Солнечный свет старше, чем вы думаете — Стен Оденвальд

Полная версия урока: http://ed.ted.com/lessons/sunlight-is-way-older-than-you-think-sten-odenwald

Солнечному лучу требуется всего каких-то 8 минут, чтобы долететь от поверхности Солнца до Земли. Но как вы думаете, как долго длится путешествие этого луча от ядра Солнца к cолнечной поверхности?
Как ни странно, но ответ — тысячи лет. Стен Оденвальд объясняет почему, иллюстрируя проблему «случайных блужданий».

Урок — Стен Оденвальд, анимация — Студия ТОТЕМ.

Вероятно, вы знаете, что солнечному лучу
требуется всего каких-то 8 минут,

чтобы долететь
от поверхности Солнца до нас.

А как вы думаете, как долго длится

путешествие этого луча от ядра Солнца
к солнечной поверхности?

Несколько секунд или не больше минуты?

Как ни странно, но ответ — тысячи лет.

И вот почему.

Фотоны возникают в результате
ядерных реакций глубоко в ядре Солнца.

Как только фотоны покидают ядро, они,
взаимодействуя с материей, теряют энергию

и становятся более длинными волнами света.

В начале пути, в ядре, —
это гамма-излучение,

затем оно становится рентгеновским,
ультрафиолетовым или видимым излучением.

Однако это путешествие не назовёшь
ни простым, ни прямолинейным.

С момента рождения каждый фотон движется
со скоростью 300 000 километров в секунду

пока не столкнётся с протоном, тем самым
меняя направление движения,

подобно пуле, отскакивая
от каждой заряженной частицы при ударе.

Вопрос о том, как далеко этот фотон
уходит от центра Солнца

после каждого столкновения,

известен нам как проблема
«случайных блужданий».

Ответ на этот вопрос заключён в формуле:

расстояние равно размеру шага, умноженному
на квадратный корень из числа шагов.

Так, если бы вы начали
«случайно блуждать» от вашей входной двери

с шагом один метр в секунду,

вам бы понадобился миллион шагов
и одиннадцать дней

только лишь для того,
чтобы пройти один километр.

Так сколько же времени нужно фотону,
рождённому в центре Солнца,

чтобы добраться до вас?

Мы знаем массу Солнца

и можем использовать её для подсчёта
количества протонов внутри него.

Давайте предположим на секунду, что все
протоны Солнца равномерно распределены,

с расстоянием между ними
в среднем 1.0 x 10^-10 метров.

Для случайного блуждания на 690 000 км
от ядра к солнечной поверхности

может потребоваться 3.9 x 10^37 шагов,

что соответствует путешествию
в 400 миллиардов лет.

Хм, но этого не может быть.

Солнцу только 4,6 миллиарда лет.
Значит, что-то пошло не так?

Два момента.

Солнце имеет неоднородную плотность,

и фотоны проходят мимо многих
протонов между столкновениями.

В действительности, энергия фотона,

которая меняется на протяжении пути,

определяет, насколько вероятно
его взаимодействие с протоном.

К вопросу о плотности.

Наши модели показывают, что Солнце
имеет горячее ядро,

в котором происходят
термоядерные реакции.

Ядро окружено зоной лучистого переноса,

затем вплоть до поверхности Cолнца
следует конвективная зона.

Вещество в ядре
намного плотнее, чем свинец,

тогда как горячая плазма у поверхности
в миллионы раз менее плотная,

а между ними — плотность разной степени.

Теперь про отношения между фотоном
и энергией.

Для фотона, который заряжен
небольшим количеством энергии,

протон действительно огромен,

и эта разница, вероятно, является причиной
отскакивания фотонов.

А для фотонов высокой энергии
верно обратное.

Протоны невероятно малы.

Фотоны стартуют с очень высокой энергией,
по сравнению с тем,

что у них остаётся, когда они наконец
испускаются с поверхности Солнца.

Сегодня, когда мы используем компьютер
и более точную модель строения Солнца,

подсчёт случайного блуждания
с этими изменяющимися величинами

даёт нам результат — 170 000 лет.

Новые исследования Солнца, возможно,
дадут нам более точное число,

но сейчас нам известно следующее:

солнечный свет,
слепящий нам глаза сегодня,

потратил 170 000 лет на игру в пинбол
по дороге к поверхности Солнца,

а затем провёл 8 мимолётных минут
в космосе.

Другими словами, фотоны начали своё
путешествие два ледниковых периода назад,

почти в то же самое время,
когда люди впервые надели на себя одежду.