Povestea luminii
Cât de veche e lumina care te-a trezit azi-dimineață?
Drumul prin spațiu durează opt minute. Dar energia din lumină a rătăcit prin Soare vreo 170.000 de ani înainte să pornească. Urmărește-i drumul, pas cu pas.
Începe cu o ghicireImagine: NASA/SDO, domeniu public
Ghicește mai întâi
Cât a durat drumul prin Soare? #
Lumina care te-a trezit a zburat opt minute prin spațiu. Înainte de asta, energia ei a urcat din miezul Soarelui până la suprafață. Alege o variantă. Răspunsul apare după ce te hotărăști.
170.000 de ani.
Răspunsul bun e 170.000 de ani, de peste zece miliarde de ori mai mult decât sprintul prin spațiu. Calculele atente dau între 10.000 și 170.000 de ani. Cea mai bună socoteală de până acum, făcută în 1992, dă 170.000.
Răspunsul: 170.000 de ani.
Răspunsul bun e 170.000 de ani, de peste zece miliarde de ori mai mult decât sprintul prin spațiu. Calculele atente dau între 10.000 și 170.000 de ani. Cea mai bună socoteală de până acum, făcută în 1992, dă 170.000.
Simularea
O plimbare la întâmplare, în pași de un milimetru #
În miezul Soarelui, lumina nu zboară drept. E absorbită și trimisă din nou într-o direcție la întâmplare, pas după pas. Alege lungimea pasului și vezi cât durează ieșirea.
t = R² / (λ · c) Timpul crește când pasul se micșorează: mai mulți pași, fiecare la fel de iute.
- Pasul
- 0,09 cm
- Pași necesari
- 6,0 × 10²³
- Timpul de ieșire
- 56.843 de ani
Socoteala completă, pe straturi: 170.000 de ani.
Pe desen, pașii sunt măriți de miliarde de ori. Altfel n-ai vedea nimic.
Cu pași de 0,09 cm, modelul simplu dă vreo 57.000 de ani.
Modelul de aici folosește pași egali. În Soarele adevărat, pașii cei mai scurți sunt chiar în mijloc, unde lumina petrece cel mai mult timp. De aceea socoteala completă iese mai mare decât arată simularea.
Fiecare pas e scurt: în medie, sub un milimetru. Dar din mijlocul Soarelui până la suprafață sunt aproape 700.000 de kilometri, iar după fiecare pas direcția se schimbă la întâmplare. Socoteala din 1992 numără atâția pași, un 1 urmat de 25 de zerouri.
Împărțită la timpul total, înaintarea medie e de 0,97 centimetri pe secundă: vreo 35 de metri pe oră. Energia urcă spre suprafață foarte încet.
Regula e nemiloasă: de 100 de ori mai mulți pași te duc doar de 10 ori mai departe. După 100 de pași la întâmplare ești la vreo 10 metri de pornire, după 10.000, la 100 de metri. De aceea ieșirea din Soare cere atâția pași.
Cele două timpuri
Opt minute și 170.000 de ani, pe aceeași bandă #
Pe banda de mai jos, fiecare pas înainte înmulțește timpul cu zece. Altfel cele opt minute n-ar încăpea lângă 170.000 de ani.
- 2 secunde neutrinul traversează Soarele
- 8 minute 19 secunde sprintul până la tine
- 170.000 de ani plimbarea prin Soare
La 8 ani, în 170.000 de ani încap 21.250 de vieți ca a ta.
În ianuarie, când Pământul e cel mai aproape de Soare, lumina ajunge cu vreo 17 secunde mai devreme decât în iulie.
Ca să simți proporția: dacă toată plimbarea ar ține un an, sprintul prin spațiu ar dura trei milisecunde.
Cursa
Neutrinul câștigă la o diferență de 170.000 de ani #
Din aceeași reacție se nasc și neutrini: particule care străbat materia fără s-o atingă. Ghicește când ajunge unul la tine, apoi privește cursa.
Un neutrin născut odată cu energia din lumina de azi ajunge la tine…
A doua variantă.
Neutrinul iese din Soare în vreo două secunde, apoi străbate spațiul alături de lumină. Ajunge la tine cu 170.000 de ani înaintea energiei născute odată cu el.
Răspunsul: A doua variantă.
Neutrinul iese din Soare în vreo două secunde, apoi străbate spațiul alături de lumină. Ajunge la tine cu 170.000 de ani înaintea energiei născute odată cu el.
Finalul cursei: neutrinul iese în două secunde; energia luminii iese după 170.000 de ani.
De când ai deschis pagina, prin fiecare centimetru pătrat din tine au trecut vreo
neutrini de la Soare.
În fiecare secundă, prin fiecare centimetru pătrat din tine trec 65 de miliarde de neutrini de la Soare.
Neutrinii se nasc în reacțiile din miez și abia ating materia: trec prin Soare, prin Pământ și prin tine fără să se oprească. De aceea ies în două secunde, în timp ce energia luminii rătăcește 170.000 de ani.
Sunt atât de mulți, încât prin fiecare centimetru pătrat trec 65 de miliarde în fiecare secundă. Nu-i simți: trec prin tine ca prin aer.
Miezul
Un cuptor de 15 milioane de grade, mai dens decât plumbul #
Ca să înțelegi de ce lumina iese atât de greu, uită-te la locul de unde pornește.
Peste 15 milioane de grade
temperatura din mijloc
162 de grame pe centimetru cub
densitatea din mijloc, mai mare decât a plumbului
600 de milioane de tone
de hidrogen care devine heliu în fiecare secundă
4 milioane de tone
prefăcute în energie în fiecare secundă
Vreo 5.500 de grade
temperatura suprafeței, în Celsius
În fiecare secundă, Soarele preface 600 de milioane de tone de hidrogen în heliu, iar 4 milioane de tone nu se mai regăsesc: au devenit energie, lumina și căldura pe care le primim.
Miezul are peste 15 milioane de grade, iar un centimetru cub de acolo are 162 de grame. Lumina nou-născută e o rază gama, plină de energie. La fiecare ciocnire pierde câte puțin, până iese la suprafață ca lumină obișnuită.
Socotelile
De ce dau socotelile între 10.000 și 170.000 de ani #
Răspunsul depinde de lungimea pasului pe care o presupui. Curba arată timpul de ieșire pentru fiecare pas. Punctele arată ce-au presupus manualele și ce-a ieșit din calculul pe straturi.
- vechea presupunere: 5.116 de ani
- pasul mediu din 1992: 56.843 de ani
- calculul pe straturi: 170.000 de ani
Manualele vechi presupuneau un pas de un centimetru peste tot și o densitate constantă, și dădeau mii sau zeci de mii de ani. Socoteala din 1992 a folosit pasul real din fiecare strat al modelului: sub un milimetru pe aproape jumătate din rază. De acolo cei 170.000 de ani.
Iar milioanele de ani din unele manuale sunt greșeli copiate din manual în manual, fără ca cineva să refacă socoteala. Singurul timp real de ordinul milioanelor, vreo 30 de milioane de ani, măsoară altceva: cât i-ar trebui Soarelui să se strângă dacă i s-ar stinge reacțiile din miez.
Onestitate
Ce nu pot spune sursele #
Trei limite, spuse pe față.
- Niciun număr singur nu e bătut în cuie. Socotelile serioase dau între 10.000 și 170.000 de ani, iar 170.000 vine din cea mai atentă dintre ele.
- Nimeni n-a urmărit drumul unei raze. Toate numerele sunt calculate din modele ale interiorului Soarelui.
- Pentru zona de convecție nu există un număr publicat. Se știe doar că gazul care urcă o traversează mult mai repede decât lumina prin pași la întâmplare.
Joc
Adevărat sau fals? #
Opt propoziții despre lumina veche. Unele sună a poveste și sunt adevărate.
Cele opt propoziții și răspunsurile lor:
- Fals. Energia din lumina Soarelui are tot 8 minute. 8 minute și 19 secunde durează doar sprintul prin spațiu. Până să pornească, energia a rătăcit prin Soare vreo 170.000 de ani. Mitalas și Sills 1992; NASA
- Fals. O particulă de lumină zboară drept din miez până la suprafață. Merge în zigzag, absorbită și trimisă mai departe la fiecare pas: socoteala din 1992 numără atâția pași, un 1 urmat de 25 de zerouri. Mitalas și Sills 1992
- Fals. Aceeași particulă care a plecat din miez ajunge în ochiul tău. Nicio particulă nu supraviețuiește drumului: lumina e absorbită și trimisă mai departe la fiecare pas. Ce-ți ajunge în ochi a pornit de la suprafață acum opt minute. Odenwald, NASA
- Fals. Neutrinii născuți în aceeași reacție au nevoie tot de 170.000 de ani. Ei traversează Soarele în vreo 2 secunde, căci trec prin materie fără s-o atingă, apoi vin spre tine odată cu lumina. Colaborarea Borexino
- Adevărat. Prin Soare, energia înaintează cu vreo 35 de metri pe oră. Media e de 0,97 centimetri pe secundă, adică vreo 35 de metri pe oră. Energia se strecoară încet spre suprafață. Mitalas și Sills 1992
- Fals. Manualele care spun milioane de ani măsoară același drum. Nu: milioanele sunt greșeli copiate din manual în manual. Singurul timp real de ordinul milioanelor, vreo 30 de milioane de ani, e timpul în care Soarele s-ar strânge dacă i s-ar stinge reacțiile. Odenwald, NASA; notițele Princeton
- Adevărat. În fiecare secundă, Soarele preface 600 de milioane de tone de hidrogen în heliu. Din ele, vreo 4 milioane de tone devin energie: lumina și căldura pe care le primești. OpenStax Astronomy
- Adevărat. Lumina din ianuarie e mai tânără decât cea din iulie. În ianuarie, Pământul e cel mai aproape de Soare, așa că lumina ajunge cu vreo 17 secunde mai devreme. NASA; USNO
Surse
De unde vin numerele #
Cei 170.000 de ani vin din Mitalas și Sills (1992), care au calculat plimbarea la întâmplare pe straturile unui model de Soare. Drumul prin spațiu se obține împărțind distanța medie dată de NASA la viteza exactă a luminii de la NIST. Distanțele minimă și maximă dau lunile ianuarie și iulie. Anul din socoteli are 365,25 de zile.
Oriunde sursele dau un interval, pagina îl arată întreg. Oriunde tac, pagina spune că tac. Traducerea și adaptarea: Marius Comper.
Socoteala luminii
- Mitalas, R. și Sills, K. R. (1992). On the photon diffusion time scale for the Sun. The Astrophysical Journal 401:759–760. ADS, PDF de 2 pagini — pasul mediu de 0,090 cm, cei 170.000 de ani, numărul uriaș de pași, viteza de 0,97 cm/s
- Stellar timescales. Note de curs, Princeton A403. princeton.edu, PDF — modelul simplu cu pas de 1 cm, timpul Kelvin–Helmholtz de 30 de milioane de ani
- Odenwald, S. (2007). Ancient Sunlight. NASA Sun–Earth Day, Technology Through Time #50. NASA, prin arhiva web — intervalul 10.000–170.000 de ani, greșelile din manuale, razele gama de la naștere
Soarele și neutrinii
- Williams, D. R. Sun Fact Sheet. NASA Goddard Space Flight Center. nssdc.gsfc.nasa.gov — raza, temperaturile, densitatea din mijloc, distanțele față de Pământ
- Fraknoi, Morrison, Wolff. Astronomy 2e, 16.3. OpenStax, Rice University. OpenStax, prin LibreTexts — cele 600 de milioane de tone de hidrogen prefăcute în fiecare secundă
- The Equation of Time. U.S. Naval Observatory. aa.usno.navy.mil — apropierea maximă la începutul lui ianuarie, depărtarea maximă la începutul lui iulie
- CODATA 2022: speed of light in vacuum. NIST. physics.nist.gov — 299.792.458 m/s, exact
- Measuring elusive neutrinos flowing through the Earth. UMass Amherst / Borexino, octombrie 2011. phys.org — cele 65 de miliarde de neutrini pe centimetru pătrat și pe secundă
Imagini
- Soarele, 19 august 2010. NASA/SDO (AIA), domeniu public. Wikimedia Commons — imaginea din deschidere
- Kelvinsong (2014). Sun poster. CC BY-SA 3.0. Wikimedia Commons — schema straturilor Soarelui
