A Nobel-díj A Nobel-díj logója

Hány éves a Nap? Hogyan süt a nap? Ezek a kérdések ugyanannak az éremnek a két oldala, mint látni fogjuk.

Az, hogy a Nap milyen sebességgel sugároz energiát, könnyen kiszámítható a földfelszínre jutó energia mért sebességének és a Föld és a Nap közötti távolságnak a felhasználásával. A teljes energia, amelyet a Nap az élete során kisugárzott, megközelítőleg az energiakibocsátás jelenlegi sebességének – amit napfényességnek nevezünk – és a Nap korának szorzata.

Minél idősebb a Nap, annál nagyobb a kisugárzott napenergia teljes mennyisége. Minél nagyobb a kisugárzott energia, vagy minél nagyobb a Nap kora, annál nehezebb magyarázatot találni a napenergia forrására.

Hogy jobban megértsük, mennyire nehéz magyarázatot találni, nézzünk egy konkrét példát arra a hatalmas sebességre, amellyel a Nap energiát sugároz. Tegyük fel, hogy egy nyári napon egy köbcentiméter jeget úgy helyezünk ki a szabadba, hogy az összes napsugárzást elnyelje a jég. Még a Föld és a Nap közötti nagy távolság mellett is a napsugárzás körülbelül 40 perc alatt megolvasztja a jégkockát. Mivel ez az űrben bárhol megtörténhetne a Föld Naptól mért távolságában, egy hatalmas gömb alakú jéghéj, amelynek középpontja a Napon van és 300 millió km (200 millió mérföld) átmérőjű, egyszerre olvadna meg. Vagy ha ugyanezt a jégmennyiséget a Nap felszínére zsugorítjuk, akkor kiszámíthatjuk, hogy egy, a Föld felszínének tízezerszeresét kitevő, körülbelül fél kilométer vastagságú területet is 40 perc alatt megolvasztana a Napból kiáradó energia.

Ebben a fejezetben arról lesz szó, hogy a tizenkilencedik századi tudósok hogyan próbálták meghatározni a napenergia forrását, a napkorszakot használva támpontként.

A napkorszak ellentmondásos becslései

A napsugárzás energiaforrását a tizenkilencedik századi fizikusok a gravitációnak hitték. Hermann von Helmholtz német fiziológusprofesszor, akiből kiváló kutató és fizikaprofesszor lett, 1854-ben egy nagy hatású előadásában azt javasolta, hogy a Nap hatalmas kisugárzott energiájának eredete egy nagy tömeg gravitációs összehúzódása. Valamivel korábban, az 1840-es években J. R. Mayer (szintén német orvos) és J. J. Waterson szintén felvetette, hogy a napsugárzás eredete a gravitációs energia hővé alakítása.1

A biológusok és a geológusok a napsugárzás hatásaival foglalkoztak, míg a fizikusok a kisugárzott energia eredetére koncentráltak. 1859-ben Charles Darwin A fajok származásáról a természetes kiválasztódás útján című könyvének első kiadásában a Föld korára vonatkozó durva számítást végzett azzal, hogy megbecsülte, mennyi időbe telne, amíg a jelenlegi megfigyelt ütemben zajló erózió elmossa a Wealdot, egy nagy völgyet, amely Észak- és Dél-Downs között húzódik Dél-Anglia déli részén. A “Weald lepusztulására” 300 millió év körüli számot kapott, ami nyilvánvalóan elég hosszú idő ahhoz, hogy a természetes szelekció létrehozza a Földön létező fajok elképesztő választékát.

Amint Herschel hangsúlyozta, a Nap hője felelős az életért és a földi geológiai evolúció nagy részéért. Ezért Darwin becslése a földi geológiai tevékenység minimális korára vonatkozóan magában foglalta a Nap által kisugárzott energia mennyiségének minimális becslését.

A darwini természetes szelekciót határozottan ellenző William Thomson, a későbbi Lord Kelvin, a Glasgow-i Egyetem professzora és a XIX. század egyik legnagyobb fizikusa volt. Az alkalmazott tudományokhoz és a mérnöki tudományokhoz való számos hozzájárulása mellett Thomson megfogalmazta a termodinamika második törvényét és felállította az abszolút hőmérsékleti skálát, amelyet később az ő tiszteletére Kelvin-skálának neveztek el. A termodinamika második törvénye kimondja, hogy a hő természetesen egy melegebb testből áramlik egy hidegebb testbe, és nem fordítva. Thomson ezért felismerte, hogy a Napnak és a Földnek egyre hidegebbnek kell lennie, hacsak nincs külső energiaforrás, és hogy végül a Föld túl hideg lesz az élet fenntartásához.

Kelvin, akárcsak Helmholtz, meg volt győződve arról, hogy a Nap fényessége a gravitációs energia hővé alakításával jön létre. Ennek az elképzelésnek egy korai (1854-es) változatában Kelvin felvetette, hogy a Nap hőjét talán a felszínére hulló meteorok becsapódása termeli folyamatosan. Kelvint a csillagászati bizonyítékok arra kényszerítették, hogy módosítsa hipotézisét, és ekkor azt állította, hogy a Nap rendelkezésére álló energia elsődleges forrása az ősmeteorok gravitációs energiája, amelyekből a Nap keletkezett.

Így Lord Kelvin 1862-ben nagy tekintéllyel és ékesszólással kijelentette:

Azt, hogy a meteorelmélet valamely formája minden bizonnyal a Nap hőjének igaz és teljes magyarázata, aligha lehet kétségbe vonni, ha a következő okokat vesszük figyelembe: (1) Más természetes magyarázat, mint a kémiai hatás, nem képzelhető el. (2) A kémiai elmélet teljesen elégtelen, mert az általunk ismert legintenzívebb kémiai hatás, amely a Nap teljes tömegét kitevő anyagok között játszódna le, csak mintegy 3000 évnyi hőt termelne. (3) A meteorelmélettel nem okoz nehézséget 20 000 000 év hőmennyiségének elszámolása.”

Kelvin azzal folytatta, hogy egyenesen Darwin becslését támadta, és retorikusan kérdezte:

Mit gondoljunk akkor az olyan geológiai becslésekről, mint a 300 000 000 év a “Weald denudációjára”?

Mivel Kelvin úgy vélte, hogy Darwin tévedett a Föld korára vonatkozó becslésében, Kelvin azt is hitte, hogy Darwin tévedett a természetes szelekció működéséhez rendelkezésre álló idővel kapcsolatban.

Lord Kelvin a következőképpen becsülte meg a Nap, és ezzel együtt a Föld élettartamát. Kiszámította egy olyan tárgy gravitációs energiáját, amelynek tömege megegyezik a Nap tömegével és sugara a Nap sugarával, majd az eredményt elosztotta azzal a sebességgel, amellyel a Nap energiát sugároz el. Ez a számítás mindössze 30 millió éves élettartamot eredményezett. A kémiai energiával fenntartható élettartamra vonatkozó megfelelő becslés sokkal kisebb volt, mivel a kémiai folyamatok nagyon kevés energiát szabadítanak fel.

Kinek volt igaza?

Amint az imént láttuk, a XIX. században nagyon különböző becsléseket lehetett kapni a Nap korára vonatkozóan, attól függően, hogy kit kérdeztünk. Jelentős elméleti fizikusok az akkoriban ismert energiaforrások alapján azt állították, hogy a Nap legfeljebb néhány tízmillió éves. Sok geológus és biológus arra a következtetésre jutott, hogy a Napnak legalább több százmillió éve kell világítania, hogy a geológiai változások és az élőlények evolúciója magyarázható legyen, mivel mindkettő nagymértékben függ a Nap energiájától. Így a Nap kora és a napenergia eredete nemcsak a fizika és a csillagászat, hanem a geológia és a biológia számára is fontos kérdéssé vált.

Darwint annyira megrázta Kelvin elemzésének ereje és elméleti szakértelmének tekintélye, hogy A fajok eredetéről utolsó kiadásaiban eltörölte a konkrét időskálák minden említését. 1869-ben Alfred Russel Wallace-nak, a természetes szelekció társfelfedezőjének írt, és Lord Kelvinre panaszkodott:

Thomson nézetei a világ újkori koráról már jó ideje az egyik legfájóbb gondom.

Mára már tudjuk, hogy Lord Kelvin tévedett, és a geológusoknak és az evolúcióbiológusoknak volt igazuk. A meteoritok radioaktív kormeghatározása azt mutatja, hogy a Nap 4,6 milliárd éves.

Mi volt a hiba Kelvin elemzésében? Egy hasonlat talán segíthet. Tegyük fel, hogy egy barátod megfigyel téged a számítógéped használatakor, és megpróbálja kitalálni, hogy mióta működik a számítógép. Egy hihető becslés lehet, hogy nem több, mint néhány óra, mivel ez az a maximális időtartam, amely alatt egy akkumulátor a szükséges mennyiségű energiát képes szolgáltatni. Ennek az elemzésnek a hibája az a feltételezés, hogy a számítógépet szükségszerűen akkumulátor táplálja. A néhány órás becslés téves lehet, ha a számítógépet a falban lévő konnektorról működtetnék. Az a feltételezés, hogy a számítógép energiaellátását egy akkumulátor biztosítja, analóg Lord Kelvin feltételezésével, miszerint a gravitációs energia hajtja a Napot.

Mivel a XIX. századi elméleti fizikusok nem tudtak a nukleáris tömeg energiává alakításának lehetőségéről, a Nap maximális korát túl rövidre számították. Ennek ellenére Kelvin és kollégái maradandóan hozzájárultak a csillagászat, a geológia és a biológia tudományaihoz azzal, hogy ragaszkodtak ahhoz az elvhez, hogy az érvényes következtetéseknek minden kutatási területen összhangban kell lenniük a fizika alapvető törvényeivel.

A következőkben néhány mérföldkőnek számító fejleményt tárgyalunk annak megértésében, hogy a magtömeget hogyan használják fel a csillagok üzemanyagaként.

1 von Helmholtz és Mayer az energia megmaradás törvényének két társfelfedezője volt. Ez a törvény kimondja, hogy az energia egyik formából a másikba átalakulhat, de a teljes mennyiség mindig megmarad. Az energia megőrzése a modern fizika egyik alapelve, amelyet a legkisebb (szubatomi) tartományok és a legnagyobb ismert struktúra (az univerzum), valamint a kettő közötti szinte minden elemzése során alkalmaznak. Később látni fogjuk, hogy az energiamegmaradás törvényének Einstein általánosítása kulcsszerepet játszott a napsugárzás eredetének megértésében. Az energia megmaradásának alkalmazása a radioaktivitásra felfedte a neutrínók létezését.

Egy pillantás a megoldásra