Zašto Sunce sija

Ako sam video dalje od ostalih,
bilo je to zato što sam stajao

na ramenima divova.
Isak Njutn

Nobelova nagrada za fiziku za 2002. godinu pripala je Rejmonu Dejvisu (87), Masatoši Košibi (76) i Rikardu Đakoniju (71). Prva dvojica nagrađena su za svoje rezultate na polju izučavanja fenomena Sunčevih neutrina, dok je treći naučnik nagradu dobio kao pionir u astronomiji X-zraka. Laicima ova štura novinska vest ne znači mnogo, ali ako kažemo da su Dejvis i Košiba nagradu dobili baveći se jednim od najstarijih pitanja čovečanstva („Šta je izvor Sunčeve energije?“), priča postaje mnogo zanimljivija.

Sve do XIX veka nije bilo pokušaja da se na naučno zasnovan način objasni zbog čega Sunce sija. Suncem kao nebeskim telom bavili su se jedino astrolozi, mitolozi, teolozi i ostala dogmatska (kvazi)inteligencija. O suncu kao izvoru života govori se tek 1833. godine u radovima čuvenog astronoma Džona Heršela: „Sunčevi zraci osnovni su uzrok praktično svakog kretanja koje se dešava na zemljinoj površini. Zahvaljujući njegovoj oživljujućoj snazi iz neorganske materije nastaju biljke, bez kojih nema ni životinja, ni ljudi, ni ogromne energije stavljene ljudima na raspolaganje u vidu naslaga uglja.“

Koliko je Sunce staro? I zbog čega sija? Heršel nije uspeo da definiše neki konkretan odgovor na ova dva večita pitanja, ali je prvi shvatio koliko su ona međusobno povezana. Količinu energije koju Sunce isijava relativno je lako odrediti merenjem intenziteta sunčeve svetlosti na zemljinoj površini, i to jednim vrlo jednostavnim eksperimentom (recimo, merenjem vremena za koje se istopi kocka leda pod dejstvom sunčeve svetlosti). Ako znamo koliko je Sunce staro, možemo da odredimo i koliko je energije ono ukupno do sada emitovalo u kosmos. Što je Sunce starije, potrebni su sve jači izvori energije kako bi održali njegov konstantan sjaj tokom sve dužeg vremenskog perioda.

KALVIN VS DARVIN: Zahvaljujući entuzijazmu jednog nemačkog profesora psihologije, a kasnije velikog fizičara, Hermana fon Helmholca, polovinom XIX veka uvrežilo se shvatanje da je Sunčevo zračenje posledica sažimanja njegove materije pod dejstvom gravitacionih sila. Međutim, glavni impuls ranom izučavanju prirode Sunčeve energije dao je, sasvim neočekivano, Čarls Darvin, autor ideje o evolutivnom nastanku i razvoju živog sveta na Zemlji. Darvin je bio svestan da je za evoluciju potrebno veoma dugo vreme, pa je u svom čuvenom delu O nastanku vrsta prirodnom selekcijom pokušao da odredi neke konkretne cifre. Posmatrajući brzinu erozije jedne doline u južnoj Engleskoj, Darvin je izračunao da će prirodi biti potrebno oko 300 miliona godina da je potpuno izbriše sa lica zemlje, dovoljno sporo i za najsporije evolutivne procese. Darvin je time učinio veliki naučni iskorak: procene o starosti sveta koje su davali proučavaoci Biblije i drugih starih knjiga merile su se tričavim hiljadama godina. Darvin je bio prvi koji je na naučno zasnovan način potvrdio da Zemlja, a samim tim i Sunce moraju biti mnogo, mnogo stariji.

Darvinova procena unela je veliku nelagodnost među astronome: ako je Sunce zaista toliko staro, onda je još teže objasniti šta je uzrok njegove ogromne snage na tako duge staze. U raspravu se uključio i lord Kelvin, čuveni fizičar koji je formulisao drugi zakon termodinamike i formirao apsolutnu temperaturnu skalu. Kelvin je bio veliki Darvinov protivnik i odmah je osporio njegovu procenu brzine geoloških procesa. Kelvin doduše priznaje da nikakva hemijska reakcija ne može biti izvor Sunčeve svetlosti s obzirom na to da „čak ni najžešća reakcija supstanci u količini ravnoj Sunčevoj masi ne bi potrajala duže od 3000 godina“. Kao izvor Sunčeve energije Kelvin, kao i njegovi prethodnici, u prvo vreme označava gravitacionu energiju Sunčeve mase. Međutim, pritisnut astronomskim dokazima iz kojih sledi da ovako osmotrena gravitaciona energija ne bi potrajala dovoljno dugo, Kelvin 1862. godine modifikuje svoju teoriju i s velikom ubedljivošću i elokvencijom tvrdi da Sunčeva energija nastaje kao plod udara bezbrojnih meteorita o Sunčevu površinu. S obzirom na to da je kosmos praktično neiscrpan resurs meteorita, Kelvin je smatrao da je na ovaj način objasnio izvor Sunčevog zračenja tokom oko 20 miliona godina. „Ko smo mi“, pita Kelvin, „pa da, kao Darvin, tvrdimo da nešto može da traje 300 miliona godina?“

Kelvin je bio toliko cenjen, rečit i uverljiv da je Darvin teško podneo osporavanje svoje teorije. Danas, međutim, znamo da je Darvin bio vrlo blizu istine, a da je Kelvin bio u zabludi: metodom radioaktivnog datiranja meteorita utvrđeno je da je naša planeta stara oko 4,6 milijardi godina, a Sunce i svih pet.

Gde leži uzrok greške lorda Kelvina? Jednostavno, u njegovo vreme nije se znalo praktično ništa o nuklearnim silama i procesima na subatomskom nivou. Bez dovoljno uporišta u naučnim saznanjima, lord Kelvin je posegao za smelom spekulacijom. Pa ipak, i Kelvin i Darvin zaslužuju priznanje kao naučnici koji su shvatili da sve naučne teorije, bile one fizičke, biološke, istorijske ili matematičke, moraju biti međusobno neprotivrečne.

E = mc²: Do pravog proboja u izučavanju porekla Sunčeve energije došlo je tek 1896. godine, kada je Anri Bekerel otkrio fenomen prirodne radioaktivnosti. U jednoj fioci Bekerel je slučajno ostavio uranijumske uzorke preko fotografskih ploča umotanih u crnu hartiju. Nekoliko dana kasnije zaprepašćeno je utvrdio da su ploče osvetljene i da se na njima nalaze izvrsni snimci uranijumskih kristala. Njegov pronalazak dobio je na značaju 1903. godine kada je Pjer Kiri utvrdio da neke radioaktivne radijumove soli imaju temperaturu višu od temperature okoline i samim tim predstavljaju postojan izvor toplotne energije. Darvin je među prvima prihvatio teoriju da radioaktivni procesi mogu biti izvor Sunčeve energije. Za uzvrat, mnogi fizičari su (poput Ernsta Radeforda koji je prvi izmerio energiju alfa-čestica) podržali Darvina smatrajući da radioaktivnost može da bude postojan izvor Sunčeve energije tokom dugog vremenskog perioda potrebnog za odigravanje prirodne evolucije.

Astronomi i astrofizičari ponovo su okrenuli svoje instrumente ka Suncu i sa žaljenjem utvrdili da tamo ima vrlo malo radioaktivnih materija. Sunce je, kao i čitav kosmos, uglavnom sačinjeno od lakih, stabilnih elemenata: vodonika i helijuma. Napretka nije bilo sve dok 1905. godine Albert Ajnštajn nije formulisao svoju čuvenu relaciju koja povezuje masu i energiju: E=mc2. Jednostavno rečeno, Ajnštajn je pokazao da su masa i energija samo dva različita vida postojanja materije i da se vrlo mala masa može konvertovati u ogromnu količinu energije. Drugi ključni proboj napravio je F. W. Aston, koji je preciznim eksperimentom utvrdio da je masa četiri atoma vodonika nešto veća od mase jednog atoma helijuma.

Ove dve činjenice povezao je u jednu briljantni engleski astrofizičar ser Artur Edington 1920. godine. Po njemu, izvor Sunčeve energije mogao bi biti proces fuzije (spajanja) četiri atoma vodonika u jedan atom helijuma. S obzirom na to da je masa materije na početku procesa fuzije veća od mase na kraju, nedostajuća masa manifestovala bi se, shodno Ajnštajnovoj relaciji, kao energija Sunčevog zračenja. Po Edingtonu, konverzija svega 0,7 odsto mase Sunca u energiju dovoljna je da mu obezbedi neumanjen sjaj tokom najmanje 100 milijardi godina. Edington je prvi shvatio kakav se strašan potencijal krije u energiji fuzije i predvideo da, pod uslovom da je u pravu, ova energija može biti iskorišćena „na dobrobit čovečanstva, ali i za njegovo samoubistvo“. Kada je Edvard Teler konstruisao prvu fuzionu (hidrogensku) bombu, Edingtonova upozorenja postala su sasvim realistična.

ENERGIJA SAMOUBISTVA: U prvo vreme nije bilo lako podržati Edingtonovu teoriju. Svaki atom vodonika u svom središtu ima jedan pozitivno naelektrisani proton. Da bi došlo do fuzije, potrebno je da se spoje četiri čestice istog naelektrisanja, i pored toga što tradicionalna fizika tvrdi da se čestice istog naelektrisanja međusobno odbijaju. Tek je razvoj kvantne mehanike pokazao da je ovaj proces moguć na visokim pritiscima i temperaturama (Gamov 1928. godine, Vajczeker 1938. i drugi) da bi u aprilu 1938. godine čitavu teoriju zaokružio genijalni nuklearni fizičar Hans Bete. On je matematički dokazao da se energija zvezde generiše kontrolisanom termonuklearnom fuzijom u njenom središtu na dva povezana načina: konverzijom vodonika u helijum (na zvezdama poput Sunca) i konverzijom helijuma u teže elemente (tzv. CNO ciklus) korišćenjem ugljenika kao katalizatora (na masivnijim zvezdama). Bete je prvi predvideo temperaturu Sunčevog jezgra sa greškom manjom od 20 odsto u odnosu na vrednost za koju se danas veruje da je tačna (16 miliona stepeni) i utvrdio vezu koja postoji između veličine i sjaja zvezde.

Beteov rad zahtevao je eksperimentalnu proveru. Kako uopšte proveriti hipotezu o tome šta se zbiva duboko u Suncu milionima kilometara daleko od Zemlje? Svetlosti stvorenoj u Sunčevom jezgru potrebno je oko deset miliona godina pre nego što se dočepa Sunčeve površine, odnosno pre nego što možemo da je opazimo sa Zemlje. Čak i tada ona malo govori o tome šta se zaista zbiva u nedostupnoj unutrašnjosti. Međutim, način je ipak postojao: ako je teorija o konverziji vodonika u helijum tačna, onda bi ovaj nuklearni proces morao da generiše poplavu vrlo neobičnih čestica – neutrina.

Postojanje neutrina prvi je predvideo Volfgang Pauli 1930. godine koji će 1945. godine za to dobiti Nobelovu nagradu. Eksperimentalno ih je detektovao Frederik Rajns tek 1955. godine i za taj eksperiment takođe dobio „Nobela“ 1995. Neutrino je praktično neuhvatljiv: on prolazi kroz „običnu“ materiju s neverovatnom lakoćom. Ako postavite čitavu Zemljinu kuglu na put jednom neutrinu, imaćete šansu manju od 1:1.000.000.000.000 da ga zaustavite. S druge strane, neutrini su vrlo brojni: dok ste pročitali prethodnu rečenicu, kroz nokat na vašem palcu prošlo je više od 100 milijardi neutrina a da to niste ni primetili. Neutrino će kroz čelik prevaliti put koji prevali svetlost kroz prazan prostor za sto godina. Međutim, bez hvatanja neutrina generisanih na Suncu nema ni ključnog dokaza da je teorija o fuzionom poreklu Sunčeve energije tačna.

Godine 1964. Rejmon Dejvis, ovogodišnji dobitnik Nobelove nagrade, i Džon Bakol predložili su eksperiment za hvatanje solarnih neutrina pomoću podzemnog rezervoara od 100.000 galona perhloretilena (koristi se za hemijsko čišćenje odeće). Ovaj fluid sadrži hlor koji u vrlo retkim prilikama reaguje s neutrinom i proizvodi atom radioaktivnog argona. Raspad argona moguće je detektovati snopom superosetljivih kamera, kako je Dejvis to ranije već pokazao. Koliko je sâm eksperiment bio „pipav“ neka ilustruje činjenica da je pred naučnicima bio zadatak da ulove svega desetak atoma argona tokom nedelju dana u prostoru veličine olimpijskog bazena.

USRED MRAKA: Dejvis je eksperiment koji će mu mnogo kasnije doneti najprestižniju svetsku nagradu izveo 1968. godine, koristeći 1500 metara duboko okno napuštenog rudnika zlata. Postojanje solarnih neutrina bilo je konačno dokazano, iako ih je bilo dva-tri puta manje nego što je teorija predviđala. Tokom 30 narednih godina, Dejvis će uhvatiti svega 2000 neutrina – bio je to pravi Sizifov posao! Kasniji ponovljeni eksperimenti i preciznija merenja samo su istakli ovu razliku, iako nijedan fizičar tokom dvadeset narednih godina nije osporio tačnost teorijskih predviđanja ili eksperimentalnih rezultata. Vremenom je ovaj paradoks formulisan kao problem „nedostajućih neutrina“.

Konačnu presudu doneo je takozvani Kamiokande eksperiment, koji su 1986. godine izveli Masatoši Košiba, drugi ovogodišnji laureat Nobelove nagrade za fiziku, Joji Tocuoka, Judžin Beler i Alfred Man. Upotrebili su ogroman vodeni rezervoar napravljen za izučavanje stabilnosti materije prepravljen tako da se njegova supersenzitivna oprema može upotrebiti za detekciju neutrina. Rezervoar se nalazio milju duboko unutar jednog starog rudnika cinka u Japanskim Alpima. Košiba je prvo teorijski a zatim i eksperimentalno dokazao da neutrini u interakciji s vodom oslobađaju elektrone koji se mogu detektovati sistemom fotomultiplikatora. Košiba je razvio i metod kojim se solarni neutrini mogu razlikovati od onih koji potiču sa drugih zvezda, nešto što Dejvis ranije nije mogao. I ovoga puta je broj detektovanih neutrina bio manji od očekivanih. Slične rezultate potvrdili su eksperimenti u Rusiji (Sage), Italiji (Gallex i Gno) i još jednom u Japanu (Super–Kamiokande).

Dakle, znamo li danas zašto Sunce sija ili ne? I pored nesuglasica između teorije i eksperimenta, postoje značajni pokušaji da se razlika između teorije i eksperimenta naučno objasni. Prema modelu iz 1968. godine dvojice ruskih naučnika Gribova i Pontekorva, može biti da neutrino ima suviše „nestabilnu ličnost“ da bi mogao da bude uhvaćen u očekivanom broju. Oni smatraju da se u unutrašnjosti Sunca generišu neutrini koji nisu međusobno identični, već imaju tri različita stanja i mase. Putujući prema Zemlji, neutrino osciluje između stanja u kome ga je lako detektovati i jednog u kome je njegova detekcija praktično nemoguća. Ono što je izmereno u eksperimentu zapravo je trag samo onih neutrina koji su u trenutku prolaska kroz rezervoare bili u stanju koje omogućava njihovu detekciju. Otuda verovatno i potiče razlika između teorije i eksperimenta. Ovu pretpostavku verifikovao je japanski Super-Kamiokande tim na atmosferskim neutrinima proisteklim iz kosmičkog zračenja. Međutim, ni danas tačno ne znamo šta uzrokuje nestabilnu prirodu solarnih neutrina. Nekoliko velikih eksperimenata u toku je u Italiji, Kanadi, Japanu, Rusiji i SAD i neće biti nikakvo čudo ako Sunce nekom ponovo donese Nobelovu nagradu za fiziku.

Dejvis i Košiba su vest o nagradi dočekali sa urođenom skromnošću. Košiba je izjavio da je „vrlo srećan“ i izvinio se novinarima što ga je vest zatekla neprikladno odevenog, dok je Dejvis, oboleo od Alchajmerove bolesti, rekao da nagradu nije očekivao ali je sa entuzijazmom pričao o svom rezervoaru duboko pod zemljom i hlebu koji je sam mesio u rudniku tokom eksperimenta. Iako u prošlosti često nije bilo saglasnosti oko dodele Nobelove nagrade od samog trenutka saopštavanja imena laureata, ove godine svi se slažu da je nagrada, iako s velikim zakašnjenjem, ipak otišla u prave ruke.