The Nobel Prize The Nobel Prize Logo

Jak stare jest słońce? Jak świeci słońce? Te pytania są dwiema stronami tej samej monety, jak zobaczymy.

Prędkość, z jaką Słońce wypromieniowuje energię jest łatwo obliczalna przez użycie zmierzonej prędkości, z jaką energia dociera do powierzchni Ziemi i odległości między Ziemią a Słońcem. Całkowita energia, którą Słońce wypromieniowało w ciągu swojego życia jest w przybliżeniu iloczynem aktualnego tempa, w jakim energia jest emitowana, które jest nazywane jasnością słoneczną, i wieku Słońca.

Im starsze jest Słońce, tym większa jest całkowita ilość wypromieniowanej energii słonecznej. Im większa wypromieniowana energia, lub im większy wiek słońca, tym trudniej jest znaleźć wyjaśnienie źródła energii słonecznej.

Aby lepiej docenić, jak trudno jest znaleźć wyjaśnienie, rozważmy konkretną ilustrację ogromnej szybkości, z jaką słońce wypromieniowuje energię. Załóżmy, że umieścimy centymetr sześcienny lodu na zewnątrz w letni dzień w taki sposób, że wszystkie promienie słoneczne zostaną pochłonięte przez lód. Nawet przy dużej odległości między Ziemią a Słońcem, promienie słoneczne stopią kostkę lodu w ciągu około 40 minut. Ponieważ zdarzyłoby się to gdziekolwiek w kosmosie w odległości Ziemi od Słońca, ogromna sferyczna skorupa lodu skupiona na Słońcu i o średnicy 300 milionów kilometrów (200 milionów mil) zostałaby stopiona w tym samym czasie. Albo, kurcząc tę samą ilość lodu aż do powierzchni Słońca, możemy obliczyć, że obszar dziesięć tysięcy razy większy od powierzchni Ziemi i gruby na około pół kilometra (0,3 mili) również zostałby stopiony w ciągu 40 minut przez energię wylewającą się ze Słońca.

W tym rozdziale omówimy, jak dziewiętnastowieczni naukowcy próbowali określić źródło energii słonecznej, używając wieku słonecznego jako wskazówki.

Konfliktowe szacunki wieku słonecznego

Źródłem energii dla promieniowania słonecznego była według dziewiętnastowiecznych fizyków grawitacja. We wpływowym wykładzie z 1854 r. Hermann von Helmholtz, niemiecki profesor fizjologii, który stał się wybitnym naukowcem i profesorem fizyki, zaproponował, że źródłem ogromnej energii promieniowania słonecznego jest grawitacyjne kurczenie się dużej masy. Nieco wcześniej, w latach czterdziestych XIX wieku, J. R. Mayer (inny niemiecki lekarz) i J. J. Waterson również zasugerowali, że źródłem promieniowania słonecznego jest przemiana energii grawitacyjnej w ciepło.1

Biolodzy i geolodzy rozważali skutki promieniowania słonecznego, podczas gdy fizycy koncentrowali się na pochodzeniu promieniowanej energii. W 1859 r. Karol Darwin, w pierwszym wydaniu O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego, dokonał surowych obliczeń wieku Ziemi, szacując, ile czasu zajęłoby erozji zachodzącej w obecnie obserwowanym tempie wymycie Wealdu, wielkiej doliny, która rozciąga się między North i South Downs na południu Anglii. Uzyskał liczbę „denudacji Wealdu” w granicach 300 milionów lat, najwyraźniej wystarczająco długo, by dobór naturalny wytworzył zdumiewającą gamę gatunków, które istnieją na ziemi.

Jak podkreślił Herschel, ciepło słoneczne jest odpowiedzialne za życie i za większość geologicznej ewolucji na ziemi. Hence, Darwin’s estimate of a minimum age for geological activity on the earth implied a minimum estimate for the amount of energy that the sun has radiated.

Firmately opposed to Darwinian natural selection, William Thomson, later Lord Kelvin, was a professor at the University of Glasgow and one of the great physicists of the nineteenth century. Oprócz wielu zasług dla nauki stosowanej i inżynierii, Thomson sformułował drugie prawo termodynamiki i stworzył skalę temperatury bezwzględnej, którą później na jego cześć nazwano skalą Kelvina. Drugie prawo termodynamiki mówi, że ciepło naturalnie przepływa z ciała cieplejszego do zimniejszego, a nie odwrotnie. Thomson zdał sobie zatem sprawę, że słońce i ziemia muszą stawać się coraz zimniejsze, chyba że istnieje zewnętrzne źródło energii i że w końcu ziemia stanie się zbyt zimna, by utrzymać życie.

Kelvin, podobnie jak Helmholtz, był przekonany, że jasność słońca została wyprodukowana przez konwersję energii grawitacyjnej w ciepło. We wczesnej (1854) wersji tej idei Kelvin zasugerował, że ciepło Słońca może być wytwarzane w sposób ciągły przez uderzenia meteorów spadających na jego powierzchnię. Kelvin został zmuszony przez dowody astronomiczne do zmodyfikowania swojej hipotezy i twierdził, że podstawowym źródłem energii dostępnej dla Słońca jest energia grawitacyjna pierwotnych meteorów, z których zostało ono uformowane.

Tak więc, z wielkim autorytetem i elokwencją Lord Kelvin oświadczył w 1862 roku:

Że jakaś forma teorii meteorów jest z pewnością prawdziwym i kompletnym wyjaśnieniem ciepła słonecznego może być wątpliwa, gdy weźmie się pod uwagę następujące powody: (1) Żadne inne naturalne wyjaśnienie, z wyjątkiem działania chemicznego, nie może być pomyślane. (2) Teoria chemiczna jest zupełnie niewystarczająca, ponieważ najbardziej energiczne działanie chemiczne, jakie znamy, zachodzące między substancjami o masie równej całej masie Słońca, wytworzyłoby tylko około 3000 lat ciepła. (3) Nie ma żadnych trudności w obliczeniu 20 000 000 lat ciepła za pomocą teorii meteorycznej.

Kelvin kontynuował atakując bezpośrednio szacunki Darwina, pytając retorycznie:

Co zatem mamy myśleć o takich szacunkach geologicznych jak 300 000 000 lat dla „denudacji Wealdu”?

Wierząc, że Darwin mylił się w swoich szacunkach dotyczących wieku Ziemi, Kelvin wierzył również, że Darwin mylił się co do czasu dostępnego dla działania doboru naturalnego.

Lord Kelvin oszacował czas życia Słońca, a w konsekwencji Ziemi, w następujący sposób. On obliczać the grawitacyjny energia przedmiot z masa równy the słońce masa i promień równy the słońce promień i dzielić the rezultat the tempo przy którym the słońce wypromieniowywać daleko od energia. Ten obliczenie dać życie tylko 30 milion rok. The odpowiedni szacunek dla the życie utrzymywać przez chemiczny energia być dużo mniejszy ponieważ chemiczny proces uwalniać bardzo mały energia.

Kto być prawy?

Jak my właśnie widzieć, w the XIX wiek ty móc bardzo różny szacunek dla the wiek the słońce, w zależności od whom ty pytać. Wybitni fizycy teoretyczni twierdzili, opierając się na źródłach energii, które były znane w tamtym czasie, że słońce miało najwyżej kilkadziesiąt milionów lat. Wielu geologów i biologów doszło do wniosku, że Słońce musiało świecić przez co najmniej kilkaset milionów lat, aby można było wyjaśnić zmiany geologiczne i ewolucję istot żywych, z których obie zależą od energii słonecznej. W ten sposób wiek słońca i pochodzenie energii słonecznej były ważnymi pytaniami nie tylko dla fizyki i astronomii, ale także dla geologii i biologii.

Darwin był tak wstrząśnięty mocą analizy Kelvina i autorytetem jego teoretycznej wiedzy, że w ostatnich wydaniach O pochodzeniu gatunków wyeliminował wszelkie wzmianki o konkretnych skalach czasowych. Napisał w 1869 roku do Alfreda Russela Wallace’a, współodkrywcy doboru naturalnego, skarżąc się na Lorda Kelvina:

Poglądy Thomsona na temat ostatniego wieku świata były przez jakiś czas jednym z moich najdotkliwszych problemów.

Dziś wiemy, że Lord Kelvin się mylił, a geolodzy i biolodzy ewolucyjni mieli rację. Radioaktywne datowanie meteorytów pokazuje, że Słońce ma 4,6 miliarda lat.

Co było nie tak z analizą Kelvina? Analogia może pomóc. Załóżmy, że przyjaciel obserwował, jak korzystasz z komputera i próbował ustalić, jak długo komputer działa. Prawdopodobne oszacowanie mogłoby wynosić nie więcej niż kilka godzin, ponieważ jest to maksymalny czas, w którym bateria mogłaby dostarczyć wymaganą ilość energii. Wadą tej analizy jest założenie, że komputer jest koniecznie zasilany z baterii. Oszacowanie kilku godzin mogłoby być błędne, gdyby komputer był zasilany z gniazdka elektrycznego w ścianie. The założenie że bateria dostarczać the władza dla twój komputer być analogiczny Władyka Kelvin’s założenie że grawitacyjny energia zasilać the słońce.

Since dziewiętnasty wiek teoretyczny fizyk znać o the możliwość przekształcanie jądrowy masa w energia, obliczać maksymalny wiek dla the słońce który być zbyt krótki. Niemniej jednak Kelvin i jego koledzy wnieśli trwały wkład do nauk astronomicznych, geologicznych i biologicznych, kładąc nacisk na zasadę, że ważne wnioski we wszystkich dziedzinach badań muszą być zgodne z podstawowymi prawami fizyki.

Przedyskutujemy teraz niektóre z przełomowych osiągnięć w zrozumieniu, w jaki sposób masa jądrowa jest wykorzystywana jako paliwo dla gwiazd.

1 von Helmholtz i Mayer byli dwoma współodkrywcami prawa zachowania energii. Prawo to mówi, że energia może być przekształcana z jednej formy w inną, ale jej całkowita ilość jest zawsze zachowana. Zachowanie energii jest podstawową zasadą współczesnej fizyki, która jest wykorzystywana w analizie zarówno najmniejszych (subatomowych) domen, jak i największych znanych struktur (wszechświata) oraz wszystkiego pomiędzy nimi. Zobaczymy później, że Einsteinowskie uogólnienie prawa zachowania energii było kluczowym składnikiem w zrozumieniu pochodzenia promieniowania słonecznego. Zastosowanie prawa zachowania energii do radioaktywności ujawniło istnienie neutrin.

Widok rozwiązania

.