Cât durează fotonii să iasă din miezul soarelui în exterior?

Soarele este o minge de hidrogen atât de mare încât presiunea gravitațională din centru scoate electronii din atomii de hidrogen și împinge protonii atât de strâns, încât se lipesc unul de celălalt. „Lipirea” creează în cele din urmă heliu și, de asemenea, eliberează energie sub formă de fotoni cu raze gamma. Acei fotoni își croiesc drum printre particulele din soare, pierzând ceva energie pe parcurs și în cele din urmă ieșind din soare ca raze X, lumină infraroșie și vizibilă. Calea de la centru la ieșirea din soare durează mulți pași și mulți ani.

Crearea heliului din hidrogen în miezul soarelui este un proces în trei etape care eliberează direct o rază gamma și indirect o alta. Razele gamma sunt radiații electromagnetice, la fel ca microundele, radioul și undele luminoase, ceea ce înseamnă că călătoresc cu viteza luminii: 300.000 de kilometri pe secundă (186.000 de mile pe secundă). Soarele are o rază de aproximativ 700.000 de kilometri (435.000 de mile). Așadar, vă puteți aștepta în mod rezonabil ca o rază gamma să iasă în afara soarelui la aproximativ 2,3 secunde după ce a fost creată. Dar asta nu se întâmplă.

În miezul soarelui protonii și nucleele de heliu sunt atât de groase încât o rază gamma emisă nu poate ajunge prea departe înainte de a fi absorbită. Dacă vă imaginați că o rază gamma este emisă chiar în centrul soarelui, atunci va începe să se îndrepte spre suprafață. Când se prăbușește într-un proton, rezultatul coliziunii este un proton cu energie suplimentară. Protonul renunță la acea energie suplimentară prin emiterea unui alt foton cu raze gamma. Dar acesta se putea îndrepta în orice direcție - chiar chiar înapoi de unde a început. Și așa se întâmplă, cu raza gamma care se îndreaptă de la o coliziune la alta, schimbându-și direcția de fiecare dată când este absorbită și reemisă.

Imaginați-vă că există un tip atât de beat încât trebuie să se țină de un post ușor pentru a se ridica. Vrea să ajungă la următorul post ușor, la doar 10 pași, dar este atât de beat încât nu poate merge pe linie dreaptă. Heck, este atât de beat, încât după ce face un pas, următorul său pas ar putea fi în orice altă direcție. Așa numesc fizicienii și matematicienii problema „mersului bețivului” sau „mers aleatoriu”. Întrebarea este: cât va dura acel tip să ajungă de la un lampadar la altul? Răspunsul este că, dacă punctul său de plecare și punctul de sfârșit sunt separate de 10 pași, îi va lua - în medie - 100 de pași pentru a ajunge acolo - adică 10 la pătrat. Aceasta este aceeași situație cu care se confruntă o rază gamma în miezul soarelui.

Când încercați să rezolvați o problemă de mers aleatoriu, cel mai important lucru pe care trebuie să-l știți este cât de mari sunt pașii. Există două probleme cu identificarea unui foton cu raze gamma la soare. În primul rând, condițiile nu sunt aceleași pe tot parcursul soarelui, astfel încât distanța dintre raza gamma „se prăbușește” cu alte particule se schimbă. În al doilea rând, nimeni nu a vizitat vreodată centrul soarelui, așa că oricum trebuie făcute câteva presupuneri. Există tot felul de presupuneri rezonabile, variind de la o zecime de milimetru la aproximativ un centimetru. Alegerea acestei distanțe are un impact mare asupra calculului timpului.

Raza soarelui este de 700.000 de kilometri, adică 7 trilioane de „trepte” dacă fiecare pas este o zecime de milimetru și 70 de miliarde de trepte dacă fiecare pas este de 1 centimetru. Din problema mersului bețivului, știți că numărul mediu de pași care trebuie parcurși pentru a obține o anumită distanță este egal cu pătratul numărului de pași pe care i-ar lua pentru a merge în linie dreaptă. Deci ar fi nevoie de 49 trilioane trilioane de pași de 0,1 milimetri și 490 miliarde de trilioane de pași de 1 centimetru fiecare. Timpul necesar parcurgerii acestor pași este distanța totală împărțită la viteza luminii. Deci, dacă credeți că fotonii călătoresc doar 0,1 milimetri între accidente, va dura mai mult de o jumătate de milion de ani pentru ca fotonul să scape de soare. Dacă credeți că este de aproximativ un centimetru, atunci fotonul va dura aproximativ 5.000 de ani pentru a ajunge în afara soarelui.