Скільки часу потрібно, щоб фотони вийшли з ядра Сонця назовні?

Сонце - куля водню настільки велика, що гравітаційний тиск у центрі відбирає електрони від атомів водню і так щільно штовхає протони, що вони прилипають один до одного. "Прилипання" з часом створює гелій, а також виділяє енергію у вигляді гамма-квантів. Ці фотони пробиваються крізь частинки на сонці, втрачаючи частину енергії по дорозі і, нарешті, пробиваючись із сонця у вигляді рентгенівського, інфрачервоного та видимого світла. Шлях від центру до появи сонця займає багато кроків і багато років.

Створення гелію з водню в ядрі Сонця є триступеневим процесом, який безпосередньо випускає один гамма-промінь, а опосередковано - інший. Гамма-промені - це електромагнітне випромінювання, як і мікрохвилі, радіохвилі та світлові хвилі, а це означає, що вони рухаються зі швидкістю світла: 300 000 кілометрів на секунду (186 000 миль на секунду). Радіус Сонця становить близько 700 000 кілометрів (435 000 миль). Отже, ви можете розумно очікувати, що гамма-промінь потрапить поза сонцем приблизно через 2,3 секунди після його створення. Але цього не відбувається.

У ядрі Сонця протони та ядра гелію настільки товсті, що випромінюваний гамма-промінь не може зайти дуже далеко до того, як він поглинеться. Якщо ви уявляєте, що гамма-проміння випромінюється прямо в центрі Сонця, тоді воно почне рухатися прямо до поверхні. Коли він врізається в протон, результатом зіткнення є протон з додатковою енергією. Протон віддає цю додаткову енергію, випромінюючи черговий фотон гамма-променів. Але цей міг рухатися в будь-який бік - навіть туди, звідки він починався. Так відбувається, коли гамма-проміння рухається від одного зіткнення до іншого, змінюючи свій напрямок кожного разу, коли воно поглинається і повторно випромінюється.

Уявіть, є хлопець настільки п’яний, що йому потрібно втриматися за легкий стовп, щоб встати. Він хоче дістатися до наступного світлового стовпа, лише за 10 кроків, але він настільки напідпитку, що не може ходити по прямій. Чорт візьми, він настільки напідпитку, що після того, як він зробить один крок, його наступний крок може бути в іншому напрямку. Ось що фізики та математики називають проблемою "вигулу п'яниці" або "випадкової прогулянки". Питання в тому, скільки часу знадобиться тому хлопцеві, щоб перейти від одного ліхтарного стовпа до наступного? Відповідь полягає в тому, що якщо його початкову точку та кінцеву точку розділити 10 кроками, йому знадобиться - в середньому - 100 кроків, щоб дістатися - це 10 квадратів. Це та сама ситуація, з якою стикається гамма-промінь в ядрі Сонця.

Коли ви намагаєтеся вирішити проблему випадкової прогулянки, найголовніше, що вам потрібно знати, - це наскільки великі кроки. Є дві проблеми з тим, як визначити це для фотона гамма-променів на сонці. По-перше, умови неоднакові на всьому протязі сонця, тому відстань між гамма-променями "падає" разом з іншими частинками. По-друге, ніхто ніколи не відвідував центр сонця, тому в будь-якому випадку потрібно зробити деякі припущення. Існують всілякі обґрунтовані припущення, які варіюються від однієї десятої міліметра до приблизно сантиметра. Вибір цієї відстані має великий вплив на підрахунок часу.

Радіус сонця становить 700 000 кілометрів, що становить 7 трильйонів "кроків", якщо кожен крок становить десяту частину міліметра, і 70 мільярдів кроків, якщо кожен крок становить 1 сантиметр. З проблеми прогулянки п’яниці ви знаєте, що середня кількість кроків, необхідних для досягнення певної відстані, дорівнює квадрату кількості кроків, яких потрібно пройти по прямій. Отже, знадобиться 49 трильйонів трильйонів кроків 0,1 міліметра і 490 мільярдів трильйонів кроків по 1 сантиметр кожен. Час, необхідний для подорожі цими кроками, - це загальна відстань, поділена на швидкість світла. Отже, якщо ви вважаєте, що між аваріями фотони проїжджають лише 0,1 міліметра, фотону буде потрібно більше півмільйона років, щоб уникнути сонця. Якщо ви вважаєте, що це приблизно сантиметр, то фотону буде потрібно близько 5000 років, щоб потрапити поза сонцем.