Zašto Sunce sija

Sve do 19. 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 “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”.

foto: wikipedia.org

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. 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.

Zahvaljujući entuzijazmu jednog nemačkog profesora psihologije, a kasnije velikog fizičara, Hermana fon Helmholca, polovinom 19. 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 brojke. Posmatrajući brzinu erozije jedne doline u južnoj Engleskoj, Darvin je izračunao da će prirodi biti potrebno bar 300 miliona godina da je potpuno izbriše sa lica zemlje, što je dovoljno sporo čak i za najsporije evolutivne procese.

Darvinova procena unela je veliku nelagodnost među astronome: ako se starost Zemlje zaista meri stotinama miliona godina, Sunca mora biti još starije. Ako je Sunce zaista toliko staro, onda je još teže objasniti šta je uzrok njegove ogromne snage. 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 Helmholc, u prvo vreme ističe 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, otprilike, 20 miliona godina. “Ko smo mi”, pita Kelvin, “pa da, kao Darvin, tvrdimo da nešto može da traje 300 miliona godina?”

Nakon otkrića radioaktivnosti, Darvin je pokušao da uzvrati udarac tvrdeći da Sunce svoju energiju duguje radioaktivnim procesima koji se zbivaju u njegovoj unutrašnjosti. Podržali su ga i mnogi fizičari, poput Ernsta Radeforda koji je prvi izmerio energiju alfa-čestica. Međutim, kada su astronomi ponovo okrenuli svoje instrumente ka Suncu, utvrdili su 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 do 1905. godine kada je Ajnštajn pokazao da su masa i energija samo dva različita oblika postojanja materije. Drugi ključni proboj napravio je F. V. 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 celinu briljantni engleski astrofizičar Artur Edington 1920. godine. Prema 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 Sunčevih zraka. Po Edingtonovom mišljenju, 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 samo su dobila na težini.

Do ključnog prodora došlo je kada se Hans Bete, mlad i talentovan nemački naučnik, bežeći od nacista zbog svog jevrejskog porekla, preselio u Ameriku 1935. godine. Dobio je posao na Univerzitetu Kornel, koji je u to vreme imao ambiciju da stvori tim vrhunskih nuklearnih fizičara. Bete u početku nije bio mnogo zainteresovan za pitanje izvora Sunčeve energije ali je, zaintrigiran delimičnim rezultatima koji su bili prezentovani na Četvrtoj godišnjoj konferenciji fizičara 1938. godine, odmah prionuo na posao, da bi do kraja konferencije već imao nacrt kompletne teorije koju će kasnije objaviti u dva revolucionarna naučna rada. U tim radovima, Bete je matematički dokazao da nuklearna fuzija u Sunčevom jezgru zaista predstavlja izvor njegove energije. On je i prvi procenio uslove u Sunčevom jezgru: danas znamo da temperatura u njemu iznosi 15,7 miliona kelvina, a da je pritisak čak 100 milijardi puta veći od onog na površini Zemlje.

Beteova teorija kasnije je i eksperimentalno potvrđena, kada su na Zemlji detektovani solarni neutrini emitovani tokom procesa fuzije (njihov broj i prirodu prvi su objasnili Rejmond Dejvis i Masatoši Košiba, koji će za to dobiti i Nobelovu nagradu 2002. godine). Kako proračuni pokazuju, Sunce svake sekunde konvertuje 600 miliona tona vodonika u helijum pri čemu oko četiri miliona tona “nestane”, tj. biva pretvoreno u energiju, u skladu sa čuvenom Ajnštajnovom jednačinom. Sunce nije naročito efikasan generator: jedan kubni metar Sunca jedva da obezbeđuje energiju za rad jedne standardne sijalice. Ali, kada na to dodate činjenicu da je zapremina Sunca oko milion puta veća od zapremine Zemlje, lako se izračuna da je Sunce kolosalni izvor energije. Kada uzmemo u obzir raspoložive količine vodonika na Suncu, sigurno je da će ono sijati kao i dosad bar još 4-5 milijardi godina. A posle, videćemo…