Как нейтрино так быстро проходят сквозь Солнце?

Свету требуется много времени, чтобы уйти не потому, что Солнце особенно велико, а потому, что на пути они сталкиваются со множеством электронов и протонов. Итак, свет идет по пути, который больше похож на походку пьяницы, чем на прямую линию. Однако с нейтрино они взаимодействуют очень редко. Типичное нейтрино может пройти сквозь свинцовый слой толщиной более светового года, прежде чем наткнется на что-нибудь. Единственная причина, по которой мы вообще обнаруживаем нейтрино, заключается в том, что их так много, что даже редкие события случаются несколько раз.

Вы пишете, что «свету требуются тысячи лет, чтобы покинуть наше солнце». Это утверждение легко может быть неверно истолковано. Давайте удостоверимся, что мы понимаем это так же.

Вы смотрите на Солнце (используйте темные очки!). Какой-то фотон от солнца достиг твоего глаза. Этому фотону потребовалось около 8 минут, чтобы добраться от поверхности Солнца до вашего глаза, а не тысячи лет. Нейтрино требуется такое же время, чтобы добраться от Солнца до Земли.

Что происходит с фотоном, родившимся глубоко внутри Солнца, в областях, где происходят ядерные реакции и рождаются нейтрино? Этот фотон вообще не выйдет. Он будет поглощен материалом Солнца, вот и все. Затем материал будет излучать другие фотоны, поглощать их, двигаться вокруг Солнца и т. д. Процесс передачи энергии от ядра Солнца (где ядерные реакции нагревают его) к поверхности сложен и интересен. И довольно долго (тысячи лет). Но это НЕ время жизни одиночного фотона, путешествующего изнутри Солнца.

Чтобы дополнить ответ Шона, нейтрино взаимодействуют через слабое взаимодействие. Это приводит к тому, что нейтрино должно подойти очень близко к другой частице, прежде чем он сможет с ней соединиться, поскольку слабое взаимодействие имеет очень короткий радиус действия. Масса нейтрино оценивается как$0.320 ± 0.081 eV/c^2$ (сумма 3 ароматов) и этим объясняется их скорость, приближающаяся к скорости света, а также тот факт, что гравитация очень мало влияет на такую ​​крохотную массу.

От слабого взаимодействия

Слабое взаимодействие имеет очень короткий радиус действия (около$10^{−17}$ к$10^{−16}$ м). На расстояниях около$10^{−18}$ метров слабое взаимодействие имеет силу, аналогичную электромагнитной силе, но она начинает экспоненциально уменьшаться с увеличением расстояния. На расстояниях около$3×10^{−17}$ м, слабое взаимодействие в 10 000 раз слабее электромагнитного.

Обнаружение солнечных нейтрино

Гравитация — чрезвычайно слабая сила. Обратите внимание, как легко вам подбросить мяч вверх, противодействуя притяжению всей планеты практически без усилий. Хотя скорость убегания «поверхности» Солнца очень приблизительна по сравнению с имеющимися у нас космическими кораблями, она ничтожна по сравнению со скоростью света.

Свет всегда движется со скоростью света — почти весь видимый свет от Солнца, достигающий нас, создается в фотосфере, а не в ядре (где происходит синтез). Фотоны даже самых высоких энергий практически мгновенно поглощаются или рассеиваются в горячей плотной плазме. Это хорошо для нас — фотоны, созданные в ядре, все находятся в «гамма-диапазоне», а те, которые излучаются из фотосферы, в основном видимые и инфракрасные.

Утверждение «свету требуются тысячи лет, чтобы покинуть наше Солнце» немного вводит в заблуждение и, конечно, сбивает с толку, если у вас нет приличной базы в области квантовой физики. В нем не говорится буквально о маленьком шарике, который был создан и затем двигался со скоростью света в течение тысяч лет, прежде чем он преодолел расстояние менее световой секунды. Просто для распространения энергии через большую часть Солнца требуется много времени (здесь важны два основных процесса - поглощение + излучение и конвекция), в чем-то аналогично тому, как много времени требуется для того, чтобы земное тепло распространяться до самой коры — и все же вы бы не сказали, что (инфракрасному) свету потребовались «тысячи лет, чтобы добраться от ядра до коры». Этого не произошло — его просто не было бы, если бы не было тепла.

Проблема с нейтрино в том, что они очень мало взаимодействуют с чем-либо даже при больших плотностях ядра Солнца (примерно в 150 раз больше плотности воды при стандартном атмосферном давлении на Земле); только крошечная часть произведенных нейтрино на самом деле поглощается на пути от Солнца, поэтому они действительно преодолевают расстояние по «прямой линии» — и с их скоростью, очень близкой к скорости света, это очень короткое время. действительно. Вот почему, если бы Солнце волшебным образом остановило все термоядерные реакции прямо сейчас, мы узнали бы об этом всего через несколько минут, хотя изменение выходной энергии Солнца было бы очень небольшим в ближайшие сотни лет (хотя, насколько мне известно, никто не провел полномасштабное моделирование, чтобы увидеть, как именно это будет происходить). Большинство взаимодействий, с которыми вы работаете ежедневно, являются результатом электромагнитной силы — такие вещи, как осязание, зрение, обоняние... нейтрино вообще не взаимодействуют электромагнитно — они взаимодействуют только гравитационно (помните, как мы говорили, что гравитация очень слабое взаимодействие?) и «слабое» (примерно на пять порядков слабее, чем электромагнитное взаимодействие). И слабое взаимодействие очень ограничено по расстоянию (в отличие от электромагнетизма и гравитации).