Proč Slunce svítí aneb Historie výzkumu slunečního záření (1.)

Historie odhalování zdroje Slunce, a tedy i ostatních hvězd, je dlouhá. Pravěké a starověké kultury si podobnou otázku zřejmě nepokládaly, neboť považovaly žhnoucí kouli na obloze za božstvo – například pro Egypťany šlo o oko boha Ra. Národy, jejichž duchovní život se točil kolem Slunce, bychom našli na celé planetě: kromě již zmíněných Afričanů třeba v Jižní a Střední Americe. Těmto civilizacím bylo nadmíru jasné, že bez slunečních paprsků by žádný život na Zemi neexistoval, a neochvějně si tak uvědomovaly jejich důležitost. 

Až vědecká revoluce, jejíž počátek můžeme klást do 17. století, se otázkou zdroje Slunce zabývala seriózně. Průlom přišel s ryze praktickým výzkumem – s parním strojem –, přičemž jeho konstrukce je jedna věc, a zlepšování jeho účinnosti věc druhá. K vylepšení funkce parního stroje bylo nutné pochopit fyzikální principy, které jej pohánějí. A tak zatímco mechanika těles se i zásluhou osobností jako Galileo Galilei či Isaac Newton nacházela ve velmi pokročilém stadiu a umožňovala třeba na dálku Slunce zvážit, termodynamika – zaměřující se na teplo a tepelné jevy, jakož i různé přeměny energie – stála teprve v počátcích. 

Ve 40. letech 19. století provedl Angličan James Joule sérii experimentů, při nichž dokázal měnit mechanickou energii na teplo, a prokázal tak souvislost mezi těmito dvěma formami energie. Němce Hermanna von Helmholtze to podpořilo v myšlence, kterou ve vědeckých kruzích razil už nějakou dobu. Tvrdil, že mechanický pohyb, teplo i záření jsou jen jinými projevy téhož fyzikálního jevu, který označoval jako sílu. Helmholtzův koncept dal vzniknout dnešnímu pojetí energie, z jejíž znalosti lze odvodit mnoho informací o daném fyzikálním systému. Netrvalo však dlouho a bylo zřejmé, že známé zdroje energie – například spalování uhlí – jsou konečné. Co tedy pohání Slunce?

Příliš věkovitá hvězda

Skot John Waterston se velmi intenzivně zabýval určením stáří Slunce. Odhadl, že kdyby bylo zdrojem solární energie hoření chemických látek, třeba uhlí, musela by se naše hvězda asi za dvacet tisíc let proměnit v popel. Jenže to bylo v příkrém rozporu s geologickými nálezy, které přesvědčovaly vědeckou veřejnost, že Země – obíhající kolem Slunce – je stará alespoň několik milionů let. 

V roce 1853 tedy Waterston postuloval, že by naši hvězdu mohly ohřívat neustálé dopady meteoroidů, což představovalo faktické rozšíření myšlenky, kterou v roce 1848 publikoval Němec Julius von Mayer. Ani meteoroidy však problém neřešily. Jednak je jich ve Sluneční soustavě konečný počet, ale především by hmotnost naší hvězdy neustále rostla. To by se následně muselo projevit změnami v drahách planet, ale pozorování o ničem podobném nesvědčila. 

Filozofové se však již zabývali mechanismy vzniku Slunce. Němec Immanuel Kant a Francouz Pierre-Simon Laplace postulovali, že naše hvězda vznikla smrštěním obřího oblaku plynu – vyslovili tedy hypotézu, jež se z dnešního pohledu považuje za korektní. Na základě jejich práce von Helmholtz v roce 1854 prohlásil, že komprese plynu by mohla Slunce ohřívat a dodávat tak energii, kterou ztratí zářením do prostoru. 

Tuto myšlenku obhajoval Angličan William Thomson, známý jako lord Kelvin, ještě v posledním desetiletí 19. století. Na základě jednoduchých výpočtů usoudil, že Slunce nemůže být starší než asi 40 milionů let – přesně tak dlouho by totiž bylo možné dodávat energii mizející zářením. Fyzikové však opět narazili na tvrdohlavé geology a biology. Například v té době již známá Darwinova teorie o původu druhů vyžadovala, aby byla Země mnohem starší. Na konci 19. století měli geologové dostatečně solidní důkazy, že naše planeta vznikla před více než miliardou let, tedy nikoliv před 20–40 miliony, na něž by vystačil Kelvinův-Helmholtzův mechanismus. Bylo jasné, že soudobá fyzika nedovede tento rozpor vysvětlit jinak, než že zdrojem energie Slunce musí být něco ještě trvanlivějšího.

Jaderné štěpení?

První nástiny přišly ze zcela nečekaného směru. Americký geolog Thomas Chamberlin v roce 1899 navrhl, že by Slunce mohly pohánět nepoznané zdroje tepla atomární či ultraatomární povahy (dnes bychom použili spíše termín „subatomární“, tedy „menší než atomární“). Kelvin zmíněnou myšlenku v plném rozsahu zavrhl, ale objev radia v roce 1903, které se samo udržovalo na vysoké teplotě, dával Chamberlinovi zapravdu.

Pokračování: Proč Slunce svítí aneb Historie výzkumu slunečního záření (2.)

Britové Ernest Rutherford a Frederick Soddy tento jev záhy popsali jako radioaktivitu: atomy se samovolně rozpadají na jednodušší, přičemž suma hmotností produktů je menší než hmotnost původního atomu. Hmotnostní deficit se transformuje v energii podle Einsteinovy formule E = mc². Nebylo tedy překvapivé, když Rutherford navrhl, že by jaderné štěpení mohlo být dobrým zdrojem pro Slunce. Dnes víme, že to není možné, pro úplnost ovšem dodejme, že radioaktivní rozpad udržuje v roztaveném stavu nitra kamenných planet a v hvězdné říši se uplatňuje ve zbytcích po výbuších supernov.