Encendiendo el fuego del sol
El Sol produce energía a un ritmo prodigioso. Lo ha hecho durante mucho tiempo. Para averiguar cómo produce energía y qué se necesita para que se encienda, los científicos dividieron la producción solar total por la masa del Sol. Esto dio la energía que produce cada unidad de masa. Luego compararon esta tasa de producción con las tasas de varios procesos, como el simple enfriamiento de un cuerpo muy caliente o la quema de varios tipos de combustibles. La tasa de producción es tan alta y la quema se ha prolongado tanto que nada menos que la quema de un combustible nuclear puede explicarlo.
Podemos estimar la masa del Sol con suficiente precisión a partir de tres números. Necesitamos el período de la órbita de la Tierra, 1 año. Luego necesitamos la distancia de la Tierra al Sol, 93 millones de millas o 150 millones de kilómetros. Finalmente, necesitamos la cantidad de masa de gravedad que produce, medida en experimentos de laboratorio. A partir de esto, un cálculo sencillo basado en la mecánica newtoniana da la masa del Sol.
1.990.000.000.000.000.000.000.000.000.000 kilogramos
Medimos la intensidad de la luz solar en el espacio a la distancia de la Tierra al Sol. Primero imaginamos una esfera centrada en el Sol que tiene la Tierra incrustada en su superficie. Entonces consideramos que la luz del Sol debe tener la misma intensidad en cualquier lugar que pase a través de la esfera imaginaria. El radio de la esfera es de 150 millones de kilómetros, y a partir de esto podemos calcular el área superficial de la esfera. Multiplicamos la potencia que circula por un metro cuadrado por el área de la esfera. De esta forma obtenemos la productividad energética del Sol de 2 ergios por segundo por cada gramo de masa. En unidades modernas, eso es 200 microvatios por kilogramo. Ahora, tomando la vida útil estimada del Sol en 10.000 millones de años (aproximadamente el doble de su edad actual), y recordando que un año son unos 31 millones de segundos, cada kilogramo del Sol tiene que producir 63.000.000 megavatios-segundo o 18.000 megavatios-hora de energía. Hay que ver, entonces, cual tipo de fuego puede producir tanta energía.
Un fuego de leña o carbón produce mucha energía, pero solo mientras se quema el combustible. Todavía hay algo de calor para irradiar una vez que se detiene la combustión, pero el calor se disipa rápidamente y la temperatura de las cenizas cae rápidamente. Un kilogramo de carbón produce como máximo unos 10 kilovatios-hora de energía. Si el Sol estuviera quemando carbón, solo podría durar unos mil años. ¡Los registros históricos son suficientes para establecer que el Sol ha estado brillando por más tiempo! Kelvin calculó cuánto tiempo el Sol podría proporcionar calor y luz simplemente brillando por la compresión de su propia gravedad. Tal colapso gravitatorio produciría energía al ritmo prodigioso del Sol durante unos pocos millones de años, pero no durante miles de millones de años.
Una vez que la gente supo que la Tierra y el Sol tienen alrededor de 4.650 millones de años, alguien tuvo que averiguar de dónde obtiene el Sol su energía. Hans Albrecht Bethe (físico estadounidense nacido en Alemania, 1906-2005) se planteó esta pregunta un día de 1938 cuando regresaba en tren a Ithaca, Nueva York, de una conferencia de física en Washington. Terminó sus cálculos antes de la puesta del sol.[i] El fuego no es químico sino nuclear.
[i] George Gamow cuenta la historia en The Birth and Death of the Sun [El nacimiento y la muerte del sol] (Nueva York: Mentor Book, The New American Library of World Literature, 1945).
La reacción de carbono a oxígeno
La temperatura tenía que ser alta, quizás tanto como 40 millones de Kelvin, en las primeras estrellas de color blanco azulado, porque solo tenían la reacción nuclear protón-protón descrita en el capítulo anterior para quemar hidrógeno. Una vez formado el carbono, las estrellas podrían usarlo como catalizador para quemar hidrógeno a una temperatura más baja, alrededor de 15 millones de Kelvin. La caída de temperatura les permite producir luz amarilla. Nuestro Sol produce luz amarilla porque incorpora carbono.
Un núcleo de carbono es más grande y más fácil de golpear que un núcleo de hidrógeno. Cuando un núcleo de hidrógeno, es decir, un solo protón, choca con un núcleo de carbono y se adhiere a él, la combinación es un núcleo de nitrógeno liviano con siete protones y seis neutrones. Cuando un segundo protón choca con este núcleo, sigue siendo un núcleo de nitrógeno, porque uno de los protones emite inmediatamente un positrón y se convierte en un neutrón. Luego, el núcleo de nitrógeno adquiere dos protones adicionales, uno de los cuales se convierte nuevamente en un neutrón. Así, el núcleo de nitrógeno se convierte en un núcleo de oxígeno. Finalmente, un núcleo de helio se separa del oxígeno, dejando un núcleo de carbono como el original. Esta reacción se llama catalítica ya que el carbono participa y hace que la reacción sea más rápida, pero al final el núcleo de carbono no cambia.
Las dos reacciones nucleares, protón-protón y carbono a oxígeno, funcionan juntas. Queman hidrógeno en helio a una temperatura más baja que la que cualquiera de las reacciones podría lograr trabajando de forma independiente.
Cuando el Sol se formó, se iluminó y se rodeó de una nube de polvo que eventualmente se convertiría en la Tierra y los otros planetas sólidos, terminó la tercera tarde y comenzó la tercera mañana.
La oscuridad de la tercera noche
También Dios dijo: “Júntense en un solo lugar las aguas que están debajo de los cielos, y descúbrase lo que está seco” (Génesis 1:9). En la oscuridad de la tercera tarde había polvo seco en algunos lugares y agua acumulada en otro lugar. La explosión de supernovas destapó el polvo en los interiores estelares y parte del polvo formó agua en ciertos lugares. Moisés obtiene la secuencia de eventos exactamente correcta. ¿Cómo podría hacerlo sin la revelación divina?
El Sol produce energía a un ritmo prodigioso. Lo ha hecho durante mucho tiempo. Para averiguar cómo produce energía y qué se necesita para que se encienda, los científicos dividieron la producción solar total por la masa del Sol. Esto dio la energía que produce cada unidad de masa. Luego compararon esta tasa de producción con las tasas de varios procesos, como el simple enfriamiento de un cuerpo muy caliente o la quema de varios tipos de combustibles. La tasa de producción es tan alta y la quema se ha prolongado tanto que nada menos que la quema de un combustible nuclear puede explicarlo.
Podemos estimar la masa del Sol con suficiente precisión a partir de tres números. Necesitamos el período de la órbita de la Tierra, 1 año. Luego necesitamos la distancia de la Tierra al Sol, 93 millones de millas o 150 millones de kilómetros. Finalmente, necesitamos la cantidad de masa de gravedad que produce, medida en experimentos de laboratorio. A partir de esto, un cálculo sencillo basado en la mecánica newtoniana da la masa del Sol.
1.990.000.000.000.000.000.000.000.000.000 kilogramos
Medimos la intensidad de la luz solar en el espacio a la distancia de la Tierra al Sol. Primero imaginamos una esfera centrada en el Sol que tiene la Tierra incrustada en su superficie. Entonces consideramos que la luz del Sol debe tener la misma intensidad en cualquier lugar que pase a través de la esfera imaginaria. El radio de la esfera es de 150 millones de kilómetros, y a partir de esto podemos calcular el área superficial de la esfera. Multiplicamos la potencia que circula por un metro cuadrado por el área de la esfera. De esta forma obtenemos la productividad energética del Sol de 2 ergios por segundo por cada gramo de masa. En unidades modernas, eso es 200 microvatios por kilogramo. Ahora, tomando la vida útil estimada del Sol en 10.000 millones de años (aproximadamente el doble de su edad actual), y recordando que un año son unos 31 millones de segundos, cada kilogramo del Sol tiene que producir 63.000.000 megavatios-segundo o 18.000 megavatios-hora de energía. Hay que ver, entonces, cual tipo de fuego puede producir tanta energía.
Un fuego de leña o carbón produce mucha energía, pero solo mientras se quema el combustible. Todavía hay algo de calor para irradiar una vez que se detiene la combustión, pero el calor se disipa rápidamente y la temperatura de las cenizas cae rápidamente. Un kilogramo de carbón produce como máximo unos 10 kilovatios-hora de energía. Si el Sol estuviera quemando carbón, solo podría durar unos mil años. ¡Los registros históricos son suficientes para establecer que el Sol ha estado brillando por más tiempo! Kelvin calculó cuánto tiempo el Sol podría proporcionar calor y luz simplemente brillando por la compresión de su propia gravedad. Tal colapso gravitatorio produciría energía al ritmo prodigioso del Sol durante unos pocos millones de años, pero no durante miles de millones de años.
Una vez que la gente supo que la Tierra y el Sol tienen alrededor de 4.650 millones de años, alguien tuvo que averiguar de dónde obtiene el Sol su energía. Hans Albrecht Bethe (físico estadounidense nacido en Alemania, 1906-2005) se planteó esta pregunta un día de 1938 cuando regresaba en tren a Ithaca, Nueva York, de una conferencia de física en Washington. Terminó sus cálculos antes de la puesta del sol.[i] El fuego no es químico sino nuclear.
[i] George Gamow cuenta la historia en The Birth and Death of the Sun [El nacimiento y la muerte del sol] (Nueva York: Mentor Book, The New American Library of World Literature, 1945).
La reacción de carbono a oxígeno
La temperatura tenía que ser alta, quizás tanto como 40 millones de Kelvin, en las primeras estrellas de color blanco azulado, porque solo tenían la reacción nuclear protón-protón descrita en el capítulo anterior para quemar hidrógeno. Una vez formado el carbono, las estrellas podrían usarlo como catalizador para quemar hidrógeno a una temperatura más baja, alrededor de 15 millones de Kelvin. La caída de temperatura les permite producir luz amarilla. Nuestro Sol produce luz amarilla porque incorpora carbono.
Un núcleo de carbono es más grande y más fácil de golpear que un núcleo de hidrógeno. Cuando un núcleo de hidrógeno, es decir, un solo protón, choca con un núcleo de carbono y se adhiere a él, la combinación es un núcleo de nitrógeno liviano con siete protones y seis neutrones. Cuando un segundo protón choca con este núcleo, sigue siendo un núcleo de nitrógeno, porque uno de los protones emite inmediatamente un positrón y se convierte en un neutrón. Luego, el núcleo de nitrógeno adquiere dos protones adicionales, uno de los cuales se convierte nuevamente en un neutrón. Así, el núcleo de nitrógeno se convierte en un núcleo de oxígeno. Finalmente, un núcleo de helio se separa del oxígeno, dejando un núcleo de carbono como el original. Esta reacción se llama catalítica ya que el carbono participa y hace que la reacción sea más rápida, pero al final el núcleo de carbono no cambia.
Las dos reacciones nucleares, protón-protón y carbono a oxígeno, funcionan juntas. Queman hidrógeno en helio a una temperatura más baja que la que cualquiera de las reacciones podría lograr trabajando de forma independiente.
Cuando el Sol se formó, se iluminó y se rodeó de una nube de polvo que eventualmente se convertiría en la Tierra y los otros planetas sólidos, terminó la tercera tarde y comenzó la tercera mañana.
La oscuridad de la tercera noche
También Dios dijo: “Júntense en un solo lugar las aguas que están debajo de los cielos, y descúbrase lo que está seco” (Génesis 1:9). En la oscuridad de la tercera tarde había polvo seco en algunos lugares y agua acumulada en otro lugar. La explosión de supernovas destapó el polvo en los interiores estelares y parte del polvo formó agua en ciertos lugares. Moisés obtiene la secuencia de eventos exactamente correcta. ¿Cómo podría hacerlo sin la revelación divina?