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為什麼太陽核心光子,飛到地球需要10萬年,而不是8分20秒?
2023/04/25

有人說太陽發出的光需要10萬年的時間才能達到地球?這是不是真的?是的,就是真的,那不對呀,那有人還說是8分鐘就到地球了,這又是怎麼回事?那這個問題是這樣的!

首先我們要弄清楚太陽的能量來自于哪里?是不是核心的核聚變反應,那里的溫度高達1500萬攝氏度,密度是水的150倍,在這樣的環境下兩個質子會先被融合成一個氘,然后氘在加一個質子就變成了氦-3,然后兩個氦3融合就產生了氦-4,最后釋放出兩個質子,還有中微子和高能光子。這叫質子鏈反應。

其實說起來容易,但核聚變反應進行起來卻很困難,因為像太陽核心這樣的高溫高壓其實也不足以克服兩個質子之間的靜電斥力,把他倆融合在一起,也就是說太陽如果光靠自己蠻力是達不到核聚變要求的,不是溫度太低,就是壓力太小。

那太陽之所以又能進行核聚變,還有一個神奇的因素在起作用,就是量子隧穿效應,這個效應可以用海森伯的不確定性原理解釋,說的是在極短的時間內,微觀粒子的能量會具有很大的不確定性,也就是說,在很短的時間內,質子會具有很高的能量,突破靜電斥力形成的壁壘,讓兩個質子之間的距離縮小到核力的作用范圍,然后就融合在一起了。

不過這個效應發生的幾率還是很低的,比如在質子和質子的碰撞中,量子隧穿的幾率為1/10^28,可以看出這個幾率真的很小,但是在太陽的核心參與反應的質子很多,也就是碰撞的次數很多,所以每秒鐘還是會有4×10^38個質子融合成了氦,在這個過程中就會損失400萬噸的品質,然后轉化成能量,這些能量會以中微子和高能伽馬射線的方式釋放出來。

不過這個核反應只能發生在0.2倍個太陽半徑的區域進行,因為過了這個區域溫度和壓力就不夠了,所以太陽發生核聚變的地方距離表面還是很遠的,所以核心產生的光子,就需要先爬到太陽表面上,才能飛出太陽,然后到達地球。

但是這部分光子,想要爬到太陽的表面,就非常的困難,因為它會和太陽內部的帶電粒子頻繁地發生碰撞,然后被散射到隨機的方向上,有時還會被散射180度,朝向了太陽里面,因此一個光子想要從核心走出來,它的路徑是彎彎曲曲的,向回走都是有可能的,那這個路徑就叫光子的隨機漫步,那對于光子來說,想要從太陽的核心漫步到表面平均得需要10萬年的時間。

在伽馬光子往出爬的過程中,它會因為和帶電粒子的碰撞而損失大量的能量,這些能量并沒有消失掉,而是會加熱太陽的各個分層,比如輻射層,對流層和光球層,從內到外每個層的溫度都不一樣,當然里面的溫度高,外面的溫度低,但它們都會像被加熱的黑體一樣然后又自行輻射出光子。比如說這個光球層,這是太陽的表面,它的溫度大約是6000K,那它輻射出來的光子,就可以直接穿越空間,只需要8分鐘的時間就可以到地球了。

而其他層輻射出來的光子也需要先往出爬,尤其是核心聚變產生的光子,那就得爬10萬年的時間。所以你看到的太陽光,有十萬年前的,也有8分鐘前的。

那總結起來就是,我們看到的太陽光來自兩個部分,第一個就是核心聚變產生的光子,它們一開始是伽馬射線,然后再往出爬的時候,由于每個光子的路徑都不一樣,所以損失的能量也各不相同,因此這些伽馬射線就被分散到了各個波段當中。這是太陽光的一部分,它們是十萬年前的。

第二部分就是太陽各個分層的黑體輻射了,這些分層在被加熱以后,就像是鐵被加熱到了不同的溫度,也會輻射出光子的,它們就距離太陽表面就比較近了,所以消耗的時間短,最短的就是光球層,產生的光子立刻就能往地球飛。

那有人就問了?這太陽的核心都被外面這些分層給擋住了,那我們有沒有辦法看到太陽的核心,研究它發生聚變的地方?有,剛才我們說跟光子一起誕生的還有一種粒子叫中微子,它沒有電磁相互作用力,所以即使太陽內部等離子體密度在高,在中微子的面前都像是空無一物一樣,所以它可以不受阻礙地從核心一直暢通無阻地飛到地球。我們捕捉這些中微子就可以研究太陽地核心了。

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