung von ein paar Stunden könnte falsch sein, wenn Ihr Computer über eine Steckdose in der Wand betrieben würde. Die Annahme, dass eine Batterie den Strom für Ihren Computer liefert, ist analog zu Lord Kelvins Annahme, dass die Gravitationsenergie die Sonne antreibt.

Da die theoretischen Physiker des neunzehnten Jahrhunderts nichts über die Möglichkeit wussten, Kernmasse in Energie umzuwandeln, berechneten sie ein zu kurzes Höchstalter für die Sonne. Dennoch leisteten Kelvin und seine Kollegen einen bleibenden Beitrag zu den Wissenschaften Astronomie, Geologie und Biologie, indem sie auf dem Grundsatz bestanden, dass gültige Schlussfolgerungen in allen Forschungsbereichen mit den grundlegenden Gesetzen der Physik übereinstimmen müssen.

Wir werden nun einige der bahnbrechenden Entwicklungen im Verständnis der Verwendung von Kernmasse als Brennstoff für Sterne erörtern.

1 von Helmholtz und Mayer waren zwei der Mitentdecker des Energieerhaltungssatzes. Dieses Gesetz besagt, dass Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann, die Gesamtmenge aber immer erhalten bleibt. Der Energieerhaltungssatz ist ein Grundprinzip der modernen Physik, das bei der Analyse der kleinsten (subatomaren) Bereiche und der größten bekannten Struktur (des Universums) und so ziemlich allem dazwischen Anwendung findet. Wir werden später sehen, dass Einsteins Verallgemeinerung des Energieerhaltungssatzes eine Schlüsselrolle für das Verständnis des Ursprungs der Sonnenstrahlung spielte. Die Anwendung des Energieerhaltungssatzes auf die Radioaktivität offenbarte die Existenz von Neutrinos.

Ein Blick auf eine Lösung