Der überraschende Quantengrund, warum die Sonne scheint

Auf der Erde, wie wir sie kennen, wimmelt es nur durch den Einfluss unserer Sonne von Leben. Sein Licht und seine Wärme versorgen jeden Quadratmeter der Erde – wenn er direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist – mit einer konstanten Leistung von ca. 1500 W, genug, um unseren Planeten auf einer angenehmen Temperatur zu halten, damit auf seiner Oberfläche kontinuierlich flüssiges Wasser vorhanden ist. Genau wie die Hunderte Milliarden Sterne in unserer Galaxie inmitten der Billionen Galaxien im Universum scheint unsere Sonne kontinuierlich und verändert sich im Laufe der Zeit nur geringfügig.

Aber ohne Quantenphysik würde die Sonne überhaupt nicht scheinen. Selbst unter den extremen Bedingungen im Kern eines massereichen Sterns wie unserer Sonne könnten die Kernreaktionen, die ihn antreiben, ohne die bizarren Eigenschaften, die unser Quantenuniversum erfordert, nicht stattfinden. Glücklicherweise ist unser Universum von Natur aus ein Quantenuniversum, das es der Sonne und allen anderen Sternen ermöglicht, so zu leuchten, wie sie es tun. Hier erfahren Sie, wie es wissenschaftlich funktioniert.

Sternenlicht ist seit dem heißen Urknall in seiner gesamten 13,8 Milliarden Jahre langen Geschichte die größte Energiequelle im Universum. Diese großen, massiven Konzentrationen von Wasserstoff und Helium ziehen sich bei ihrer Entstehung aufgrund ihrer eigenen Schwerkraft zusammen, wodurch ihre Kerne beim Erhitzen immer dichter werden. Schließlich wird eine kritische Schwelle erreicht – bei Temperaturen von etwa 4 Millionen Kelvin und einer Dichte über der von festem Blei –, an der die Kernfusion im Kern des Sterns beginnt.

Aber hier ist das Rätsel: Sie können genau bestimmen, wie viel Energie die Teilchen in der Sonne haben müssen, und berechnen, wie diese Energien verteilt sind. Sie können berechnen, welche Arten von Kollisionen zwischen Protonen im Sonnenkern auftreten, und dies damit vergleichen, wie viel Energie erforderlich ist, um zwei Protonen tatsächlich in physischen Kontakt miteinander zu bringen und die elektrische Abstoßung zwischen ihnen zu überwinden.

Und wenn Sie Ihre Berechnungen durchführen, kommen Sie zu einem schockierenden Ergebnis: Es gibt dort keine Kollisionen mit genügend Energie, um zur Kernfusion zu führen. Null. Überhaupt keine.

Auf den ersten Blick scheint dies die Kernfusion – und damit die Fähigkeit der Sonne, zu scheinen – völlig unmöglich zu machen. Und doch wissen wir aufgrund der Energie, die wir beobachten, dass die Sonne tatsächlich scheint.

Tief im Innern der Sonne, in den innersten Regionen, wo die Temperatur zwischen 4 Millionen und 15 Millionen Kelvin schwankt, verschmelzen die Kerne von vier anfänglichen Wasserstoffatomen (d. h. einzelne Protonen) in einer Kettenreaktion miteinander und ergeben das Endergebnis Es entsteht ein Heliumkern (bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen) und setzt dabei eine beträchtliche Energiemenge frei.

Diese Energie wird in Form von Neutrinos und Photonen abtransportiert, und während die Photonen über 100.000 Jahre brauchen, bevor sie die Photosphäre der Sonne erreichen und in den Weltraum strahlen, verlassen die Neutrinos die Sonne in nur wenigen Sekunden, wo wir waren Sie werden seit den 1960er Jahren auf der Erde entdeckt.

Sie könnten über dieses Szenario nachdenken und etwas verwirrt sein, da nicht klar ist, wie bei diesen Reaktionen Energie freigesetzt wird. Sie sehen, Neutronen sind geringfügig massereicher als Protonen: um etwa 0,1 %. Wenn Sie vier Protonen zu einem Kern verschmelzen, der zwei Protonen und zwei Neutronen enthält, könnten Sie denken, dass die Reaktion Energie erfordern würde, anstatt sie zu emittieren.

Wenn alle diese Teilchen frei und ungebunden wären, wäre das wahr. Wenn Neutronen und Protonen jedoch zu einem Kern wie Helium zusammengebunden werden, sind sie am Ende so fest miteinander verbunden, dass sie tatsächlich deutlich weniger massereich sind als ihre einzelnen, ungebundenen Bestandteile. Während zwei Neutronen etwa 2 MeV haben (wobei ein MeV eine Million Elektronenvolt ist, ein Maß für die Energie), haben mehr Energie als zwei Protonen – gemäß Einsteins E = mc² – ist ein Heliumkern um das Äquivalent von 28 MeV leichter als vier ungebundene Protonen .

Mit anderen Worten: Der Prozess der Kernfusion setzt Energie frei: Ungefähr 0,7 % aller miteinander verschmelzenden Protonen werden in Energie umgewandelt, die sowohl von Neutrinos als auch von Photonen getragen wird.

Wir beobachten, wie die Sonne über ihre gesamte Oberfläche eine Dauerleistung von 4 × 10²⁶ Watt abgibt. Diese Energiemenge führt dazu, dass jede Sekunde eine enorme Anzahl von Protonen – etwa mehr als 10³⁸ – in dieser Kettenreaktion miteinander verschmelzen. Dies ist natürlich über ein enormes Raumvolumen verteilt, da das Innere der Sonne riesig ist; Der durchschnittliche Mensch produziert bei der Verstoffwechselung seiner täglichen Nahrung mehr Energie als ein äquivalentes Volumen der Sonne in Menschengröße.

Aber angesichts all dieser Reaktionen, die im Inneren der Sonne ablaufen, fragen Sie sich vielleicht, wie effizient diese Reaktionen sind. Bekommen wir wirklich genug davon, um die gesamte Energie zu erzeugen, die die Sonne erzeugt? Kann dies wirklich zu einer so enormen Energieausbeute führen und erklären, wie die Sonne scheint?

Es ist eine komplexe Frage, und wenn Sie anfangen, quantitativ darüber nachzudenken, kommen Sie zu den folgenden Zahlen.

Die Sonne ist viel größer und massereicher als alles, was wir in unserem Leben erlebt haben. Wenn man den gesamten Planeten Erde nehmen und eine Reihe davon über den Durchmesser der Sonne ausrichten würde, wären 109 Erden nötig, um den ganzen Weg über die Sonne zu schaffen. Wenn man die gesamte Masse des Planeten Erde berücksichtigen würde, müsste man mehr als 300.000 davon ansammeln, um der Masse unserer Sonne zu entsprechen.

Alles in allem besteht die Sonne aus etwa 10⁵⁷ Teilchen, wobei etwa 10 % dieser Teilchen in der Fusionsregion vorhanden sind, die den Kern der Sonne definiert. Im Inneren des Kerns passiert Folgendes:

Das klingt vernünftig, oder? Angesichts der enormen Zahl der auftretenden Protonenkollisionen, ihrer Geschwindigkeit und der Tatsache, dass nur ein winziger, fast unmerklicher Bruchteil davon tatsächlich verschmelzen müsste, könnte dies sicherlich erreichbar sein.

Also machen wir die Rechnung. Wir berechnen, basierend darauf, wie sich Teilchen verhalten und bewegen, wenn es eine ganze Menge davon unter einem bestimmten Satz von Energien und Geschwindigkeiten gibt, wie viele Proton-Proton-Kollisionen genug Energie haben, um bei diesen Reaktionen eine Kernfusion auszulösen.

Um dorthin zu gelangen, müssen sich die beiden Protonen nur so nahe kommen, dass sie sich physisch berühren können, und so die Tatsache überwinden, dass beide Protonen positive elektrische Ladungen haben und sich solche Ladungen abstoßen.

Wie viele der etwa 10⁵⁶ Protonen im Sonnenkern, die milliardenfach pro Sekunde kollidieren, haben also tatsächlich genug Energie, um eine Fusionsreaktion auszulösen?

Genau null.

Und doch passiert es irgendwie. Kernfusion treibt nicht nur erfolgreich die Sonne an, sondern auch Sterne, die weitaus weniger massereich sind – und weitaus niedrigere Kerntemperaturen haben – als unsere eigenen. Wasserstoff wird in Helium umgewandelt; es kommt zu einer Fusion; Sternenlicht entsteht; Planeten werden potenziell bewohnbar.

Was ist also das Geheimnis?

Hier kommt die Quantenphysik ins Spiel. Auf subatomarer Ebene verhalten sich Atomkerne eigentlich nicht nur wie Teilchen, sondern eher wie Wellen. Natürlich kann man die physikalische Größe eines Protons messen, aber dadurch wird sein Impuls von Natur aus unsicher. Sie können auch den Impuls eines Protons messen – im Wesentlichen das, was wir getan haben, als wir seine Geschwindigkeit berechnet haben –, aber dadurch wird seine Position von Natur aus unsicherer.

Stattdessen ist jedes Proton ein Quantenteilchen, dessen physikalischer Standort besser durch eine Wahrscheinlichkeitsfunktion als durch eine festgelegte Position beschrieben werden kann.

Aufgrund der Quantennatur dieser Protonen können sich die Wellenfunktionen zweier Protonen überlappen. Sogar Protonen, die nicht genug Energie haben, um die abstoßende elektrische Kraft zwischen ihnen zu überwinden, können sehen, dass sich ihre Wellenfunktionen überlappen, und diese Überlappung bedeutet, dass sie eine begrenzte Wahrscheinlichkeit haben, Quantentunneln zu erleben: wo sie in einen stabileren gebundenen Zustand gelangen können als sie anfänglicher, freier Zustand.

Sobald Sie aus zwei Protonen Deuterium gebildet haben – den schwierigen Teil – kann der Rest der Kettenreaktion recht schnell ablaufen und in kurzer Zeit zur Bildung von Helium-4 führen.

Die Wahrscheinlichkeit, Deuterium zu bilden, ist jedoch sehr gering. Tatsächlich werden bei jeder einzelnen Proton-Proton-Wechselwirkung, die im Kern der Sonne auftritt, praktisch alle das einfachste Ergebnis haben, das man sich vorstellen kann: Ihre Wellenfunktionen überlappen sich vorübergehend, dann hören sie auf, sich zu überlappen, und alles, was Sie am Ende haben, sind zwei gleiche Protonen als das, womit du angefangen hast. Aber in einem sehr kleinen Bruchteil der Zeit, etwa bei 1 von 10²⁸ Kollisionen (erinnern Sie sich an die Zahl von früher?), verschmelzen zwei Protonen miteinander und erzeugen ein Deuteron sowie ein Positron und ein Neutrino und möglicherweise auch ein Photon.

Wenn sich die Wellenfunktionen zweier Protonen im Sonnenkern überlappen, besteht nur eine geringe Chance, dass sie etwas anderes tun, als wieder zwei Protonen zu sein. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie zu einem Deuteriumkern verschmelzen, ist ungefähr so ​​hoch wie ein dreimaliger Gewinn in der Powerball-Lotterie: astronomisch gering. Und doch gibt es im Inneren der Sonne so viele Protonen, dass dies so oft gelingt, dass es nicht nur unsere Sonne, sondern praktisch alle Sterne im Universum mit Energie versorgt.

In den letzten 4,5 Milliarden Jahren ist dies in unserer Sonne so oft passiert, dass sie aufgrund der Kernfusion und Einsteins berühmtester Gleichung: E ​​= mc² ungefähr die Masse des Saturn verloren hat. Ohne die Quantennatur des Universums würde es in der Sonne jedoch überhaupt keine Kernfusion geben und die Erde wäre einfach ein kalter, lebloser Stein, der im Abgrund des Weltraums schwebt. Nur aufgrund der Unsicherheit, die Position, Impuls, Energie und Zeit innewohnt, ist unsere Existenz überhaupt möglich. Ohne Quantenphysik könnte die Sonne nicht scheinen. Im wahrsten Sinne des Wortes haben wir tatsächlich im kosmischen Lotto gewonnen.