โฟตอนจะโผล่ออกมาจากแกนกลางดวงอาทิตย์ออกสู่ภายนอกนานแค่ไหน?

ดวงอาทิตย์เป็นลูกบอลไฮโดรเจนที่ใหญ่มากจนแรงดึงดูดที่จุดศูนย์กลางดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของไฮโดรเจนและดันโปรตอนเข้าหากันแน่นจนเกาะติดกัน ในที่สุด "การเกาะติด" จะสร้างฮีเลียมและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนรังสีแกมมา โฟตอนเหล่านั้นเคลื่อนตัวผ่านอนุภาคในดวงอาทิตย์ สูญเสียพลังงานบางส่วนไปตลอดทาง และในที่สุดก็ออกจากดวงอาทิตย์เป็นรังสีเอกซ์ อินฟราเรด และแสงที่มองเห็นได้ เส้นทางจากศูนย์กลางสู่การเกิดขึ้นจากดวงอาทิตย์ใช้เวลาหลายก้าวและหลายปี

การสร้างฮีเลียมจากไฮโดรเจนในแกนกลางของดวงอาทิตย์เป็นกระบวนการสามขั้นตอนที่ปล่อยรังสีแกมมาตัวหนึ่งออกโดยตรงและปล่อยอีกรังสีหนึ่งโดยอ้อม รังสีแกมมาเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เช่นเดียวกับไมโครเวฟ วิทยุ และคลื่นแสง ซึ่งหมายความว่าพวกมันเดินทางด้วยความเร็วแสง: 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที (186,000 ไมล์ต่อวินาที) ดวงอาทิตย์มีรัศมีประมาณ 700,000 กิโลเมตร (435,000 ไมล์) ดังนั้นคุณสามารถคาดหวังได้อย่างสมเหตุสมผลว่ารังสีแกมมาจะออกไปนอกดวงอาทิตย์ประมาณ 2.3 วินาทีหลังจากที่มันถูกสร้างขึ้น แต่นั่นไม่ได้เกิดขึ้น

ในแกนกลางของดวงอาทิตย์ โปรตอนและนิวเคลียสของฮีเลียมมีความหนามากจนรังสีแกมมาที่ปล่อยออกมาไม่สามารถเข้าไปได้ไกลนักก่อนที่จะถูกดูดกลืน หากคุณจินตนาการว่ารังสีแกมมาถูกปล่อยออกมาที่ใจกลางดวงอาทิตย์ รังสีแกมมาก็จะเริ่มพุ่งตรงไปยังพื้นผิว เมื่อมันชนโปรตอน ผลของการชนคือโปรตอนที่มีพลังงานพิเศษ โปรตอนสูญเสียพลังงานพิเศษนั้นโดยปล่อยโฟตอนรังสีแกมมาอีกตัวหนึ่ง แต่สิ่งนี้สามารถมุ่งหน้าไปในทิศทางใดก็ได้ แม้กระทั่งกลับไปที่จุดเริ่มต้น รังสีแกมมาจะเคลื่อนตัวจากการชนกันหนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยจะเปลี่ยนทิศทางของมันทุกครั้งที่ถูกดูดกลืนและปล่อยออกมาใหม่

ลองนึกภาพว่ามีผู้ชายคนหนึ่งเมามากจนต้องยึดเสาไฟเพื่อยืนขึ้น เขาต้องการไปที่เสาไฟถัดไปเพียง 10 ก้าว แต่เขาเมามากจนเดินเป็นเส้นตรงไม่ได้ เฮ็ค เขาเมามากจนหลังจากก้าวไปหนึ่งก้าว ก้าวต่อไปของเขาอาจจะไปในทิศทางอื่นก็ได้ นั่นคือสิ่งที่นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์เรียกว่าปัญหา "การเดินเมา" หรือ "การเดินสุ่ม" คำถามคือ ผู้ชายคนนั้นจะใช้เวลานานแค่ไหนในการเดินทางจากเสาหนึ่งไปอีกเสาหนึ่ง? คำตอบคือถ้าจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของเขาถูกคั่นด้วย 10 ขั้นตอน โดยเฉลี่ยแล้วเขาจะต้องไปถึง 100 ขั้น นั่นคือ 10 กำลังสอง นั่นคือสถานการณ์เดียวกันกับที่รังสีแกมมาเผชิญในแกนกลางของดวงอาทิตย์

เมื่อคุณพยายามแก้ปัญหาการเดินสุ่ม สิ่งสำคัญที่สุดที่คุณต้องรู้คือขั้นตอนใหญ่แค่ไหน มีปัญหาสองประการในการหาโฟตอนรังสีแกมมาในดวงอาทิตย์ ประการแรก สภาพของดวงอาทิตย์ไม่เท่ากันทั้งหมด ดังนั้นระยะห่างระหว่างรังสีแกมมา "ตก" กับอนุภาคอื่นๆ จึงเปลี่ยนไป ประการที่สอง ไม่มีใครเคยไปที่จุดศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีสมมติฐานบางประการ มีข้อสันนิษฐานที่สมเหตุสมผลทุกประเภท ตั้งแต่หนึ่งในสิบของมิลลิเมตรไปจนถึงประมาณหนึ่งเซนติเมตร การเลือกระยะทางนี้มีผลอย่างมากต่อการคำนวณเวลา

รัศมีของดวงอาทิตย์อยู่ที่ 700,000 กิโลเมตร ซึ่งเท่ากับ 7 ล้านล้าน "ขั้น" หากแต่ละก้าวมีค่าเท่ากับหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร และ 70 พันล้านก้าวหากแต่ละก้าวคือ 1 เซนติเมตร จากปัญหาการเดินของคนขี้เมา คุณทราบดีว่าจำนวนก้าวโดยเฉลี่ยที่ต้องใช้เพื่อให้ได้ระยะทางหนึ่งๆ เท่ากับกำลังสองของจำนวนก้าวที่ต้องใช้ในการวิ่งเป็นเส้นตรง ดังนั้นจะใช้เวลา 49 ล้านล้านขั้นตอน 0.1 มม. และ 490 ล้านล้านล้านขั้นแต่ละ 1 ซม. เวลาที่ใช้ในการเดินทางตามขั้นเหล่านั้นคือระยะทางทั้งหมดหารด้วยความเร็วแสง ดังนั้น หากคุณคิดว่าโฟตอนเดินทางระหว่างการชนกันเพียง 0.1 มิลลิเมตร โฟตอนจะใช้เวลามากกว่าครึ่งล้านปีในการหลบหนีจากดวงอาทิตย์ ถ้าคุณคิดว่ามันประมาณหนึ่งเซนติเมตร มันจะใช้เวลาประมาณ 5,000 ปีกว่าที่โฟตอนจะออกไปนอกดวงอาทิตย์