Ánh sáng mặt trời già hơn bạn nghĩ - Sten Odenwald

Xem bài học đầy đủ tại: http://ed.ted.com/lessons/sunlight-is-way-older-than-you-think-sten-odenwald

Ánh sáng Mặt Trời chỉ mất tám phút để tới được Trái Đất, nhưng mất bao lâu để tia sáng đó đi từ lõi Mặt Trời tới bề mặt của nó? Câu trả lời thật đáng ngạc nhiên - hàng ngàn năm. Sten Odenwald sẽ cho chúng ta biết tại sao bằng cách giải thích về vấn đề du động ngẫu nhiên.

Bài học soạn bởi Sten Odenwald, minh họa bởi TOTEM Studio.

Có thể bạn đã biết
ánh sáng chỉ mất tám phút

để đến với chúng ta
từ bề mặt Mặt Trời,

nhưng bạn nghĩ sẽ mất bao lâu

để ánh sáng từ lõi Mặt Trời
tới được bề mặt của nó?

Chỉ vài giây hay cùng lắm là một phút?

Thật ra, câu trả lời là hàng ngàn năm.

Vì sao ư?

Photon được tạo ra bởi
các phản ứng hạt nhân trong lõi Mặt Trời.

Ra khỏi lõi, chúng phản ứng với vật chất
và mất dần năng lượng,

trở thành dạng sóng ánh sáng bước dài.

Ban đầu là tia gamma trong lõi,
nhưng khi tới gần bề mặt,

chúng trở thành tia X, tia cực tím,
hoặc ánh sáng thường.

Tuy nhiên, hành trình ấy
không hề đơn giản.

Khi được sinh ra, mỗi photon
di chuyển với tốc độ 300,000 km/s

tới khi nó va chạm với một hạt khác
và bị chuyển hướng,

giống như một viên đạn nẩy lại
khi chạm phải bất cứ hạt nào.

Vấn đề photon này đi được bao xa
tính từ lõi Mặt Trời

sau mỗi lần va chạm

được gọi là vấn đề du động ngẫu nhiên.

Câu trả lời được đưa ra nhờ công thức sau:

khoảng cách bằng độ dài bước sóng
nhân căn bậc hai của số bước sóng.

Vậy nếu bạn bước đi ngẫu nhiên
từ cửa nhà bạn

với tốc độ 1m/bước/giây,

bạn sẽ mất 1,000,000 bước và 11 ngày

chỉ để đi bộ 1km.

Vậy một hạt photon sinh ra ở lõi Mặt Trời
sẽ mất bao lâu

để đến được chỗ bạn?

Biết khối lượng của Mặt Trời,

ta có thể dùng nó để tính
số lượng proton bên trong.

Giả sử các hạt proton trong Mặt Trời
được phân bố đồng đều,

khoảng cách trung bình giữa chúng
sẽ là 1x10^-10 m.

Để du động ngẫu nhiên 690,000 km
từ lõi tới bề mặt Mặt Trời

cần 3.9 x 10^37 bước,

tương đương với 400 tỉ năm.

Hừm, có gì đó không đúng.

Mặt Trời chỉ mới 4.6 tỉ năm tuổi.
Có điều gì đó không ổn?

Có hai điều:

Mật độ các hạt trong Mặt Trời
không đồng đều

và các photon sẽ mất vài proton
sau mỗi va chạm.

Trong thực tế,
năng lượng của một photon

thay đổi theo đường đi của chúng,

quyết định chúng có phản ứng
với proton hay không.

Về mật độ,

mô hình của chúng ta cho thấy
Mặt Trời có lõi nóng,

ở đó phản ứng nóng chảy diễn ra.

Bao quanh nó là vùng bức xạ,

tiếp đến là vùng đối lưu,
mở rộng đến tận bề mặt.

Vật chất ở lõi đặc hơn chì,

trong khi dung nham nóng chảy gần bề mặt
lỏng hơn khoảng một triệu lần

với mật độ năng lượng dày đặc.

Và đây là mối liên hệ giữa
photon và năng lượng của nó.

Với một photon
mang năng lượng nhỏ,

nó thật sự rất lớn,

và rất có khả năng
sẽ bị bật nảy.

Còn photon mang mức năng lượng cao
thì ngược lại.

Nó sẽ rất bé.

Các hạt photon ban đầu
mang rất nhiều năng lượng

so với khi chúng bị phát xạ
từ bề mặt Mặt Trời.

Khi sử dụng máy tính
và mô hình Hệ Mặt Trời phức tạp

để tính phương trình du động ngẫu nhiên
với những tham số này,

ta được con số sau:
170,000 năm

Những khám phá về Mặt Trời trong tương lai
có lẽ sẽ tính ra con số chính xác hơn,

nhưng giờ đây,
tất cả những gì ta biết là,

ánh sáng đang làm chói mắt ta mỗi ngày

đã mất tận 170,000 năm va chạm
để tìm đường đến bề mặt Mặt Trời,

cộng thêm 8 phút ở ngoài không gian.

Nói cách khác, hạt photon ấy
đã bắt đầu hành trình của mình

từ hai Kỷ Băng Hà trước, lúc con người
mới bắt đầu biết mặc quần áo.