Premiul Nobel Logo-ul Premiului Nobel

Câți ani are soarele? Cum strălucește soarele? Aceste întrebări sunt două fețe ale aceleiași monede, după cum vom vedea.

Rapiditatea cu care soarele radiază energie este ușor de calculat folosind rata măsurată cu care energia ajunge la suprafața pământului și distanța dintre pământ și soare. Energia totală pe care soarele a radiat-o de-a lungul vieții sale este aproximativ produsul dintre rata actuală la care este emisă energia, care se numește luminozitate solară, și vârsta soarelui.

Cu cât soarele este mai bătrân, cu atât mai mare este cantitatea totală de energie solară radiată. Cu cât este mai mare energia radiată, sau cu cât este mai mare vârsta soarelui, cu atât este mai dificil de găsit o explicație a sursei energiei solare.

Pentru a aprecia mai bine cât de dificil este de găsit o explicație, să luăm în considerare o ilustrare specifică a ratei enorme cu care soarele radiază energie. Să presupunem că punem un centimetru cub de gheață afară, într-o zi de vară, în așa fel încât toată lumina soarelui să fie absorbită de gheață. Chiar și la distanța mare dintre Pământ și Soare, razele solare vor topi cubul de gheață în aproximativ 40 de minute. Având în vedere că acest lucru s-ar întâmpla oriunde în spațiu la distanța Pământului față de Soare, o imensă coajă sferică de gheață centrată pe Soare și cu un diametru de 300 de milioane de km (200 de milioane de mile) ar fi topită în același timp. Sau, micșorând aceeași cantitate de gheață până la suprafața soarelui, putem calcula că o suprafață de zece mii de ori mai mare decât suprafața pământului și cu o grosime de aproximativ o jumătate de kilometru (0,3 mile) ar fi, de asemenea, topită în 40 de minute de energia care se revarsă din soare.

În această secțiune, vom discuta despre modul în care oamenii de știință din secolul al XIX-lea au încercat să determine sursa energiei solare, folosind ca indiciu vârsta solară.

Stimări contradictorii ale vârstei solare

Fizicienii din secolul al XIX-lea credeau că sursa de energie pentru radiația solară este gravitația. Într-o conferință influentă din 1854, Hermann von Helmholtz, un profesor german de fiziologie care a devenit un distins cercetător și profesor de fizică, a propus că originea energiei enorme radiate de soare este contracția gravitațională a unei mase mari. Ceva mai devreme, în anii 1840, J. R. Mayer (un alt medic german) și J. J. Waterson sugeraseră, de asemenea, că originea radiației solare este conversia energiei gravitaționale în căldură.1

Biologii și geologii au luat în considerare efectele radiației solare, în timp ce fizicienii s-au concentrat asupra originii energiei radiate. În 1859, Charles Darwin, în prima ediție a lucrării „Despre originea speciilor prin selecție naturală”, a făcut un calcul rudimentar al vârstei Pământului, estimând cât timp i-ar lua eroziunii care se produce în ritmul observat în prezent pentru a spăla Wealdul, o mare vale care se întinde între North Downs și South Downs în sudul Angliei. El a obținut o cifră pentru „denudarea Wealdului” de ordinul a 300 de milioane de ani, aparent suficient de mult timp pentru ca selecția naturală să fi produs uimitoarea gamă de specii care există pe Pământ.

Cum a subliniat Herschel, căldura soarelui este responsabilă pentru viață și pentru cea mai mare parte a evoluției geologice de pe Pământ. Prin urmare, estimarea de către Darwin a unei vârste minime pentru activitatea geologică pe pământ a implicat o estimare minimă a cantității de energie pe care soarele a radiat-o.

Opotrivindu-se ferm selecției naturale darwiniste, William Thomson, mai târziu Lord Kelvin, a fost profesor la Universitatea din Glasgow și unul dintre marii fizicieni ai secolului al XIX-lea. Pe lângă numeroasele sale contribuții în domeniul științelor aplicate și al ingineriei, Thomson a formulat a doua lege a termodinamicii și a stabilit scara temperaturii absolute, care a fost numită ulterior scara Kelvin în onoarea sa. A doua lege a termodinamicii afirmă că căldura curge în mod natural de la un corp mai cald la un corp mai rece, și nu invers. Prin urmare, Thomson și-a dat seama că soarele și Pământul trebuie să se răcească dacă nu există o sursă de energie externă și că, în cele din urmă, Pământul va deveni prea rece pentru a susține viața.

Kelvin, ca și Helmholtz, era convins că luminozitatea soarelui era produsă prin transformarea energiei gravitaționale în căldură. Într-o versiune timpurie (1854) a acestei idei, Kelvin a sugerat că căldura soarelui ar putea fi produsă în mod continuu de impactul meteoriților care cad pe suprafața sa. Kelvin a fost forțat de dovezile astronomice să-și modifice ipoteza și a susținut atunci că sursa primară a energiei de care dispune soarele era energia gravitațională a meteoriților primordiali din care s-a format.

Astfel, cu mare autoritate și elocvență, Lordul Kelvin a declarat în 1862:

Că o anumită formă a teoriei meteorice este cu siguranță explicația adevărată și completă a căldurii solare poate fi cu greu pusă la îndoială, atunci când sunt luate în considerare următoarele motive: (1) Nu poate fi concepută nicio altă explicație naturală, cu excepția acțiunii chimice. (2) Teoria chimică este cu totul insuficientă, deoarece cea mai energică acțiune chimică pe care o cunoaștem, care ar avea loc între substanțe care însumează întreaga masă a soarelui, nu ar genera decât aproximativ 3.000 de ani de căldură. (3) Nu există nici o dificultate în a contabiliza 20.000.000 de ani de căldură prin teoria meteorică.

Kelvin a continuat prin a ataca direct estimarea lui Darwin, întrebând retoric:

Ce să credem atunci despre astfel de estimări geologice precum 300.000.000 de ani pentru „denudarea Weald-ului”?

Crezând că Darwin s-a înșelat în estimarea vârstei Pământului, Kelvin a crezut, de asemenea, că Darwin s-a înșelat în ceea ce privește timpul disponibil pentru ca selecția naturală să acționeze.

Lord Kelvin a estimat durata de viață a Soarelui, și implicit a Pământului, după cum urmează. El a calculat energia gravitațională a unui obiect cu o masă egală cu masa soarelui și o rază egală cu raza soarelui și a împărțit rezultatul la rata cu care soarele radiază energie. Acest calcul a dus la o durată de viață de numai 30 de milioane de ani. Estimarea corespunzătoare pentru durata de viață susținută de energia chimică a fost mult mai mică, deoarece procesele chimice eliberează foarte puțină energie.

Cine a avut dreptate?

După cum tocmai am văzut, în secolul al XIX-lea puteai obține estimări foarte diferite pentru vârsta soarelui, în funcție de persoana pe care o întrebai. Fizicieni teoreticieni proeminenți susțineau, pe baza surselor de energie care erau cunoscute la acea vreme, că soarele avea cel mult câteva zeci de milioane de ani. Mulți geologi și biologi au ajuns la concluzia că soarele trebuie să strălucească de cel puțin câteva sute de milioane de ani, pentru a explica schimbările geologice și evoluția organismelor vii, ambele depinzând în mod critic de energia solară. Astfel, vârsta soarelui și originea energiei solare erau chestiuni importante nu numai pentru fizică și astronomie, ci și pentru geologie și biologie.

Darwin a fost atât de zguduit de puterea analizei lui Kelvin și de autoritatea expertizei sale teoretice, încât în ultimele ediții ale lucrării Despre originea speciilor a eliminat orice mențiune despre scări de timp specifice. El i-a scris în 1869 lui Alfred Russel Wallace, co-dezvăluitorul selecției naturale, plângându-se de Lordul Kelvin:

Potrivirile lui Thomson cu privire la vârsta recentă a lumii au fost de ceva timp una dintre cele mai dureroase probleme ale mele.

Astăzi știm că Lordul Kelvin s-a înșelat, iar geologii și biologii evoluționiști au avut dreptate. Datarea radioactivă a meteoriților arată că soarele are o vechime de 4,6 miliarde de ani.

Ce a fost greșit în analiza lui Kelvin? O analogie poate fi de ajutor. Să presupunem că un prieten v-a observat folosindu-vă calculatorul și a încercat să își dea seama de cât timp funcționează calculatorul. O estimare plauzibilă ar putea fi nu mai mult de câteva ore, deoarece aceasta este durata maximă de timp în care o baterie ar putea furniza cantitatea necesară de energie. Defectul acestei analize este presupunerea că computerul dumneavoastră este în mod necesar alimentat de o baterie. Estimarea de câteva ore ar putea fi greșită în cazul în care calculatorul dumneavoastră ar funcționa de la o priză electrică din perete. Presupunerea că o baterie furnizează energia pentru computerul dumneavoastră este analogă cu presupunerea lui Lord Kelvin că energia gravitațională alimentează soarele.

Din moment ce fizicienii teoreticieni din secolul al XIX-lea nu cunoșteau posibilitatea de a transforma masa nucleară în energie, ei au calculat o vârstă maximă pentru soare care era prea scurtă. Cu toate acestea, Kelvin și colegii săi au adus o contribuție de durată la științele astronomiei, geologiei și biologiei, insistând asupra principiului că inferențele valide în toate domeniile de cercetare trebuie să fie în concordanță cu legile fundamentale ale fizicii.

În continuare vom discuta unele dintre evoluțiile de referință în înțelegerea modului în care masa nucleară este folosită ca și combustibil pentru stele.

1 von Helmholtz și Mayer au fost doi dintre co-dezvăluitorii legii conservării energiei. Această lege afirmă că energia poate fi transformată dintr-o formă în alta, dar cantitatea totală se păstrează întotdeauna. Conservarea energiei este un principiu de bază al fizicii moderne, care este utilizat în analiza celor mai mici domenii (subatomice) și a celei mai mari structuri cunoscute (universul), precum și a aproape tot ceea ce se află între ele. Vom vedea mai târziu că generalizarea de către Einstein a legii conservării energiei a fost un ingredient cheie în înțelegerea originii radiației solare. Aplicarea conservării energiei la radioactivitate a dezvăluit existența neutrinilor.

Un crâmpei de soluție

.