De Nobelprijs Het Nobelprijs Logo

Hoe oud is de zon? Hoe schijnt de zon? Deze vragen zijn twee kanten van dezelfde medaille, zoals we zullen zien.

De snelheid waarmee de zon energie uitstraalt is eenvoudig te berekenen door gebruik te maken van de gemeten snelheid waarmee de energie het aardoppervlak bereikt en de afstand tussen de aarde en de zon. De totale energie die de zon tijdens haar levensduur heeft uitgestraald, is ongeveer het product van de huidige snelheid waarmee energie wordt uitgestraald, die de zonnelichtkracht wordt genoemd, maal de leeftijd van de zon.

Hoe ouder de zon is, hoe groter de totale hoeveelheid uitgestraalde zonne-energie. Hoe groter de uitgestraalde energie, of hoe groter de leeftijd van de zon, hoe moeilijker het is om een verklaring te vinden voor de bron van zonne-energie.

Om beter te begrijpen hoe moeilijk het is om een verklaring te vinden, laten we een specifieke illustratie bekijken van de enorme snelheid waarmee de zon energie uitstraalt. Veronderstel, dat wij op een zomerdag een kubieke centimeter ijs buiten zetten op zulk een wijze, dat alle zonneschijn door het ijs wordt geabsorbeerd. Zelfs op de grote afstand tussen de aarde en de zon zal de zonneschijn het ijsblokje in ongeveer 40 minuten doen smelten. Aangezien dit overal in de ruimte op de afstand van de aarde tot de zon zou gebeuren, zou een enorme bolvormige schil van ijs met het middelpunt op de zon en een diameter van 300 miljoen km (200 miljoen mijl) in dezelfde tijd worden gesmolten. Of, als we dezelfde hoeveelheid ijs verkleinen tot het oppervlak van de zon, kunnen we berekenen dat een gebied dat tienduizend keer zo groot is als het aardoppervlak en ongeveer een halve kilometer (0,3 mijl) dik is, ook in 40 minuten zou worden gesmolten door de energie die uit de zon stroomt.

In dit deel bespreken we hoe negentiende-eeuwse wetenschappers probeerden de bron van zonne-energie te bepalen, met de zonnetijd als aanwijzing.

Conflicting Estimates of the Solar Age

De energiebron voor zonnestraling werd door negentiende-eeuwse natuurkundigen verondersteld gravitatie te zijn. In een invloedrijke lezing in 1854 stelde Hermann von Helmholtz, een Duitse professor in de fysiologie die een vooraanstaand onderzoeker en professor in de natuurkunde werd, voor dat de oorsprong van de enorme stralingsenergie van de zon de zwaartekrachtscontractie van een grote massa is. Iets eerder, in de jaren 1840, hadden J. R. Mayer (een andere Duitse arts) en J. J. Waterson eveneens voorgesteld dat de oorsprong van zonnestraling de omzetting van gravitatie-energie in warmte is.1

Biologen en geologen beschouwden de effecten van zonnestraling, terwijl natuurkundigen zich concentreerden op de oorsprong van de uitgestraalde energie. In 1859 maakte Charles Darwin in de eerste editie van On The Origin of the Species by Natural Selection een ruwe berekening van de ouderdom van de aarde door te schatten hoe lang het zou duren voordat de Weald, een grote vallei die zich in het zuiden van Engeland tussen de North en South Downs uitstrekt, door erosie in het huidige waargenomen tempo zou zijn weggespoeld. Hij kwam uit op een getal voor de “denudatie van de Weald” in de orde van grootte van 300 miljoen jaar, kennelijk lang genoeg voor natuurlijke selectie om de verbazingwekkende reeks soorten te hebben voortgebracht die op aarde bestaan.

Zoals Herschel benadrukte, is de hitte van de zon verantwoordelijk voor het leven en voor de meeste geologische evolutie op aarde. Darwins schatting van een minimumleeftijd voor geologische activiteit op aarde impliceerde dan ook een minimumschatting voor de hoeveelheid energie die de zon heeft uitgestraald.

William Thomson, later Lord Kelvin, was een fervent tegenstander van Darwinistische natuurlijke selectie, professor aan de Universiteit van Glasgow en een van de grootste natuurkundigen van de negentiende eeuw. Naast zijn vele bijdragen aan de toegepaste wetenschap en de techniek, formuleerde Thomson de tweede wet van de thermodynamica en stelde hij de absolute temperatuurschaal op, die later ter ere van hem de Kelvin-schaal werd genoemd. De tweede wet van de thermodynamica stelt dat warmte van nature van een warmer naar een kouder lichaam stroomt, en niet omgekeerd. Thomson realiseerde zich daarom dat de zon en de aarde kouder moeten worden tenzij er een externe energiebron is en dat de aarde uiteindelijk te koud zal worden om leven te ondersteunen.

Kelvin was er, net als Helmholtz, van overtuigd dat de helderheid van de zon werd geproduceerd door de omzetting van gravitatie-energie in warmte. In een vroege versie (1854) van dit idee stelde Kelvin voor dat de warmte van de zon voortdurend zou kunnen worden geproduceerd door de inslag van meteoren die op haar oppervlak vallen. Kelvin werd door astronomisch bewijs gedwongen zijn hypothese te wijzigen en hij betoogde toen dat de primaire bron van de energie waarover de zon beschikte, de gravitatie-energie was van de oermeteoren waaruit de zon was gevormd.

Dus verklaarde Lord Kelvin in 1862 met grote autoriteit en welsprekendheid:

Dat een of andere vorm van de meteorische theorie zeker de ware en volledige verklaring is van de zonnewarmte, kan nauwelijks worden betwijfeld, wanneer de volgende redenen in aanmerking worden genomen: (1) Er is geen andere natuurlijke verklaring denkbaar dan door chemische werking. (2) De chemische theorie is volstrekt ontoereikend, omdat de meest energetische chemische actie die wij kennen, en die plaatsvindt tussen stoffen ter grootte van de gehele massa van de zon, slechts ongeveer 3000 jaar hitte zou genereren. (3) Het is geen probleem om 20.000.000 jaar hitte te verklaren door de meteorische theorie.

Kelvin vervolgde met een directe aanval op Darwins schatting, waarbij hij retorisch vroeg:

Wat moeten we dan denken van zulke geologische schattingen als 300.000.000 jaar voor de “denudatie van de Weald”?

Geloofde dat Darwin ongelijk had met zijn schatting van de leeftijd van de aarde, Kelvin geloofde ook dat Darwin ongelijk had over de tijd die beschikbaar was voor natuurlijke selectie om te werken.

Lord Kelvin schatte de levensduur van de zon, en bij implicatie de aarde, als volgt. Hij berekende de gravitatie-energie van een voorwerp met een massa gelijk aan de massa van de zon en een straal gelijk aan de straal van de zon en deelde het resultaat door de snelheid waarmee de zon energie wegstraalt. Deze berekening leverde een levensduur van slechts 30 miljoen jaar op. De overeenkomstige schatting voor de levensduur die door chemische energie wordt gedragen, was veel kleiner, omdat bij chemische processen zeer weinig energie vrijkomt.

Wie had gelijk?

Zoals we zojuist hebben gezien, kon je in de negentiende eeuw zeer verschillende schattingen voor de leeftijd van de zon krijgen, afhankelijk van wie je het vroeg. Prominente theoretische natuurkundigen beweerden, op basis van de toen bekende energiebronnen, dat de zon hoogstens enkele tientallen miljoenen jaren oud was. Veel geologen en biologen kwamen tot de conclusie dat de zon al minstens enkele honderden miljoenen jaren moet hebben geschenen om de geologische veranderingen en de evolutie van levende wezens te kunnen verklaren, die beide sterk afhankelijk zijn van de energie van de zon. De ouderdom van de zon en de oorsprong van zonne-energie waren dus belangrijke vragen, niet alleen voor de natuurkunde en de astronomie, maar ook voor de geologie en de biologie.

Darwin was zo geschokt door de kracht van Kelvins analyse en door het gezag van diens theoretische deskundigheid, dat hij in de laatste edities van On The Origin of the Species alle vermeldingen van specifieke tijdschalen schrapte. Hij schreef in 1869 aan Alfred Russel Wallace, de medeontdekker van natuurlijke selectie, waarin hij zich beklaagde over Lord Kelvin:

Thomson’s opvattingen over de recente leeftijd van de wereld zijn al enige tijd een van mijn ergste problemen.

Heden ten dage weten we dat Lord Kelvin ongelijk had en dat de geologen en evolutiebiologen gelijk hadden. Radioactieve datering van meteorieten toont aan dat de zon 4,6 miljard jaar oud is.

Wat was er mis met Kelvins analyse? Een analogie kan helpen. Stel dat een vriend u observeerde met uw computer en probeerde te achterhalen hoe lang de computer al werkte. Een aannemelijke schatting zou niet meer dan een paar uur kunnen zijn, omdat dat de maximale tijd is gedurende welke een batterij de vereiste hoeveelheid stroom zou kunnen leveren. De fout in deze analyse is de aanname dat uw computer noodzakelijkerwijs door een batterij wordt gevoed. De schatting van enkele uren zou onjuist kunnen zijn indien uw computer via een stopcontact in de muur zou worden gevoed. De veronderstelling dat een batterij uw computer van energie voorziet is analoog aan de veronderstelling van Lord Kelvin dat gravitatie-energie de zon van energie voorziet.

Omdat theoretische natuurkundigen uit de negentiende eeuw niet wisten dat nucleaire massa in energie kon worden omgezet, berekenden zij een te korte maximumleeftijd voor de zon. Niettemin leverden Kelvin en zijn collega’s een blijvende bijdrage aan de wetenschappen van de astronomie, de geologie en de biologie door vast te houden aan het principe dat geldige gevolgtrekkingen op alle onderzoeksterreinen in overeenstemming moeten zijn met de fundamentele wetten van de fysica.

We zullen nu enkele van de baanbrekende ontwikkelingen bespreken in het begrip van de wijze waarop kernmassa wordt gebruikt als brandstof voor sterren.

1 von Helmholtz en Mayer waren twee van de mede-ontdekkers van de wet van behoud van energie. Deze wet stelt dat energie kan worden omgezet van de ene vorm in de andere, maar dat de totale hoeveelheid altijd behouden blijft. Behoud van energie is een basisprincipe van de moderne natuurkunde dat wordt gebruikt bij de analyse van de allerkleinste (sub-atomaire) domeinen en de grootst bekende structuur (het heelal), en zowat alles daartussen. We zullen later zien dat Einsteins veralgemening van de wet van behoud van energie een sleutelingrediënt was in het begrijpen van de oorsprong van zonnestraling. De toepassing van behoud van energie op radioactiviteit onthulde het bestaan van neutrino’s.

Een glimp van een oplossing