新聞 > 科教 > 正文

陽光逃出太陽,足足花了17萬年

陽光從太陽表面到地球只需八分多鐘,穿過1.5億公里的虛空,以光速乾淨利落地抵達。但在離開太陽表面之前,這些能量已經在太陽內部黑暗、灼熱、擁擠到難以想像的環境中掙扎了大約17萬年。這個令人眩暈的數字來自西安大略大學天體物理學家Romas Mitalas和Kenneth R. Sills於1992年發表的一篇經典論文,至今仍是講解太陽內部能量傳輸時繞不開的計算基準。

要理解這個時間尺度的來源,先要理解太陽內部發生了什麼。太陽的核心是一個極端的核聚變反應堆,溫度約1500萬開爾文,密度約為水的150倍。在這裡,氫原子核在巨大壓力和溫度下融合成氦,釋放出以伽馬射線形式存在的高能光子。如果太陽內部是真空,這些光子從核心直線走到表面只需要大約2.3秒。但太陽內部不是真空,而是處於等離子態的緻密物質,電離的原子核和自由電子擠在一起,一個光子剛產生出來,幾乎立刻就會與某個帶電粒子發生相互作用。

這個相互作用的過程叫作散射。伽馬光子被粒子吸收,粒子短暫激發後再重新發射一個光子,但發射方向完全隨機。有時候向前,有時候向後,有時候側向。每一次散射都是方向的完全重置,光子在宏觀上以極其緩慢的速度向外彌散。物理學家把這種現象稱為隨機遊走,就像醉漢在黑暗中無目的地跌跌撞撞,每走一小步就隨機換個方向,從起點到終點需要的步數不是距離除以步長,而是步數的平方根乘以步長。

早期科學家在估算光子擴散時間時做了一個方便的簡化,他們假設太陽內部密度均勻,光子的平均自由程即兩次散射之間的步長大約恆定在0.5到1厘米。按這個模型計算,從核心擴散到表面大約需要3000年到30000年。這個數字本身已經足夠令人震撼,在科普文章中也被廣泛引用了幾十年。但Mitalas和Sills在1992年的論文中指出,這個簡化模型忽略了一個關鍵事實:太陽內部密度分布極不均勻,從核心的超緻密區到表面的稀薄光球層,密度跨越了數個數量級。在離核心較遠的區域,等離子體逐漸稀薄,光子的自由程確實可以達到幾厘米甚至更長。但在核心附近占了太陽半徑一半以上的高密度區域內,粒子間距極小,光子的平均自由程遠低於早期假設,不到0.1厘米。

當兩位科學家使用符合實際物理的太陽密度梯度模型重新計算整個擴散過程時,結果令人意外。在太陽半徑超過50%的內層區域,由於密度極大,光子幾乎原地踏步,這部分貢獻了絕大多數的擴散時間。總的擴散時間被推到了約17萬年,比早期估算多了一兩個數量級。你此刻抬頭感受到的陽光,其核心產生的能量很可能在古埃及人建造金字塔之前就已經開始了向內逃逸的漫長旅程,甚至可能早於末次冰期開始之前。而一旦歷經17萬年的掙扎終於到達太陽表面,剩下的1.5億公里只需要八分多鐘就跑完了。對一個光子來說,出生的前17萬年是最難的那段,之後全是下坡路。

責任編輯: 李華  來源:煎蛋網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

本文網址:https://tw.aboluowang.com/2026/0728/2413789.html