Nobelpriset Nobelprisets logotyp

Hur gammal är solen? Hur lyser solen? Dessa frågor är två sidor av samma mynt, som vi ska se.

Hastigheten med vilken solen utstrålar energi kan enkelt beräknas med hjälp av den uppmätta hastigheten med vilken energin når jordens yta och avståndet mellan jorden och solen. Den totala energi som solen har strålat bort under sin livstid är ungefär produkten av den aktuella hastigheten med vilken energi avges, som kallas solens luminositet, gånger solens ålder.

Jo äldre solen är, desto större är den totala mängden utstrålad solenergi. Ju större den utstrålade energin är, eller ju större solens ålder är, desto svårare är det att hitta en förklaring till källan till solenergin.

För att bättre förstå hur svårt det är att hitta en förklaring, låt oss betrakta en specifik illustration av den enorma hastighet med vilken solen utstrålar energi. Anta att vi ställer en kubikcentimeter is utomhus en sommardag på ett sådant sätt att allt solsken absorberas av isen. Även på det stora avståndet mellan jorden och solen kommer solskenet att smälta iskuberna på cirka 40 minuter. Eftersom detta skulle ske var som helst i rymden på jordens avstånd från solen, skulle ett enormt sfäriskt skal av is centrerat kring solen och med en diameter på 300 miljoner km (200 miljoner miles) smälta på samma gång. Om vi krymper samma mängd is ner till solens yta kan vi beräkna att ett område som är tio tusen gånger större än jordens yta och ungefär en halv kilometer tjockt också skulle smältas på 40 minuter av den energi som strömmar ut från solen.

I det här avsnittet ska vi diskutera hur 1800-talets vetenskapsmän försökte fastställa källan till solenergin, med solåldern som ledtråd.

Konflikterande uppskattningar av solåldern

Energikällan till solstrålning trodde 1800-talets fysiker att gravitationen var energikällan. I en inflytelserik föreläsning 1854 föreslog Hermann von Helmholtz, en tysk professor i fysiologi som blev en framstående forskare och fysikprofessor, att ursprunget till solens enorma strålningsenergi är gravitationskontraktion av en stor massa. Något tidigare, på 1840-talet, hade J. R. Mayer (en annan tysk läkare) och J. J. Waterson också föreslagit att solstrålningens ursprung är omvandlingen av gravitationsenergi till värme.1

Biologer och geologer funderade på solstrålningens effekter, medan fysikerna koncentrerade sig på den utstrålade energins ursprung. År 1859 gjorde Charles Darwin i den första upplagan av On The Origin of the Species by Natural Selection en grov beräkning av jordens ålder genom att uppskatta hur lång tid det skulle ta för erosion, som sker i den nuvarande observerade takten, att skölja bort Weald, en stor dal som sträcker sig mellan North Downs och South Downs över södra England. Han fick fram en siffra för ”denudationen av Weald” i storleksordningen 300 miljoner år, uppenbarligen tillräckligt lång tid för att det naturliga urvalet skulle ha gett upphov till det häpnadsväckande utbudet av arter som finns på jorden.

Som Herschel betonade är det solens värme som är ansvarig för livet och för den största delen av den geologiska utvecklingen på jorden. Därför innebar Darwins uppskattning av en lägsta ålder för den geologiska aktiviteten på jorden en lägsta uppskattning av mängden energi som solen har strålat ut.

En bestämd motståndare till Darwins naturliga urval var William Thomson, senare Lord Kelvin, som var professor vid universitetet i Glasgow och en av de stora fysikerna under 1800-talet. Förutom sina många bidrag till tillämpad vetenskap och teknik formulerade Thomson termodynamikens andra lag och upprättade den absoluta temperaturskalan, som senare fick namnet Kelvinskalan till hans ära. Enligt termodynamikens andra lag flödar värme naturligt från en varmare till en kallare kropp, inte tvärtom. Thomson insåg därför att solen och jorden måste bli kallare om det inte finns en extern energikälla och att jorden så småningom kommer att bli för kall för att stödja liv.

Kelvin var i likhet med Helmholtz övertygad om att solens ljusstyrka producerades genom omvandling av gravitationsenergi till värme. I en tidig (1854) version av denna idé föreslog Kelvin att solens värme skulle kunna produceras kontinuerligt genom nedslaget av meteorer som faller på dess yta. Kelvin tvingades av astronomiska bevis att modifiera sin hypotes och han hävdade då att den primära källan till den energi som var tillgänglig för solen var gravitationsenergin från de primordiala meteorer ur vilka den bildades.

Med stor auktoritet och vältalighet förklarade Lord Kelvin 1862:

Det faktum att någon form av meteorteorin säkerligen är den sanna och fullständiga förklaringen till solens värme kan knappast ifrågasättas, när man beaktar följande skäl: (1) Det går inte att tänka sig någon annan naturlig förklaring än kemisk verkan. (2) Den kemiska teorin är helt otillräcklig, eftersom den mest energiska kemiska verkan vi känner till, som äger rum mellan ämnen som uppgår till hela solens massa, endast skulle generera cirka 3 000 års värme. (3) Det finns inga svårigheter att redovisa 20 000 000 års värme med hjälp av den meteoriska teorin.

Kelvin fortsatte med att angripa Darwins uppskattning direkt och frågade retoriskt:

Vad ska vi då tycka om sådana geologiska uppskattningar som 300 000 000 år för ”denudation of the Weald”?

Med tanke på att Darwin hade fel i sin uppskattning av jordens ålder, trodde Kelvin också att Darwin hade fel när det gällde den tid som fanns tillgänglig för det naturliga urvalet att verka.

Lord Kelvin uppskattade solens livslängd, och därmed jordens, på följande sätt. Han beräknade gravitationsenergin hos ett föremål med en massa som är lika stor som solens massa och en radie som är lika stor som solens radie och dividerade resultatet med den hastighet med vilken solen strålar bort energi. Denna beräkning gav en livslängd på endast 30 miljoner år. Motsvarande uppskattning för den livslängd som kan upprätthållas av kemisk energi var mycket mindre eftersom kemiska processer avger mycket lite energi.

Vem hade rätt?

Som vi just har sett kunde man på 1800-talet få mycket olika uppskattningar av solens ålder, beroende på vem man frågade. Framstående teoretiska fysiker hävdade, baserat på de energikällor som var kända vid den tiden, att solen var högst några tiotals miljoner år gammal. Många geologer och biologer drog slutsatsen att solen måste ha lyst i minst flera hundra miljoner år för att förklara de geologiska förändringarna och utvecklingen av levande varelser, som båda är kritiskt beroende av energi från solen. Solens ålder och solenergins ursprung var således viktiga frågor inte bara för fysik och astronomi utan även för geologi och biologi.

Darwin blev så skakad av kraften i Kelvins analys och av auktoriteten i hans teoretiska expertis att han i de sista upplagorna av On The Origin of the Species tog bort alla omnämnanden av specifika tidsskalor. Han skrev 1869 till Alfred Russel Wallace, medupptäckaren av det naturliga urvalet, och klagade över Lord Kelvin:

Thomsons åsikter om världens senaste ålder har under en längre tid varit ett av mina värsta bekymmer.

I dag vet vi att Lord Kelvin hade fel och att geologerna och evolutionsbiologerna hade rätt. Radioaktiv datering av meteoriter visar att solen är 4,6 miljarder år gammal.

Vad var fel med Kelvins analys? En analogi kan vara till hjälp. Anta att en vän observerade dig när du använde din dator och försökte räkna ut hur länge datorn hade fungerat. En rimlig uppskattning skulle kunna vara högst några timmar, eftersom det är den maximala tid under vilken ett batteri kan leverera den nödvändiga mängden ström. Felet i denna analys är antagandet att datorn nödvändigtvis drivs av ett batteri. Uppskattningen på några timmar kan vara felaktig om datorn drivs från ett eluttag i väggen. Antagandet att ett batteri levererar ström till din dator är analogt med Lord Kelvins antagande att gravitationsenergi driver solen.

Då 1800-talets teoretiska fysiker inte kände till möjligheten att omvandla kärnmassa till energi, beräknade de en maximal ålder för solen som var för kort. Trots detta gjorde Kelvin och hans kollegor ett bestående bidrag till vetenskaperna astronomi, geologi och biologi genom att insistera på principen att giltiga slutsatser inom alla forskningsområden måste vara förenliga med fysikens grundläggande lagar.

Vi kommer nu att diskutera några av de banbrytande utvecklingar som skett när det gäller förståelsen av hur kärnmassan används som bränsle för stjärnor.

1 von Helmholtz och Mayer var två av de medupptäckare som var med och upptäckte lagen om bevarandet av energi. Denna lag säger att energi kan omvandlas från en form till en annan men att den totala mängden alltid bevaras. Energins bevarande är en grundläggande princip i modern fysik som används för att analysera de allra minsta (subatomära) områdena och den största kända strukturen (universum), och i stort sett allt däremellan. Vi ska senare se att Einsteins generalisering av lagen om energins bevarande var en viktig ingrediens för att förstå solstrålningens ursprung. Tillämpningen av bevarandet av energi på radioaktivitet avslöjade existensen av neutriner.

En glimt av en lösning