ضوء الشمس أقدم مما كنا نظن

ترجمة: منى خلف
بوستر: بهاء محمد
——————–
رحلة الضوء القصيرة من الشمس الى الارض ذات الثمانية دقائق هي الجزء الاخير لرحلة اطول بكثير والتي بدأت في نواة الشمس من الاف السنين!
ربما ستتفاجأ عند معرفة ان الفوتون المنتج من التفاعلات النووية في نواة شمسنا يأخذ وقت طويلا جدا من اجل الوصول الى سطح الشمس مسألة طول المسافة مثيرة للأهمام بحد ذاتها فلو حاولت ان تبحث في الكوكل عن الاجابة عنه ستجد الاجابة ما بين 50 مليون سنة الى بضعة الاف من السنين

ربما تتسائل لماذا هذا التنوع بالاجابة لهذا السؤال البسيط ؟لانه ببساطة يعتمد على كيفية القيام بالحسابات
ما ان يولد الفوتون في نواة الشمس حتى يسافر بسرعة 300,000 كيلومتر بالثانية الى ان يتصادم مع الجسيمات المشحونة ليتحول اتجاهه ولك ان تتخيل كيف يبعد هذا الفوتون عن سطح الشمس بعد كل تصادم له وتحول اتجاهه تدعى هذه الحالة بمشكلة المشي العشوائي او بالعامية مشكلة المشي للسكير
فلو فرضنا شخص مترنح يبدأ حركته من احد المصابيح في الشارع ليلا وتكون خطوته متساوية لكن بعد كل خطوة يتغير اتجاهه بشكل عشوائي خطوة الى الامام او الخلف او اليمين او الى اليسار .كم سيبعد عن مصباح اخر الذي يبعد عن الاول ب سين من الخطوات ؟ الاجابة في البعدين والثلاثة ابعاد تعطى بهذه المعادلة للمسافة حجم الخطوة مضروبة بجذر التربيعي للسين من الخطوات فعندما يكون حجم الخطوة قدمين سيستغرق الامر 7 ملايين خطوة وثلاث اشهر لعبور ميل واحد.
والان نعود الى السؤال الاساسي
كم يبعد الفوتون عن سطح الشمس؟ توجد عدة تقديرات للاجابة عن هذا السؤال سنعرضها تاليا :
التقدير الابعد ..
نحتاج معرفة متوسط كثافة الشمس فلو قسمت كتلتها على حجمها ستحصل على حوالي1.400 كيلو غرام لكل متر مكعب هذه الكثافة تمثل حوالي( 10 مرفوعة للقوة 30 ) فوتون لكل متر مكعب .اذن كم يبعد هذا البروتونات عن بعضها في ظل هذه الكثافة فقط بمعرفة معكوس الجذر التكعيبي لهذه الكثافة ستحصل على 1مضروب بعشرة مرفوعة للقوة سالب عشرة وبقسمة نصف قطر الشمس على الرقم الاخير نحصل على 7 مضروبة في 10 مرفوعة للقوة 18 هذا الرقم هو الجذر التربيعي للعامل سين فال سين سيكون 5 مضروبة بالعشرة مرفوعة للقوة 37 وهي عدد الخطوات اللازمة للوصول للسطح وبسرعة الضوع فكل خطوة تحتاج الى 3 مضروبة بعشرة مرفوعة للقوة 8 متر بالثانية اي ما يعادل 3 مضروبة بعشرة مرفوعة للقوة سالب 19 ثانية لذا فالزمن الذي يحتاجه الفوتون هو 480 مليار سنة!
التقدير الاقل بعدا..

التقدير الذي حصلنا عليه هو مبني على اعتبارات هندسية بحته انه يفترض ان الفوتون هو نقطة رياضية في الفضاء في الحقيقة الفوتون له حجم حوالي عشرة مرفوعة للقوة سالب 15 متر الفوتون يبدو كقرص في مساحة دائرية 3 مضروبة بعشرة مرفوعة للقوة – 30 متر مربع في الفيزياء هذه المساحة تدعى التفاعل الهندسي للمقطع العرضي. للتفاعل مع البروتون , الفوتون يقطع مسافة(م) تعادل 1 مقسوم على مضروب الكثافة في المقطع العرضي فاذا كانت معدل الكثافة للشمس هي 10 مرفوعة للقوة 30 بروتون في متر مكعب اذن (م)تساوي 0.3 متر لذلك فوقت الازم لرحلة البروتون لسطح الشمس تعادل 200 سنة ! لماذا علينا ان نرفض مثل هذا المقترح لان كثافة الشمس ليست نفسها في جميع الانحاء والمقطع العرضي الحقيقي اكبر من هذا المقطع الهندسي ويعتمد على طاقة الفوتون.
التقدير المناسب..
النجوم تصمد بوزنها بالمعادلة بين الجاذبية التي تسحب باتجاه انهيار النجم والضغط الحراري المتولد من البلازما الساخنة الذي يدفع باتجاه تمدد النجم النموذج التفصيلي لحدوث هذا يقود الى نواة حارة وكثيفة جدا التي تحدث فيها تفاعلات الانصهار تمتد هذه النواة بحوالي 200000 كيلومتر من المركز ويكون معدل كثافتها حوالي100000 كيلو غرام في المتر المكعب الواحد في اعلى هذه المنطققة وعلى امتداد 500000 كيلو متر من المركز منطقة تدعى بمنطة الاشعاع التي تكون معدل كثافتها 1000 كيلوغرام بالمتر المكعب وبالنهاية نصل الى منطقة الحمل الحراري المتصلة بسطح الشمس التي تكون كثافتها كيلوغرام واحد لكل متر مكعب
هنالك امر اخر الفوتون لايتفاعل مع البروتون المشحون كما عرفت من خلال منطقة القطع المستعرض لهم .فالفوتون الفوتون المشحون يبدو كبير اذا كان يملك طاقة قليلة واصغر اكثر اذا حمل طاقة اكثر. معدل الخطوة في النواة حوالي 0.0001 متر وفي منطقة الاشعاع حوالي 0.001 متر وفي منطقة الحل الحراري تقريبا 0.003 متر فالوقت اللازم للوصول الى السطح حوالي 44.000 سنة.
التقدير المناسب جدا ..
كثافة الشمس تتغير فالمناطق القريبة للسطح تقل كثافتها بمليون مرة عن كثافة مركز الشمس فيجب التعامل مع نموذج فيه الكثافة تتغير بشكل مستمر كلما ابتعدنا عن المركز هذه الحسابات تمت على يد الفلكي روماس ميتلس في 1992 لمثل هكذا نموذج فلحساب وقت هروب الفوتون من المركز نحصل على 170.000 سنة وهونموذج فيزيائيا ادق .
في جميع التقديرات السابقة نحن لا نتابع فوتون واحد من المركز الى سطح الشمس !في الواقع الفوتون الاصلي ينقسم الى
ملايين الفوتونات الجديدة مع الوقت الذي تصل بهاطاقته الاصلية الى السطح وبذلك يصبح مشكلة الجواب اصعب فيزيائيا ..

المصدر:
http://www.huffingtonpost.com/dr-sten-odenwald/sunlight-is-way-older-than-you-think_b_5483671.html

#فيزياء #ضوء #الشمس #المشروع_العراقي_للترجمة