Πόσος χρόνος χρειάζεται για να βγουν τα φωτόνια από τον πυρήνα του ήλιου προς τα έξω;

Ο ήλιος είναι μια σφαίρα υδρογόνου τόσο μεγάλη που η βαρυτική πίεση στο κέντρο απομακρύνει ηλεκτρόνια από τα άτομα υδρογόνου και ωθεί τα πρωτόνια τόσο σφιχτά μεταξύ τους ώστε να κολλάνε το ένα στο άλλο. Το "sticking" δημιουργεί τελικά ήλιο και απελευθερώνει επίσης ενέργεια με τη μορφή φωτονίων ακτίνων γάμμα. Αυτά τα φωτόνια περνούν μέσα από τα σωματίδια στον ήλιο, χάνοντας λίγη ενέργεια κατά μήκος του δρόμου και τελικά βγάζουν τον ήλιο ως ακτίνες Χ, υπέρυθρο και ορατό φως. Η διαδρομή από το κέντρο προς την ανάδυση από τον ήλιο διαρκεί πολλά βήματα και πολλά χρόνια.

Η δημιουργία ηλίου από υδρογόνο στον πυρήνα του ήλιου είναι μια διαδικασία τριών σταδίων που απελευθερώνει άμεσα μια ακτίνα γάμμα και απελευθερώνει έμμεσα μια άλλη. Οι ακτίνες γάμμα είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως τα μικροκύματα, το ραδιόφωνο και τα κύματα φωτός, που σημαίνει ότι ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός: 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο (186.000 μίλια το δευτερόλεπτο). Ο ήλιος έχει ακτίνα περίπου 700.000 χιλιομέτρων (435.000 μίλια). Έτσι θα μπορούσατε εύλογα να περιμένετε ότι μια ακτίνα γάμμα θα βγει έξω από τον ήλιο περίπου 2,3 δευτερόλεπτα μετά τη δημιουργία της. Αλλά αυτό δεν συμβαίνει.

Στον πυρήνα του ήλιου τα πρωτόνια και οι πυρήνες ηλίου είναι τόσο παχιά που μια εκπεμπόμενη ακτίνα γάμμα δεν μπορεί να φτάσει πολύ μακριά πριν απορροφηθεί. Εάν φαντάζεστε ότι μια ακτίνα γάμμα εκπέμπεται ακριβώς στο κέντρο του ήλιου, τότε θα αρχίσει να κατευθύνεται δεξιά για την επιφάνεια. Όταν συντρίβει σε ένα πρωτόνιο, το αποτέλεσμα της σύγκρουσης είναι ένα πρωτόνιο με επιπλέον ενέργεια. Το πρωτόνιο εγκαταλείπει αυτήν την επιπλέον ενέργεια εκπέμποντας ένα άλλο φωτόνιο ακτίνων γάμμα. Αλλά αυτό θα μπορούσε να κατευθυνθεί προς οποιαδήποτε κατεύθυνση - ακόμη και από εκεί που ξεκίνησε. Και έτσι πηγαίνει, με την ακτίνα γάμμα να κατευθύνεται από τη μία σύγκρουση στην άλλη, αλλάζοντας την κατεύθυνση κάθε φορά που απορροφάται και εκπέμπεται εκ νέου.

Φανταστείτε ότι υπάρχει ένας άντρας τόσο μεθυσμένος που πρέπει να κρατήσει μια ελαφριά θέση για να σηκωθεί. Θέλει να φτάσει στο επόμενο φως, μόλις 10 βήματα μακριά, αλλά είναι τόσο μεθυσμένος που δεν μπορεί να περπατήσει σε ευθεία γραμμή. Heck, είναι τόσο μεθυσμένος που αφού έκανε ένα βήμα το επόμενο βήμα του θα μπορούσε να είναι προς οποιαδήποτε άλλη κατεύθυνση. Αυτό είναι που οι φυσικοί και οι μαθηματικοί αποκαλούν πρόβλημα «μεθυσμένος με τα πόδια» ή «τυχαία βόλτα». Το ερώτημα είναι, πόσο καιρό θα πάρει αυτός ο τύπος από το ένα φωτιστικό στο άλλο; Η απάντηση είναι ότι αν το σημείο εκκίνησης και το τελικό σημείο διαχωρίζονται με 10 βήματα, θα τον πάρει - κατά μέσο όρο - 100 βήματα για να φτάσει εκεί - αυτό είναι 10 τετράγωνο. Αυτή είναι η ίδια κατάσταση που αντιμετωπίζει μια ακτίνα γάμμα στον πυρήνα του ήλιου.

Όταν προσπαθείτε να λύσετε ένα πρόβλημα τυχαίας πορείας, το πιο σημαντικό πράγμα που πρέπει να γνωρίζετε είναι το πόσο μεγάλα είναι τα βήματα. Υπάρχουν δύο προβλήματα με το να το καταλάβουμε για ένα φωτόνιο ακτίνων γάμμα στον ήλιο. Πρώτον, οι συνθήκες δεν είναι ίδιες σε όλο τον ήλιο, οπότε η απόσταση μεταξύ της ακτίνας γάμμα "συντρίβεται" με άλλα σωματίδια αλλάζει. Δεύτερον, κανείς δεν έχει επισκεφθεί ποτέ το κέντρο του ήλιου, οπότε πρέπει να γίνουν κάποιες υποθέσεις. Υπάρχουν όλες οι λογικές υποθέσεις, οι οποίες κυμαίνονται από το ένα δέκατο του χιλιοστού έως περίπου ένα εκατοστό. Η επιλογή αυτής της απόστασης έχει μεγάλο αντίκτυπο στον υπολογισμό του χρόνου.

Η ακτίνα του ήλιου είναι 700.000 χιλιόμετρα, που είναι 7 τρισεκατομμύρια "βήματα" εάν κάθε βήμα είναι το δέκατο του χιλιοστού, και 70 δισεκατομμύρια βήματα εάν κάθε βήμα είναι 1 εκατοστό. Από το πρόβλημα του μεθυσμένου περπατήματος, γνωρίζετε ότι ο μέσος αριθμός βημάτων που χρειάζεται για να πάρει μια συγκεκριμένη απόσταση ισούται με το τετράγωνο του αριθμού των βημάτων που θα έκανε για να ακολουθήσει μια ευθεία γραμμή. Έτσι θα χρειαστούν 49 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια βήματα 0,1 χιλιοστόμετρα και 490 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια βήματα 1 εκατοστό το καθένα. Ο χρόνος που απαιτείται για να ταξιδέψετε αυτά τα βήματα είναι η συνολική απόσταση διαιρούμενη με την ταχύτητα του φωτός. Έτσι, εάν πιστεύετε ότι τα φωτόνια ταξιδεύουν μόνο 0,1 χιλιοστά μεταξύ των συντριβών, θα χρειαστούν περισσότερα από μισό εκατομμύριο χρόνια για να διαφύγει το φωτονίο από τον ήλιο. Αν νομίζετε ότι είναι περίπου ένα εκατοστό, τότε θα χρειαστούν περίπου 5.000 χρόνια για να βγει το φωτόνιο έξω από τον ήλιο.