Солнце представляет собой шар из водорода, настолько большой, что гравитационное давление в центре отделяет электроны от атомов водорода и сжимает протоны так плотно, что они прилипают друг к другу. «Прилипание» в конечном итоге создает гелий, а также высвобождает энергию в виде гамма-фотонов. Эти фотоны проходят сквозь частицы на Солнце, теряя при этом часть энергии и, наконец, уходят из Солнца в виде рентгеновских лучей, инфракрасного и видимого света. Путь от центра к выходу из Солнца занимает много шагов и много лет.
Гамма лучи
Создание гелия из водорода в ядре Солнца - это трехэтапный процесс, при котором один гамма-луч испускается напрямую, а другой - косвенно. Гамма-лучи - это электромагнитное излучение, такое же, как микроволны, радио и световые волны, что означает, что они распространяются со скоростью света: 300 000 километров в секунду (186 000 миль в секунду). Солнце имеет радиус около 700 000 километров (435 000 миль). Таким образом, вы могли разумно ожидать, что гамма-луч выйдет за пределы Солнца примерно через 2,3 секунды после его создания. Но этого не происходит.
Столкновения
В ядре Солнца протоны и ядра гелия настолько толстые, что испускаемый гамма-луч не может далеко уйти, пока он не будет поглощен. Если вы вообразите, что гамма-луч испускается прямо в центре солнца, тогда он пойдет прямо к поверхности. Когда он врезается в протон, в результате столкновения возникает протон с дополнительной энергией. Протон отдает эту дополнительную энергию, испуская еще один гамма-фотон. Но этот мог направиться в любом направлении - даже туда, откуда он начался. И так далее: гамма-луч движется от одного столкновения к другому, меняя свое направление каждый раз, когда он поглощается и повторно излучается.
Случайное блуждание
Представьте, что есть парень настолько пьян, что ему нужно держаться за световой столб, чтобы встать. Он хочет добраться до следующего светового столба, всего в 10 шагах от него, но он настолько пьян, что не может идти по прямой. Черт возьми, он настолько пьян, что после того, как он сделает один шаг, его следующий шаг может быть в любом другом направлении. Это то, что физики и математики называют проблемой «блуждания пьяницы» или «случайного блуждания». Вопрос в том, сколько времени потребуется этому парню, чтобы добраться от одного фонарного столба до другого? Ответ таков: если его начальная и конечная точки разделены 10 шагами, ему потребуется - в среднем - 100 шагов, чтобы добраться туда - это 10 в квадрате. С такой же ситуацией сталкивается гамма-луч в ядре Солнца.
Предположения
Когда вы пытаетесь решить задачу о случайном блуждании, самое важное, что вам нужно знать, - это насколько велики шаги. Есть две проблемы с выяснением этого для гамма-фотона на Солнце. Во-первых, условия на всем Солнце неодинаковы, поэтому расстояние между гамма-лучами «срезается» с другими частицами. Во-вторых, никто никогда не бывал в центре Солнца, поэтому в любом случае необходимо сделать некоторые предположения. Есть всевозможные разумные предположения, варьирующиеся от одной десятой миллиметра до примерно сантиметра. Выбор этого расстояния имеет большое влияние на расчет времени.
Как долго
Радиус Солнца составляет 700 000 километров, что составляет 7 триллионов «шагов», если каждый шаг составляет десятые доли миллиметра, и 70 миллиардов шагов, если каждый шаг равен 1 сантиметру. Из задачи о прогулке пьяницы вы знаете, что среднее количество шагов, которое нужно сделать, чтобы преодолеть определенное расстояние, равно квадрату количества шагов, которые потребовались бы, чтобы пройти по прямой. Таким образом, потребуется 49 триллионов триллионов шагов по 0,1 миллиметра и 490 миллиардов триллионов шагов по 1 сантиметру каждый. Время, необходимое для прохождения этих шагов, - это общее расстояние, деленное на скорость света. Итак, если вы думаете, что фотоны проходят между столкновениями всего 0,1 миллиметра, то фотону потребуется более полумиллиона лет, чтобы покинуть Солнце. Если вы думаете, что это около сантиметра, то фотону потребуется около 5000 лет, чтобы выйти за пределы Солнца.