我們看到的太陽光究竟是8分鐘前的,還是上萬年前的?

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光的傳播需要時間,我們看到的都是過去式。

地球與太陽相距1.5億公裡,光每秒能在真空中傳播30萬千米,則太陽光從太陽表面到達地球大約需要8分20秒,因此我們從地球上看到的太陽是8分鐘之前的太陽。

那麼為什麼有觀點認為太陽光是上萬年前發出的?

世界上任何溫度在絕對零度(零下273.15℃)之上的物質都能夠發出紅外光(紅外光是一種比可見光頻率低的電磁波,肉眼不可見)。太陽之所以能夠發出可見光,是因為太陽內部在進行著核反應,核反應產生的光和熱加熱瞭整顆太陽,太陽上的物質被加熱到上萬度的高溫,然後才向外輻射太陽光。核心處產生的光除瞭能夠加熱整顆太陽,還需要抵抗來自太陽外殼物質的重力,這也是太陽能長期保持平衡的原因之一。

上圖為太陽內部正在進行的核反應過程。

太陽依靠核聚變反應發光發熱 ,而核聚變反應主要位於太陽中心地帶,那裡的溫度高達1500萬℃,壓強是地球大氣壓的3000億倍,太陽光就產自那兒。為瞭產生這些光,太陽每秒鐘要損失大約400多萬噸的物質,不過這對太陽來說連九牛一毛都算不上。太陽半徑大約為70萬千米,理論上來說,光子以光速到達太陽表面僅需要兩秒多時間。然而事情並沒有這麼簡單。

太陽主要由氫和氦等元素構成,物質都是處於等離子狀態,這些光要想到達太陽表面,就必須穿越重重障礙。當光子穿過這些等離子體時,會與質子、電子等發生碰撞,不斷經歷吸收再發射的過程,並且整個過程中的運動方向是隨機的,光子也並不會和所有的粒子都發生碰撞。

經過復雜的計算,發現光誕生後到達太陽表面至少要經歷上萬年的時間,有的甚至要幾十上百萬年時間,然後才能從太陽表面到達地球。這就是上萬年那個說法的來歷。

上圖揭示瞭光在太陽內部的大致傳播過程。

然而上述觀點中,從太陽中心區域到達太陽表面,整個路程被認為是同一個人硬著頭皮走完的,其實並不是。

核聚變反應過程中釋放的光是伽瑪射線,也就是頻率極高的電磁波,這種光對人體有害,人眼也看不到。光在傳播過程中,不斷經歷吸收再輻射的過程,光的能量和頻率不斷衰減,最終才形成瞭X光、紫外光、可見光等光線。

如下圖所示,從左到右,光的頻率不斷衰減。

一個光子從誕生到吸收,整個生命過程就終結瞭。光被太陽內部的物質吸收後,受激回落,又會向外發射出頻率和能量更低的電磁波,新的光子又誕生瞭。光在太陽內部的傳播,就是不斷重復這樣一個過程,經歷千難萬阻最終才到達太陽表面。而光子直接從太陽中心到達太陽表面的可能性為0。

簡單來說,太陽核反應區誕生的光並不能直接到達太陽表面,需要經歷無數次死亡及重生。你現在看到的那個他,早已不是原來那個他,到達太陽表面的光早已不是最初的那個光。

並且,基本粒子具有全同性,光子之間是無法區分的。此外,我們既無法確定光子的壽命,更沒有辦法分辨那個光子誕生的時間更早一些。

太陽主體從內到外的結構可分為:核心區、輻射區和對流區,其中,核心區就是太陽內部產生能量的地方,占太陽半徑不到1/4。太陽表面還可分為光球層、色球層和日冕層,我們接收到的太陽光基本上就是由光球層發出的,太陽的光譜實際上就是光球層的光譜,太陽表面的溫度(大約5500攝氏度)也是指光球層的溫度。人眼看到的可見光,也是從這個地方發射出來的。

上圖為太陽的主要結構示意圖。

對於人類來說,我們看到的太陽光就是從太陽表面發射出來的,因此我們看到的太陽光就是8分鐘之前的。對於一個光源,我們看到的它的樣子,就是光從光源表面到達人眼之前的樣子。如果從能量傳遞角度來看,那麼我們可以認為,太陽核心區在此前的某一時刻產生的能量完全傳遞到太陽表面,大約需要上萬年的時間。

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  • 本文由 发表于 2021年1月27日
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