Mién bocsát ki fényt a Nap? A válasz magától értetődőnek tűnik: azért, mert forró, a forró tárgyak pedig mindig fényt bocsátanak ki. De miért bocsátanak ki fényt a forró testek? Ez már súlyosabb probléma. Felmerül a kérdés, mi lehet a Nap legfőbb energiaforrása, amelyik működteti és felforrósítja a Napot. Már a XIX. század óta pontosan tudjuk, mennyi energiát sugároz ki a Nap; ha ismerjük a Nap távolságát, akkor ez könnyen kiszámítható. Az egyik lehetőség az, hogy ismert térfogatú és felületű vizet kiteszünk a napsütés közvetlen hatásának, és megmérjük, mennyi idő alatt emelkedik a víz hőmérséklete egy Celsius-fokkal. Ebből kiderül, mennyi energia jutott a vízbe a mért idő alatt. Ha pontosabb mérést szeretnénk végezni, akkor azt is figyelembe kell vennünk, mennyi energia veszett el, miközben a napfény áthaladt a légkörön.
Segíthet, ha a mérést a tengerszint fölött nagy magasságban végezzük. A napállandót — vagyis a Nap energiakibocsátását — elsőként a francia Claude Pouillet mérte meg 1838-ban. Becslése szerint a Naptól 130 millió km-re lévő Földön egy négyzetméterre körülbelül 1,2 kW teljesítmény jut. A modern mérések szerint a Föld légkörének tetején ez az érték januárban, amikor a Föld legközelebb jár a Naphoz, 1,41 kW, míg júliusban, amikor legtávolabb vagyunk a Naptól, 1,32 kW (az eltérést az okozza, hogy a Föld ellipszis alakú pályán kering a Nap körül, amely pályának egyik gyújtópontjában helyezkedik el a Nap). Ez iszonyúan sok energia. Képzeljünk el egy 150 millió km sugarú gömböt, amelynek belső felületén minden egyes négyzetméterre folyamatosan annyi energia érkezik, amennyivel egy fényesen világító reflektort lehetne működtetni. Néha felfoghatatlanul nagy számokat kapunk, amelyekkel nem nagyon tudunk mit kezdeni, mégis ideírom, hogy a Nap kisugárzott teljesítménye 3,8*1023 kW. Civilizációnk teljes energiatermelésével ezzel szemben körülbelül 16*109 kW teljesítményt állít elő, ami húszbilliószor kisebb a Nap teljesítményénél. Ezúttal is egy egyszerű kérdésből kiindulva hamar eljutottunk a fizika mélyének dzsungelébe. A Nap tehát óriási mennyiségű energiát termel. De vajon miből?
A Nap energiájának forrása a XIX. század végén és a XX. század elején heves viták tárgya volt, mert egyetlen olyan fizikai folyamatot sem ismertek, amelyik ilyen óriási ütemű energiakibocsátást — csillagunk hatalmas mérete és tömege ellenére — néhány ezer évnél hosszabb ideig biztosítani tudna. A Nap méretét persze éppoly nehéz elképzelni, mint sugárzási teljesítményét: átmérője mentén száz Föld férne el egymás mellett. Egy átlagos, sugárhajtóműves utasszállító repülőgép hat hónap alatt tudná körberepülni. Magyarország területe 62 milliószor férne el a felszínén. Ám még az ilyen hatalmas készletek ellenére is nehéz megmagyarázni a Nap energiakibocsátását. Lord Kelvin, kora egyik legjelentősebb és legnagyobb tiszteletnek örvendő tudósa 1862-ben kijelentette, hogy a Nap nem lehet 30 millió évesnél öregebb, éles ellentétben a Föld korára vonatkozó geológiai és biológiai bizonyítékokkal, amelyek szerint a Földnek legalább 300 millió évesnek kell lennie.
Kelvin túlságosan magabiztos volt, de tévedett, mert nem számolt azzal a lehetőséggel, hogy egy új fizika adhat magyarázatot a Nap energiájának forrására. „Kételkednie kell önmagában is, amikor kritikus vizsgálat tárgyává teszi az írást, hogy így próbálja elkerülni az előítéletek és az elnézés csapdáját”, Kelvin jól tette volna, ha megfogadja Alhazennek ezt a tanácsát. Az új felfedezés a magfizika volt. A fizikusok szeretik azokat a rövid, hevenyészett számításokat, amelyek akár egy boríték hátoldalán is elvégezhetők, ezért most mi is így érzékeltetjük, mennyiben segíti a magfizika kérdésünk megválaszolását. Kelvin kiszámította, hogy ha a Nap teljes egészében szénből állna, akkor a 62 millió Magyarország alatt elhelyezkedő szénkészlet csak 3000 évig tudná biztosítani a Nap megfigyelt fényességét. Ez jól mutatja, milyen hihetetlen energia lakozik a csillagokban. A kémiai reakciók, mint amilyen például a szén égése, nagyságrendileg egymilliószor kevesebb energiát termelnek, mint a nukleáris reakciók. Ez azt tükrözi, mennyivel erősebb az atommagokat összetartó erős kölcsönhatás az atomokat összetartó elektromágneses erőnél. A kémia az atomok átrendezéséről szól, a magfizika viszont az atommagok átalakításáról. Az atommagot Ernest Rutherford 1911 májusában, Manchesterben fedezte fel, ennélfogva Kelvin még nem tudhatott a fizikának erről az elrejtett, nagyobb energiájú rétegéről. Mivel a magreakciók jellemzően egymilliószor nagyobb energiákon mennek végbe, mint a kémiai reakciók, ezért ezekkel a Nap, nagyságrendjét tekintve, körülbelül egymilliószor több energiát tud termelni. Ez azt jelenti, hogy a Nap élettartamára legalább 3 milliárd évet kapunk, ami már sokkal közelebb van a Nap mai ismereteink szerinti 10 milliárd évet kitevő teljes élettartamához. A Nap jelenlegi korára vonatkozó, számítógépes modelleken alapuló legjobb becslések 4,37 milliárd év körüli kort adnak, ami jól egyezik a meteoritok radioaktivitás alapján meghatározott korával.
A Nap magjában energiát felszabadító reakciókban szóhoz jut a természet mind a négy alapvető kölcsönhatása, amelyekkel az I. fejezetben megismerkedtünk. A csillagok hidrogénből és héliumból álló felhőkként kezdik életüket; ennek a két elemnek az atommagjai az ősrobbanás utáni első három percben jöttek létre. A gravitáció hatására a felhők összehúzódnak, amitől viszont felforrósodnak. Amikor a hőmérséklet eléri a körülbelül 100 000 °C-t, akkor a hidrogén- és a héliumatommagok már nem képesek megtartani elektronjaikat, ezért a felhő anyaga plazma állapotúvá válik - vagyis elektromosan töltött, szabad részecskék forró gázává. Az összehúzódás folytatódik, a hőmérséklet tovább emelkedik, és az elég nagy tömegű felhők belsejében a csupasz hidrogénmagok olyan sebességgel közelítik meg egymást, hogy a közöttük fellépő elektromos taszítás ellenére - emlékezzünk vissza arra, hogy a hidrogén atommagja egyetlen proton, amelyik pozitív töltést hordoz — nagyon közel juthatnak egymáshoz. Amikor ez megtörténik, a gyenge magerő hatására átalakulás következik be. Ezzel az átalakulással az 1. fejezetben már találkoztunk, amikor visszaemlékeztem Hamburgban végzett részecskefizikai kutatásaimra. Ott - miközben részecskegyorsítóval vizsgáltuk az anyag összetevőit - hivatalos életrajzba nem illő tényként vörösbort ittunk, finom sajtokat ettünk, és megpróbáltunk valamilyen drogot szerezni. A fizika felettébb szórakoztató tud lenni. De most, azt hiszem, eltértem a tárgytól... Emlékezzünk vissza arra, hogy a protont két fel-kvark és egy le-kvark alkotja, míg a neutront két le-kvark és egy fel-kvark építi fel. A gyenge kölcsönhatás át tud alakítani egy fel-kvarkot le-kvarkká, így a proton neutronná képes alakulni, miközben egy pozitron és egy neutrínó szabadul fel. A neutronok elektromosan semlegesek, mivel a pozitron megszabadította őket pozitív elektromos töltésüktől. Következésképpen nincs akadálya, hogy olyan közel jussanak a protonokhoz, ahol már az erős kölcsönhatás uralkodik, és szorosan egymáshoz kapcsolja a kér részecskét. Az így keletkező, egy protonból és egy neutronból álló atommag a deuteron.
A deuteron atommag létrejöttét a két protonból magfúziónak vagy atommagfúziónak nevezzük. Keletkezése közben azonban hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, mert a deuteron tömege kisebb két szabad proton tömegénél. Einstein ismerte fel, hogy a tömeg az E = mc2 összefüggésnek megfelelően, energiává alakul (mert komolyan vesszük a fény természetének a Maxwell-egyenletekkel megadott leírását — az összefonódott útvonalat). Ez a fúziós energia az, amelyik biztosítja az éjszakai égbolton pislákoló csillagok sugárzását.
Az itt előforduló számok óriási nagyok. Ha a Nap belsejének anyagából kiveszünk egyetlen köbcentimétert, és annak minden protonját deuteronokká alakítjuk, akkor a felszabaduló energia egy közepes méretű város egész évi energiaszükségletét fedezi. A deuteronmaghoz hamarosan egy további proton kapcsolódik, így hélium-3 (3H) mag jön létre, két hélium-3 mag pedig két proton felszabadulása közben hélium-4 (4H) atommaggá egyesül. A folyamat minden egyes lépésében a tömeg egy része energiává alakul, ami fóti a csillagot. Ez az energia emellett megállítja a gravitációs összehúzódást, mert a szuperforró plazma kifelé ható nyomást fejt ki, ami kiegyenlíti a gravitáció befelé ható vonzását. Ezért olyan hosszú életűek a csillagok - kényes, mégis stabil egyensúlyi állapotban vannak, legalábbis addig, amíg elég nukleáris fűtőanyag található a magjukban. Napunk másodpercenként 600 millió tonna hidrogént alakít át héliummá, miközben tömege négymillió tonnával csökken, ami energia formájában felszabadul. Ha érzékeltetni szeretnénk, hány fúziós reakciónak felel ez meg, akkor gondoljanak arra, hogy miközben ezt a könyvet olvassák, másodpercenként és négyzetcentiméterenként 60 milliárd neutrínó száguld keresztül a fejükön, és ezen részecskék mindegyike egy proton neutronná alakulásakor szabadult fel.
A neutrínók felettébb érdekes részecskék, ezért később még lesz szó róluk. A magfúzió ilyen tempója mellett a Nap nukleáris üzemanyaga még további ötmilliárd éven át biztosítja csillagunk sugárzását. Amikor elfogy a belsejében a hidrogén, akkor elkezdi a héliumot szénné és oxigénné alakítani. Amikor ezek a lehetőségek is kimerülnek, akkor a Nap egy fehér törpének nevezett ronccsá omlik össze.
A fehér törpék sűrű, egzotikus objektumok, amelyeket a gravitáció mindent összemorzsoló ereje ellenében a Pauli-féle kizárási elvnek nevezett kvantummechanikai hatás tart egyensúlyban. A csillagokéhoz hasonló tömegű, de csak bolygóméretű objektumok; egy kockacukornyi anyaguk egy tonnát nyomna. A Nap lecsupaszodott szén—oxigén magja fokozatosan kisugározná hőjét, csak egy fekete törpének nevezett, lassanként elsötétedő roncs maradna vissza; ez, ha nem is az örökkévalóságig, de mindenesetre nagyon hosszú ideig fennmarad. Ezermilliárd év alatt a csillagroncs hőmérséklete addig süllyed, amíg elhalványul. Végső sorsa olyan fizikai folyamatoktól függ, amelyeket még nem teljesen értünk. Feltételezik, hogy hosszú időskálán esetleg maga az anyag is instabil, ha pedig ez így van, akkor a fekete törpék lassanként elpárolognak. Ehhez csak elég hosszú időre van szükség - de mivel az idő valószínűleg végtelen, ez a feltétel teljesül. A fekete törpék élettartamára kapott alsó határból viszont az következik, hogy legalább körülbelül 1032 évig meg kell maradniuk, ami viszont a Világegyetem jelenlegi életkorának tízmilliárd billiószorosa.
A magfúzió tehát a Nap energiaforrása, így végső soron a fénye is ennek köszönhető. A Földre érkező fényt létrehozó fizikai folyamatok azonban ettől eltérőek. Mi az égen a Nap izzó felszínét látjuk, nem pedig a mélyben rejtőző magját, ahol a nukleáris energiatermelés folyik. A Nap felszíne mindössze 5500 °C hőmérsékletű, ezért az ott kibocsátott fény tulajdonságai is erre a hőmérsékletre jellemzőek, nem pedig arra a 15 milliárd fokos magra, ahol a fúzió zajlik.
Jól ismert az a gondolat, amely szerint a testek hőmérsékletüktől függő fényt bocsátanak ki. Lehet szó például „fehéren izzó” tárgyakról, és tudjuk, hogy a tábortűz elhamvadó zsarátnoka vörösen dereng. A testek hőmérséklete összefügg a kibocsátott fény színével, ami az első nyomot jelenti a fény eredetének tisztázása felé. Az egyszerű kérdések bonyolult válaszokhoz vezetnek, ennek a legklasszikusabb példája az, ahogyan a forró testek fényt bocsátanak ki. Mindenekelőtt megemlítem, hogy a kérdés egyáltalán nem új keletű, azt már Isaac Newton felvetette a fény természetéről szóló, 1704-ben megjelent értekezésében, az Optikában, ahol nagy vonalakban helyes választ is adott rá. Nem lehetséges-e, hogy minden szilárd test, ha bizonyos fokon túl fel melegítjük, fényt bocsát ki és világítani kezd, és ezt a kisugárzást vajon nem a részeinek rezgő mozgása váltja ki? Az anyag építőelemeinek mozgása kelti a fényt, de ennek az emissziónak a mechanizmusát csak a XIX. század közepe táján kezdték megérteni. A válasz kitartó keresése pedig végső soron elvezetett a kvantummechanikáig és azoknak a műszaki alapoknak a lefektetéséig, amelyeken modern társadalmunk nyugszik.
„NEM LEHET, HOGY MINDEN SZILÁRD TEST, HA BIZONYOS FOKON TÚL FELMELEGÍTJÜK, FÉNYT BOCSÁT KI ÉS VILÁGÍTANI KEZD; ÉS EZT A KISUGÁRZÁST VAJON NEM RÉSZEI REZGŐ MOZGÁSA VÁLTJA KI?” Isaac Newton