الشمس عبارة عن كرة من الهيدروجين كبيرة جدًا لدرجة أن ضغط الجاذبية في المركز يزيل الإلكترونات من ذرات الهيدروجين ويدفع البروتونات معًا بإحكام بحيث تلتصق ببعضها البعض. يؤدي "الالتصاق" في النهاية إلى إنتاج الهيليوم ويطلق أيضًا طاقة على شكل فوتونات أشعة جاما. تشق هذه الفوتونات طريقها عبر الجسيمات الموجودة في الشمس ، وتفقد بعض الطاقة على طول الطريق وتشق طريقها أخيرًا للخروج من الشمس مثل الأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي. الطريق من المركز إلى الخروج من الشمس يأخذ العديد من الخطوات وسنوات عديدة.
أشعة غاما
يتكون تكوين الهيليوم من الهيدروجين في لب الشمس من ثلاث مراحل تطلق مباشرة أحد أشعة جاما وتطلق أشعة أخرى بشكل غير مباشر. أشعة جاما هي إشعاع كهرومغناطيسي ، تمامًا مثل الموجات الدقيقة والراديو وموجات الضوء ، مما يعني أنها تسافر بسرعة الضوء: 300000 كيلومتر في الثانية (186000 ميل في الثانية). يبلغ نصف قطر الشمس حوالي 700000 كيلومتر (435000 ميل). لذلك يمكنك أن تتوقع بشكل معقول خروج أشعة جاما من الشمس بعد حوالي 2.3 ثانية من إنشائها. لكن هذا لا يحدث.
الاصطدامات
في قلب الشمس ، تكون البروتونات ونوى الهيليوم سميكة للغاية بحيث لا يمكن لأشعة غاما المنبعثة أن تبتعد كثيرًا قبل امتصاصها. إذا تخيلت أن أشعة جاما تنبعث من مركز الشمس مباشرة ، فسوف تبدأ متجهة إلى السطح مباشرة. عندما يصطدم بالبروتون فإن نتيجة الاصطدام هي بروتون مع طاقة إضافية. يتخلى البروتون عن تلك الطاقة الزائدة عن طريق إصدار فوتون آخر من أشعة جاما. لكن هذا يمكن أن يتجه في أي اتجاه - حتى إلى الخلف من حيث بدأ. وهكذا ، فإن أشعة جاما تتجه من اصطدام إلى آخر ، وتغير اتجاهها في كل مرة يتم امتصاصها وإعادة انبعاثها.
المشي العشوائي
تخيل أن هناك رجلًا مخمورًا لدرجة أنه يحتاج إلى التمسك بعمود ضوئي للوقوف. إنه يريد الوصول إلى مركز الإنارة التالي ، على بعد 10 خطوات فقط ، لكنه في حالة سكر لدرجة أنه لا يستطيع السير في خط مستقيم. هيك ، إنه في حالة سكر لدرجة أنه بعد أن يخطو خطوة واحدة ، يمكن أن تكون خطوته التالية في أي اتجاه آخر. هذا ما يسميه الفيزيائيون والرياضيون بمشكلة "مسيرة السكير" أو مشكلة "المشي العشوائي". السؤال هو ، كم من الوقت سيستغرق هذا الرجل للانتقال من عمود إنارة إلى آخر؟ الإجابة هي أنه إذا كانت نقطة البداية ونقطة النهاية مفصولة بـ 10 خطوات ، فسيحتاج - في المتوسط - 100 خطوة للوصول إلى هناك - أي 10 تربيع. هذا هو نفس الموقف الذي تواجهه أشعة جاما في قلب الشمس.
الافتراضات
عندما تحاول حل مشكلة السير العشوائي ، فإن أهم شيء تحتاج إلى معرفته هو حجم الخطوات. هناك مشكلتان في معرفة ذلك بالنسبة لفوتون أشعة جاما في الشمس. أولاً ، الظروف ليست هي نفسها في جميع أنحاء الشمس ، وبالتالي فإن المسافة بين أشعة جاما "تنهار" مع تغير الجسيمات الأخرى. ثانيًا ، لم يسبق لأي شخص زيارة مركز الشمس ، لذا يجب وضع بعض الافتراضات على أي حال. توجد كل أنواع الافتراضات المعقولة ، والتي تتراوح من عُشر المليمتر إلى حوالي السنتيمتر. اختيار هذه المسافة له تأثير كبير على حساب الوقت.
كم من الوقت يستغرق
نصف قطر الشمس 700000 كيلومتر ، أي 7 تريليون "خطوة" إذا كانت كل خطوة عُشر المليمتر ، و 70 مليار خطوة إذا كانت كل خطوة سنتيمترًا واحدًا. من مسألة مشي السكير ، أنت تعلم أن متوسط عدد الخطوات اللازمة للحصول على مسافة معينة يساوي مربع عدد الخطوات التي يستغرقها السير في خط مستقيم. لذلك سوف يستغرق الأمر 49 تريليون تريليون خطوة من 0.1 ملليمتر و 490 مليار تريليون خطوة كل منها سنتيمتر واحد. الوقت المستغرق لقطع هذه الخطوات هو المسافة الإجمالية مقسومة على سرعة الضوء. لذا ، إذا كنت تعتقد أن الفوتونات تسافر 0.1 ملليمتر فقط بين الاصطدامات ، فسوف يستغرق الفوتون أكثر من نصف مليون سنة ليهرب من الشمس. إذا كنت تعتقد أنه حوالي سنتيمتر واحد ، فسيستغرق الفوتون حوالي 5000 سنة ليخرج من الشمس.