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¿Cuántos años tiene el sol? Cómo brilla el sol? Estas preguntas son dos caras de la misma moneda, como veremos.

La velocidad a la que el sol irradia energía se puede calcular fácilmente utilizando la velocidad medida a la que la energía llega a la superficie de la tierra y la distancia entre la tierra y el sol. La energía total que el sol ha irradiado a lo largo de su vida es aproximadamente el producto de la tasa actual de emisión de energía, llamada luminosidad solar, por la edad del sol.

Cuanto más viejo es el sol, mayor es la cantidad total de energía solar irradiada. Cuanto mayor es la energía radiada, o cuanto mayor es la edad del sol, más difícil es encontrar una explicación de la fuente de energía solar.

Para apreciar mejor lo difícil que es encontrar una explicación, consideremos una ilustración concreta de la enorme velocidad a la que el sol irradia energía. Supongamos que colocamos un centímetro cúbico de hielo en el exterior en un día de verano de tal manera que toda la luz del sol es absorbida por el hielo. Incluso a la gran distancia entre la Tierra y el Sol, los rayos solares derretirán el cubo de hielo en unos 40 minutos. Como esto ocurriría en cualquier lugar del espacio a la distancia de la Tierra al sol, una enorme capa esférica de hielo centrada en el sol y de 300 millones de km (200 millones de millas) de diámetro se derretiría al mismo tiempo. O bien, reduciendo la misma cantidad de hielo hasta la superficie del sol, podemos calcular que un área diez mil veces mayor que la superficie terrestre y de aproximadamente medio kilómetro (0,3 millas) de grosor también se derretiría en 40 minutos por la energía que sale del sol.

En esta sección, discutiremos cómo los científicos del siglo XIX intentaron determinar la fuente de energía solar, utilizando la edad solar como pista.

Estimaciones contradictorias de la edad solar

La fuente de energía de la radiación solar fue considerada por los físicos del siglo XIX como la gravitación. En una influyente conferencia de 1854, Hermann von Helmholtz, un profesor alemán de fisiología que se convirtió en un distinguido investigador y profesor de física, propuso que el origen de la enorme energía radiada por el sol es la contracción gravitatoria de una gran masa. Algo antes, en la década de 1840, J. R. Mayer (otro médico alemán) y J. J. Waterson también habían sugerido que el origen de la radiación solar es la conversión de la energía gravitacional en calor.1

Los biólogos y geólogos consideraron los efectos de la radiación solar, mientras que los físicos se concentraron en el origen de la energía radiada. En 1859, Charles Darwin, en la primera edición de El origen de las especies por selección natural, hizo un cálculo aproximado de la edad de la Tierra estimando el tiempo que tardaría la erosión que se produce al ritmo actual en arrasar el Weald, un gran valle que se extiende entre los Downs del Norte y del Sur en el sur de Inglaterra. Obtuvo una cifra para la «denudación del Weald» del orden de 300 millones de años, aparentemente tiempo suficiente para que la selección natural haya producido la asombrosa variedad de especies que existen en la Tierra.

Como subrayó Herschel, el calor del sol es responsable de la vida y de la mayor parte de la evolución geológica en la Tierra. Por lo tanto, la estimación de Darwin de una edad mínima para la actividad geológica en la tierra implicaba una estimación mínima para la cantidad de energía que el sol ha irradiado.

Firmemente opuesto a la selección natural darwiniana, William Thomson, más tarde Lord Kelvin, fue un profesor de la Universidad de Glasgow y uno de los grandes físicos del siglo XIX. Además de sus numerosas contribuciones a la ciencia aplicada y a la ingeniería, Thomson formuló la segunda ley de la termodinámica y estableció la escala de temperatura absoluta, que posteriormente recibió el nombre de escala Kelvin en su honor. La segunda ley de la termodinámica establece que el calor fluye naturalmente de un cuerpo más caliente a otro más frío, y no al contrario. Por lo tanto, Thomson se dio cuenta de que el sol y la tierra deben enfriarse a menos que haya una fuente de energía externa y que, finalmente, la tierra se volverá demasiado fría para albergar vida.

Kelvin, al igual que Helmholtz, estaba convencido de que la luminosidad del sol se producía por la conversión de la energía gravitatoria en calor. En una primera versión (1854) de esta idea, Kelvin sugirió que el calor del sol podría ser producido continuamente por el impacto de meteoritos que caen sobre su superficie. Kelvin se vio obligado por la evidencia astronómica a modificar su hipótesis y argumentó entonces que la fuente primaria de la energía disponible para el sol era la energía gravitacional de los meteoros primordiales a partir de los cuales se formó.

Así, con gran autoridad y elocuencia Lord Kelvin declaró en 1862:

Que alguna forma de la teoría meteórica es ciertamente la explicación verdadera y completa del calor solar apenas puede dudarse, cuando se consideran las siguientes razones: (1) No se puede concebir ninguna otra explicación natural, excepto por la acción química. (2) La teoría química es bastante insuficiente, porque la acción química más enérgica que conocemos, que tiene lugar entre sustancias que equivalen a toda la masa del sol, sólo generaría un calor de unos 3.000 años. (3) No hay ninguna dificultad en explicar 20.000.000 de años de calor por la teoría meteórica.

Kelvin continuó atacando directamente la estimación de Darwin, preguntando retóricamente:

¿Qué debemos pensar entonces de tales estimaciones geológicas como 300.000.000 de años para la «denudación del Weald»?

Creyendo que Darwin estaba equivocado en su estimación de la edad de la tierra, Kelvin también creía que Darwin estaba equivocado sobre el tiempo disponible para que la selección natural operara.

Lord Kelvin estimó el tiempo de vida del sol, y por implicación la tierra, como sigue. Calculó la energía gravitacional de un objeto con una masa igual a la del sol y un radio igual al del sol y dividió el resultado por la velocidad a la que el sol irradia energía. Este cálculo dio como resultado una vida útil de sólo 30 millones de años. La estimación correspondiente al tiempo de vida sostenible por la energía química era mucho menor porque los procesos químicos liberan muy poca energía.

¿Quién tenía razón?

Como acabamos de ver, en el siglo XIX se podían obtener estimaciones muy diferentes sobre la edad del sol, dependiendo de a quién se le preguntara. Destacados físicos teóricos sostenían, basándose en las fuentes de energía que se conocían en aquella época, que el sol tenía como mucho unas decenas de millones de años. Muchos geólogos y biólogos llegaron a la conclusión de que el sol debía brillar al menos durante varios cientos de millones de años para poder explicar los cambios geológicos y la evolución de los seres vivos, que dependen en gran medida de la energía solar. Así pues, la edad del sol y el origen de la energía solar eran cuestiones importantes no sólo para la física y la astronomía, sino también para la geología y la biología.

Darwin se sintió tan sacudido por el poder del análisis de Kelvin y por la autoridad de sus conocimientos teóricos que en las últimas ediciones de El origen de las especies eliminó toda mención a escalas de tiempo específicas. En 1869 escribió a Alfred Russel Wallace, el codescubridor de la selección natural, quejándose de Lord Kelvin:

Las opiniones de Thomson sobre la edad reciente del mundo han sido durante algún tiempo uno de mis más dolorosos problemas.

Hoy sabemos que Lord Kelvin estaba equivocado y que los geólogos y biólogos evolutivos tenían razón. La datación radiactiva de los meteoritos muestra que el sol tiene 4.600 millones de años.

¿Qué había de malo en el análisis de Kelvin? Una analogía puede ayudar. Supongamos que un amigo le observa utilizando su ordenador y trata de averiguar cuánto tiempo ha estado funcionando el ordenador. Una estimación plausible podría ser de no más de unas pocas horas, ya que ese es el tiempo máximo durante el cual una batería podría suministrar la cantidad de energía necesaria. El fallo de este análisis es la suposición de que el ordenador está necesariamente alimentado por una batería. La estimación de unas horas podría ser errónea si el ordenador funcionara con una toma de corriente eléctrica en la pared. La suposición de que una batería suministra la energía a su ordenador es análoga a la suposición de Lord Kelvin de que la energía gravitacional alimenta al sol.

Como los físicos teóricos del siglo XIX no conocían la posibilidad de transformar la masa nuclear en energía, calcularon una edad máxima para el sol que era demasiado corta. Sin embargo, Kelvin y sus colegas hicieron una contribución duradera a las ciencias de la astronomía, la geología y la biología al insistir en el principio de que las inferencias válidas en todos los campos de la investigación deben ser coherentes con las leyes fundamentales de la física.

Ahora discutiremos algunos de los avances más importantes en la comprensión de cómo se utiliza la masa nuclear como combustible para las estrellas.

1 von Helmholtz y Mayer fueron dos de los codescubridores de la ley de conservación de la energía. Esta ley establece que la energía puede transformarse de una forma a otra, pero la cantidad total siempre se conserva. La conservación de la energía es un principio básico de la física moderna que se utiliza en el análisis de los dominios más pequeños (subatómicos) y de la estructura más grande conocida (el universo), y de casi todo lo que hay en medio. Más adelante veremos que la generalización de Einstein de la ley de conservación de la energía fue un ingrediente clave para entender el origen de la radiación solar. La aplicación de la conservación de la energía a la radiactividad reveló la existencia de los neutrinos.

Un atisbo de solución