از کجا می دانیم چه چیزی به خورشید نیرو می بخشد؟
برای مصریان باستان، خورشید، یک رب النوع بود، چشم خدای رَع، سرچشمه گرما، نور و زندگی بخش زمین. در حقیقت، مصریان چندان از حقیقت دور نبودند؛ امروزه می دانیم انرژی خورشید است که گسترش حیات را روی زمین امکانپذیر کرده است. انقلاب علمی قرن هفدهم، خورشید را در مرکز جهان شناخته شده آن زمان قرار داد، اما ماهیت خورشید و علت گرما و درخشش آن تا قرن نوزدهم به چالش کشیده نشد؛ تا وقتی که دانشمندان تحقیق و بررسی ارتباط گرما و قدرت موتورهای بخار را آغاز کردند.
در آغاز این قرن، مهندسان فرانسوی، نیکلاس لئونارد کارنو و امیل کلاپیرون به مطالعه درباره بهبود بازدهی موتورهای بخار پرداختند و شاخه جدید از علم فیزیک را بنیانگذاری کردند: ترمودینامیک. در دهه 1840، دانشمند انگلیسی جیمز ژول (James Prescott Joule) آزمایش مشهورش را برای تبدیل مستقیم کار مکانیکی به گرما انجام داد و موفق شد رابطه بین این دو شکل انرژی را تعیین کند. این رابطه پشتیبان ایده هرمان فون هلمهولتز (Hermann von Helmholtz) بود که عقیده داشت حرکت مکانیکی، گرما و تابش نمودهای مختلف چیزی هستند که او آن را نیرو می نامید و امروزه متناظر با مفهوم انرژی است. با درک این حقیقت که انرژی هر منبع قدرتی محدود است، دانشمندان در شگفت بودند چه منبع به ظاهر پایان ناپذیری به خورشید نیرو می بخشد.
تا قرن نوزدهم میلادی، هیچکسی ایده ای نداشت که خورشید چگونه انرژی اش را تولید می کند. درک ساختار هسته اتم و ذات آفتاب پرست مانند یک ذره خاص در نهایت توانست پرده از این راز بزرگ بردارد. در این مقاله شما می توانید با دانشمندان پیشرو و یافته های آنها از نظریه هلمهولتز تا کشف نوترون و نظریه همجوشی هسته ای آشنا شوید.
نیروی خورشید
فیزیکدان اسکاتلندی جان واترستون که سعی داشت سن خورشید را محاسبه کند، دریافت اگر خورشید از سوختن و احتراق انرژی بگیرد، ظرف تنها 20 هزار سال خاموش خواهد شد. در آن زمان، زمین شناسان شواهد کافی در اختیار داشتند که نشان می داد زمین چندین میلیون سال سن دارد. بنابراین در سال 1853، واترستون پیشنهاد کرد خورشید از بمباران دائمی شهاب ها گرما می گیرد، ایده ای که پیشتر هم بوسیله ژولیوس فون مایر (Julius von Mayer) آلمانی مطرح شده بود؛ اما شهاب ها نهایت می توانستند برای یک میلیون سال خورشید را گرم کنند.
هلمهولتز به ایده های فیلسوف مشهور آلمانی امانوئل کانت (Immanuel Kant) و ریاضیدان و اخترشناس فرانسوی پی یر سیمون لاپلاس (Pierre-Simon Laplace) بازگشت که عقیده داشتند خورشید از انقباض ابر عظیمی از گاز و غبار شکل گرفته است؛ نظریه ای که امروزه هم صحیح پنداشته می شود. هلمهولتز استدلال کرد تراکم گاز باعث می شود دمای خورشید بالا برود؛ ایده ای که فیزیکدان انگلیسی ویلیام تامسون (لرد کلوین) تا دهه 1890 پشتیبان آن بود.
کلوین محاسبه کرد خورشید نمی تواند بیش از 40 میلیون سال سن داشته باشد و همین امر او را در مقابل زمین شناسان و زیست شناسان هم عصرش قرار داد. تا پایان قرن نوزدهم، زمین شناسان موفق شدند شواهد کافی بدست آورند که نشان می داد عمر زمین باید بیش از یک میلیارد سال باشد، که بسیار بیش از بازه بیست تا چهل میلیون ساله ای بود که تراکم گاز می توانست گرمای خورشید را تامین کند. بنابراین مشخص بود راه حلی که بتواند تعارض بین اخترشناسان و زمین شناسان را حل کند، باید جایی خارج از مرزهای فیزیک آن زمان جستجو شود.
انرژی مرموز
اولین نشانه راه حل احتمالی از جایی غیر منتظره بدست آمد. زمین شناسان آمریکایی توماس چمبرلین در سال 1899 پیشنهاد کرد «منابع حرارت ناشناخته ای» ممکن است درون خورشید وجود داشته باشند؛ نوعی انرژی که ماهیتی اتمی یا فرااتمی دارد. کلوین این ایده را رد کرد، اما کشف خاصیتی عجیب در عنصر رادیم در سال 1903 ایده چمبرلین را پذیرفتنی کرد.
عنصر رادیم که به تازگی بوسیله ماری و پی یر کوری کشف شده بود، منبع انرژی مرموزی داشت که آن را داغ نگاه می داشت. فیزیکدانان انگلیسی ارنست رادرفورد و فردریک سودی خیلی زود این مسئله را با عنوان پرتوزایی تشریح کردند؛ واپاشی اتم ها و شکافته شدن آنها به اتم های کوچکتر. جرم اتم های تازه شکل گرفته کمتر از اتم های شکافته شده بود و این تفاوت اندک در جرم طبق معادله مشهور اینشتین برای هم ارزی جرم و انرژی (E = MC²) به انرژی تبدیل می شد. بنابراین تعجبی نداشت که رادرفورد عقیده داشت شکافت هسته ای، واکنشی زنجیره ای که گرمای داخل زمین و راکتورهای هسته ای را تامین می کرد، می تواند گرمابخش خورشید باشد.
همزمان، اخترشناسان با تحلیل طیف خورشید موفق شدند ترکیب شیمیایی جو ستاره را تعیین کنند؛ لایه گازی که بیرونی ترین بخش خورشید را شکل می دهد. به نظر می رسید خورشید گوی عظیمی از هیدروژن، در کنار مقادیر اندکی از عناصر سنگین تر مثل هلیم، اکسیژن و کربن باشد. به وضوح مشخص بود اورانیوم یا دیگر عناصر سنگین به میزان کافی در خورشید وجود نداشتند که بتوانند با واکنش شکافت هسته ای، خروجی انرژی خورشید را تامین کنند.
اما اگر هسته اتم می توانست به هسته های کوچکتر شکافته شود، چرا هسته ای کوچکتر نتوانند به هم «جوش» بخورند و هسته های بزرگتر را شکل بدهند؟ این پرسشی بود که شیمیدان آمریکایی ویلیام دراپر هارکینز (William Draper Harkins) از خود پرسید. در پاسخ این پرسش، او به مطالعه روش هایی پرداخت که هسته اتم های سنگین تر مثل هلیم می توانستند از هسته های هیدروژن شکل بگیرند.
در سال 1915، هارکینز پیشنهاد کرد همجوشی اتم های هیدروژن و شکل گیری اتم های هلیم هم مطابق رابطه اینشتین به تولید گرما منجر می شود. در آن زمان، تصور می شد هسته اتم ها تنها از پروتون ساخته شده است. از آنجا که هسته های هلیم چهار برابر سنگین تر از هسته های هیدروژن بودند، او استدلال کرد چهار هسته هیدروژن به هم جوش می خورند تا یک هسته هلیم تولید کنند و جرم اتم های هلیم ساخته شده اندکی (0.77 درصد) کمتر از مجموع جرم اتم های هیدروژن بود.
بمب نوترونی
با فرض اینکه هسته تنها از پروتون ساخته شده باشد، توضیح پایداری هسته اتم های سنگین تر از هیدروژن کار دشواری بود؛ چون به دلیل بار الکتریکی همنام، پروتون ها یکدیگر را دفع می کردند. در سال 1920، هارکینز و رادرفورد وجود ذره ای ناشناخته و بدون بار را پیش بینی کردند که پروتون ها را درون هسته کنار هم نگاه می داشت. این ذره نوترون بود که بوسیله جیمز چادویک (James Chadwick) و در سال 1932 کشف شد. کشف نوترون توسعه نظریه همجوشی هسته ای را امکانپذیر کرد و در سال 1939، هانس بیته (Hans Bethe) (و مستقل از او کارل فون وایتسزکر) سازوکار همجوشی هسته ای را تشریح کردند که باعث تبدیل هیدروژن به هلیم در خورشید و ستارگان می شد.
برای ستارگان کم جرم، مثل خورشید، بیته سازوکار پروتون – پروتون را پیشنهاد داد. به دلیل گرمای فوق العاده در هسته خورشید، پروتون ها (هسته های هیدروژن) به هم برخورد می کردند. پدیده کوانتومی دیگری موسوم به تونل زنی هم کمک می کرد بر دافعه الکترواستاتیک بین پروتون ها غلبه شود. اگرچه هسته هلیم شکل گرفته به این روش نمی توانست پایدار بماند، اما بیته کشف کرد اگر پروتون ها به نوترون تبدیل شوند، هسته ساخته شده از دو پروتون و دو نوترون از هم پاشیده نخواهد شد. هسته هلیم بدست آمده سبک تر از هسته هیدروژن سازنده اش بود و این اختلاف جرم به گرما تبدیل می شد.
ولی اینها تنها یک نظریه بود و در ابتدا تصور نمی شد هرگز راهی برای بررسی صحت سازوکار واکنشی پروتون – پروتون وجود داشته باشد. اما شانس با فیزیکدانان هسته ای یار بود و بازیگر تازه ای از راه رسید: نوترینو.
فیزیکدانان متوجه شدند در واپاشی بتا، ذره ای مرموز انرژی را برداشت می کرد. در این واکنش، نوترون هسته به پروتون تبدیل می شد و یک ذره بتا (الکترون) تابش می کرد. انرژی این ذره بتا ثابت نبود و بنابراین چیزی باید انرژی را از آن خارج می کرد.
فیزیکدان اتریشی ولفگانگ پائولی (Wolfgang Pauli) که از پیشتازان نظریه کوانتوم بود، در سال 1930 پیشنهاد کرده بود ذره ناشناخته دیگری که البته جرم نداشت، همراه با ذره بتا تابش می شود. فیزیکدان هسته ای ایتالیایی انریکو فرمی (Enrico Fermi) این ذره را نوترینو نامید که در زبان ایتالیایی به معنی نوترون کوچک بود. اما برخلاف نوترون، نوترینوها به سختی با ماده اندرکنش می کردند. وجود آنها نهایتاً در سال 1955 و به شکل آزمایشگاهی تایید شد. در سال های بعد، دانشمندان کشف کردند واکنش های هسته ای که الکترون ها، ذرات تاو و میون تولید می کنند، همچنین طعم های مختلفی از نوترینوها را تولید می کنند که به ترتیب نوترینوهای الکترونی، تاو و میونی نامیده می شوند.
نگاه به درون خورشید
دانشمندان عقیده داشتند یکی از انواع واپاشی بتا باید در واکنش های زنجیره ای درون خورشید اتفاق افتد و در نتیجه، نوترینوها باید به وفور تولید می شدند. در سال 1955، شیمی فیزیکدان آمریکایی ریموند دیویس (Raymond Davis) پیشنهاد کرد از آنجا که جو خورشید به سختی می تواند این نوترینوها را متوقف کند، به دام انداختن آنها باید امکان مشاهده داخل خورشید را برای ما فراهم آورد. اگرچه محاسبات فیزیکدان آمریکایی جان باکال (John N. Bahcall) نشان می داد هر ثانیه 65 میلیارد نوترینو تنها از مساحتی معادل یک سانتیمتر مربع از خورشید تابش می شود، اما شناسایی آنها به این سادگی ها میسر نبود.
دیویس تصمیم گرفت ایده شکار نوترینو پیشنهاد شده در سال 1964 از سوی فیزیکدان انگلیسی – ایتالیایی، برونو پونتکوروو را امتحان کند: نوترینوهای برخوردی به اتم های کلر باعث تبدیل آنها به اتم های پرتوزای آرگون می شدند. سه سال بعد، دیویس ساخت آشکارساز نوترینوی عظیمی را تکمیل کرد که برای محافظت در برابر پرتوهای کیهانی، 1500 متر زیرزمین و در معدن طلای متروکه ای ساخته شده بود. این آشکارساز مخزنی به ظرفیت 400 هزار لیتر بود که با مایع شفافی حاوی اتم های کلر پُر می شد. نتایج اولیه که در سال 1968 منتشر شد گیج کننده بود: تعداد اتم های آرگون پرتوزایی که دیویس شناسایی کرده بود، سه برابر کمتر از میزان پیش بینی ها بود.
برای بیش از دو دهه، دیویس برای تنظیم و بهبود آشکارساز نوترینو خود تلاش کرد، اما اینکار فایده ای نداشت و نتایج باز هم با ضریب سه کمتر از پیش بینی ها بودند. این مشکل به «کمبود نوترینوهای خورشیدی» شهرت یافت و نشان می داد یا آشکارساز او خراب است یا محاسبات باکال اشتباه است.
قطعه آخر جورچین
پیش از آنکه دیویس اولین نتایج کارهایش را منتشر کند، پونتکوروو پیش بینی کرد نوترینوهای خورشیدی می توانند طعم (نوع) خود را تغییر دهند. آزمایش دیویس تنها می توانست نوترینوهای الکترونی را آشکار کند و پونتکوروو عقیده داشت تعداد قابل توجهی از این نوترینوها که در هسته خورشید تولید شده اند، در سفر به سوی زمین به نوترینوهای تاو یا میونی تبدیل می شوند. از آنجا که این نوترینوها با اتم های کلر اندرکنش نمی کردند، تعداد نوترینوهای شناسایی شده کاهش پیدا می کرد.
طی سال های بعد، مسئله کمبود نوترینوهای خورشیدی در دیگر آشکارسازهای زیرزمین هم تکرار شد و دانشمندان بطور جدی شروع به زیر سوال بردن محاسبات باکال کردند؛ اما با انتشار داده های رصدخانه نوترینو سادبری (SNO) در سال 2001، سرانجام باکال پیروز شد.
رصدخانه نوترینوی سادبری که در عمق 2 کیلومتری زیرزمین و درون معدن نیکل متروکه ای در اونتاریو کانادا ساخته شده بود، مخزن عظیمی حاوی آب سنگین داشت که می توانست هر سه نوع نوترینو را شناسایی کند. طبق نتایج بدست آمده از SNO، نه تنها محاسبات شارنوترینویی باکال تایید شد، بلکه مشخص شد این ذرات دارای جرم هستند. 71 سال پس از پیشنهاد اولیه، سرانجام درک ماهیت نوترینوها مشخص کرد خورشید چگونه انرژی ما را تامین می کند.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «از کجا می دانیم چه چیزی به خورشید نیرو می بخشد؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله محمود حاج زمان در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
