Światło słoneczne jest starsze, niż myślisz - Sten Odenwald

Zobacz całą lekcję: http://ed.ted.com/lessons/sunlight-is-way-older-than-you-think-sten-odenwald

Zaledwie osiem błyskawicznych minut zajmuje światłu dotarcie do Ziemi z powierzchni Słońca. Ale ile czasu to samo światło wędruje z jądra Słońca do jego powierzchni? Choć może wydawać się to dziwne, trwa to wiele tysięcy lat. Sten Odenwald wyjaśnia, dlaczego tak jest za pomocą zagadnienia błądzenia losowego.

Lekcja: Sten Odenwald, animacja: TOTEM Studio.

Być może wiesz, że światło
potrzebuje szybkich ośmiu minut,

żeby dotrzeć do nas z powierzchni Słońca.

Ile więc czasu zajmie światłu

dotarcie z jądra Słońca
do jego powierzchni?

Kilka sekund, góra minutę?

Choć może wydawać się to dziwne,
trwa to wiele tysięcy lat.

Oto powód.

Fotony powstają w reakcjach nuklearnych
głęboko w jądrze Słońca.

Po uwolnieniu z jądra fotony wchodzą
w interakcje z materią i tracą energię,

stając się formą światła
o większej długości fali.

Zaczynają w jądrze
jako promieniowanie gamma,

kończąc przy powierzchni jako promienie X,
ultrafiolet albo światło widzialne.

Jednak ta podróż nie jest
ani łatwa, ani bezpośrednia.

Od narodzin foton wędruje z prędkością
300 tysięcy kilometrów na sekundę,

aż zderzy się z jakimś protonem
i zostanie skierowany w inną stronę

niczym kula odbijająca się rykoszetem
od każdej napotkanej dodatniej cząsteczki.

Pytanie, jaką odległość przebywa
taki foton od środka Słońca

po każdym zderzeniu,

to główne zagadnienie
tak zwanego błądzenia losowego.

Odpowiedź da nam ten wzór.

Odległość równa się wielkość kroku
razy pierwiastek z dwóch ilości kroków.

Zaczynając błądzenie losowe
u progu swojego domu,

wykonując co sekundę metrowy krok,

wykonalibyście milion kroków
w jedenaście dni,

a pokonalibyście tylko jeden kilometr.

Ile czasu powstały w jądrze Słońca
foton potrzebowałby,

żeby do nas dotrzeć?

Znamy masę Słońca

i dzięki temu możemy wyliczyć
ilość zawartych w nim fotonów.

Załóżmy chwilowo, że protony w Słońcu
są rozłożone równomiernie,

średnia odległość między nimi
niech wynosi 1,0 x 10^-10 metra.

Błądzenie losowe przez 690 tysięcy
kilometrów od jądra do powierzchni Słońca

potrzebowałoby 3,9 x 10^37 kroków,

a całkowity czas podróży
wyniósłby 400 miliardów lat.

Coś się nie zgadza.

Słońce ma zaledwie 4,6 miliarda lat,
co poszło nie tak?

Dwie rzeczy.

Słońce nie ma stałej gęstości,

więc fotony ominą niektóre protony
pomiędzy swoimi zderzeniami.

Tak naprawdę energia fotonu,

zmieniająca się w trakcie jego podróży,

określa, jak zachowa się on wobec protonu.

Jeżeli chodzi o gęstość,

nasze modele zakładają,
że Słońce ma gorące jądro,

w którym zachodzą reakcje termojądrowe.

Otacza je strefa promienista,

a następnie strefa konwektywna
rozciągająca się aż do powierzchni.

Materiał w jądrze jest gęstszy niż ołów,

podczas gdy gorąca plazma
przy powierzchni jest milion razy rzadsza,

z zachowaniem ciągłości pomiędzy nimi.

A oto relacja pomiędzy fotonem a energią.

W porównaniu do fotonu niosącego
niewielki ładunek energetyczny

proton jest znacznie większy,

więc zwiększa się prawdopodobieństwo,
że odbije foton rykoszetem.

Sprawa wygląda odwrotnie
przy wysokoenergetycznych fotonach.

Protony niewiele mogą im zrobić.

Fotony startują z bardzo wysoką energią

w porównaniu do momentu
opuszczenia powierzchni Słońca.

Za pomocą komputera
i specjalnego modelu wnętrza Słońca

obliczymy równanie błądzenia losowego
przy tych zmiennych wartościach.

Wychodzi 170 tysięcy lat.

Przyszłe odkrycia dotyczące Słońca
mogą przedefiniować tę liczbę,

ale póki co wiedza naukowa pozwala sądzić,

że światło wpadające dziś do naszych oczu

spędziło 170 tysięcy lat, przebijając się
w drodze do powierzchni Słońca,

plus dodatkowe osiem minutek w kosmosie.

Innymi słowy, ten foton zaczął
podróż dwie epoki lodowcowe temu,

mniej więcej w tym czasie,
kiedy ludzie zaczęli nosić odzież.