太陽光到地球需8分鐘,在光子看來它花了多長時間?

2020-12-05 李論科學

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太陽光到地球需8分鐘,那在光子看來它花了多長時間?

我為什麼要重複這個問題呢?原因是,這個問題包含兩個方面!首先我們看到的光子真的全部來自約8分鐘前的太陽光嗎?最後一個問題就是在光子看來它離開太陽表面後,達到地球需要多長時間?

我們經常會看到有人說:太陽光達到地球需要約8分鐘的時間,但還經常會看到有人說:太陽光子達到地球需要至少十萬年的時間?這是怎麼回事呢?下面就分析下這個問題。

有關於太陽是如何發光發熱的,這個問題我們人類討論了幾千年,但直到上世紀人們才搞清楚到底是怎麼回事。之前我們一直的猜測是,太陽通過化學反應燃燒燃料來為自己提供能量的,但是這樣的猜想不足以解釋太陽和地球的年齡,而且單位時間內釋放的能量也有限,因為按照太陽的體積來說,如果僅僅是化學反應的話,不足以維持太陽燃燒1萬年。

在這之後,開爾文勳爵提出了凱爾文-亥姆霍茲機制,他認為太陽的能量來源來自於引力勢能的釋放,但是引力勢能也不足以解釋地球上生物進化的時間,太陽總不能比地球上生物的年齡還小吧,說明這個機制並不是太陽能量的來源。但是凱爾文-亥姆霍茲機制解釋了白矮星能量的來源,例如上圖中的天狼星B,亮度只有太陽的百萬分之一。

上世紀,我們的物理學不僅在宏觀宇宙中取得了長足的發展,而且我們人類的視野也走進了微觀世界,通過對原子核的發現與研究,我們知道了宇宙中另外一種釋放能量方式:核能!通過向輕原子核添加質子或者中子,就能釋放出大量的能量。通過將核能應用在太陽發光發熱的機制上,不僅解釋了太陽如何在單位時間能能釋放出如此巨大的能量,而且也解釋了太陽釋放能量的時間尺度。

現在我們知道太陽每時每刻都將四個氫原子核,也就是質子融合成一個氦4,但是融合成的氦4的質量卻比四個質子質量輕了7%,那麼損失的質量就通過E=mc^2轉化為了能量,不過太陽的核聚變只發生在其核心,因此太陽所產生的高能伽馬射線並不能直接達到太陽表面,更不能直接逃離太陽的束縛,因為光子在傳播的過程中最容易和帶電粒子發生碰撞,並轉移能量。

所以高能伽馬射線從太陽核心轉移到太陽表面的時候,會經歷無數次的隨機碰撞,隨機碰撞就會造成光子的路徑發生隨機變化,我們稱光子向外轉移的這個過程為隨機漫步。因此一個典型的伽馬射線光子,想要從核心達到表面,需要跌跌撞撞的經歷至少十萬年的時間。由於每個光子的路徑不同,發生碰撞的次數不同,損失的能量不同,因此太陽光就成為了一個連續的光譜,在各個波段上擁有大量的光子,但在可見光處達到了峰值。

所以我們經常聽人說,太陽光達到地球需要至少十萬年,但是這句話也不完全正確,因為我們看到的太陽光確實還有約8分鐘前產生的光子,因為在伽馬射線往外懟的過程中,會因為將能量轉移到輻射層,對流層以及光球層,這些被加熱的各個層間會因為溫度的升高,釋放出黑體輻射。因此,我們看到的太陽光中也有來自最外層的光子。所以,我們看到的太陽光有來自10萬年前的,也有8分鐘前的。

那麼加下來的問題是,在光子看來,它們到達地球需要多長時間?

提出這個問題的主要原因是因為光子在以光速傳播,而我們又知道愛因斯坦的狹義相對論,那麼在光子看來,它的這段旅程肯定跟我們看到的情況不一樣。

如果我們能在光子上安裝一個時鐘的話,那麼我們看到的光子的時間將是靜止的,這就是高速運動狀態下的時間碰撞效應。具體情況,我們可以看下圖:

上圖就是我們常說的光鍾,一個靜止的光鍾和運動的光鍾所經歷的時間明顯不同,因為光子的速度在宇宙中是有限且恆定的,所以運動的光鍾由於走過了一段比較長的路徑,因此,它的時間就會更慢。當光鍾在空間中運動的速度達到了光速的話,那麼它將在時間中的運動速度為0。

上圖就是狹義相對論中兩個很重要的概念,一般在現實生活中低速的情況下我們都會忽略相對論因子:√1-v/c,但是當一個事物的運動速度達到了光速,從式子中就能看出,時間已經失去了意義,而長度對於以光速運動的事物來說也是0。

因此在光子眼裡,它從太陽表面達到地球這段過程就沒有花費任何時間,而且也沒有任何距離,是瞬間即達的。也就是說,光子從誕生再到消亡是一瞬間的事。並沒有經歷我們外部觀察者所認為的時間和空間。

其實太陽的情況還不算神奇,畢竟離我們地球很近,如果將以上的知識應用在距離我們數十、數百萬光年的恆星上,那麼在我們人類的觀察看來,這些光子想到達地球需要數十、數百光年,但對於光子來說,完全就是從誕生到被吸收一瞬間的事。

相關焦點

  • 太陽光從太陽到地球需要8分鐘,那麼在光子看來它花了多長時間?
    太陽與地球的平均距離為14960萬公裡,這也是天文學中對1個天文單位的標量值,根據光速每秒30萬公裡的數值,我們可以很容易計算出太陽光到達地球的時間為8.3分鐘,那麼實際上光子從產生到達地球的時間,遠遠不止這個數,要漫長得多。太陽內部的核聚變能夠激發氫元素核聚變反應需要非常高的溫度和壓力。
  • 陽光到地球需8分鐘,但人一睜眼就能看到陽光,眼速比光速更快?
    但是對於人類來說,光速已經是極限速度了,因為太陽光從太陽表面到達地球只需要8分鐘的時間。而人只要一睜眼就能看到太陽,難道人的眼光比光速還要快嗎?每天早上當我們睜開眼睛就能夠看到光,照亮地球的光來自於一個天文單位之外的太陽。根據大概的計算,我們此時看到的光其實是太陽在大約八分鐘之前發出來,相信很多人對此並不知情。
  • 太陽光到達地面的時間怎麼會是8分鐘?
    相對論中提到天體質量越大相對時間越慢,在黑洞這樣一個質量巨大的天體上,時間就會變為零。我們已知地球與太陽間距離為1500萬公裡。由此,我們可以求出太陽的質量比地球的33萬倍。太陽質量約為太陽系中最大的行星,實際上,太陽系99.9%的質量都集中於太陽本身。
  • 太陽光是怎樣產生的?陽光到達地球需要多長時間?
    我們都知道太陽光從太陽表面傳播到地球需要花費約8分鐘的時間,這是光在太空中傳播所需要的時間,太陽到地球約有1.5億公裡遠,陽光的傳播速度是299792.458千米每秒,所以需要八分鐘多一點的時間。但是,我們是否知道太陽表面發出的光線,它的本源地又在哪裡呢?
  • 太陽光飛到地球只需8分20秒,為何科學家卻說,需要數萬年時間?
    以光速從地球出發,飛行8分20秒左右,便到達了1.5億公裡之外的太陽表面附近所以現在我們看到的,是8分鐘之前的太陽,更準確的說,是8分鐘之前的太陽表面。 但在科學家看來照射到我們身上的每一個光子,雖然都是在太陽表面同一個起跑線上出發過來的,但他們的年齡卻大不相同,更準確的說,從太陽表面飛來的光子們,其實都已經幾萬歲,甚至幾十萬歲了,早已不再年輕,言下之意就是說雖然光子僅需8分20秒左右就能到達地球。
  • 太陽光來到地球需要8分鐘,但是對於光子來說,卻只用瞬間
    太陽想必大家都不陌生它是我們人類正常生活中不可缺少的,那是因為我們地球上的植物生長大部分需要太陽來進行光合作用,而大部分動物也是需要陽光才能生活的,想必大家也都知道我們的地球它是位於太陽系中最適合生命生長的地方,這也就說明了我們的地球與太陽之間的距離是剛好合適的,而在太陽系中也只有與太陽合適的距離才會有生命誕生,但是太陽對於我們人類來說那也是十分的遙遠,我們地球距離太陽有1.5億公裡,這個距離對於現在我們人類來說也已經是很遠的距離了
  • 太陽光來到地球需要8分鐘,但是對於光子來說,卻只用瞬間
    太陽想必大家都不陌生它是我們人類正常生活中不可缺少的,那是因為我們地球上的植物生長大部分需要太陽來進行光合作用,而大部分動物也是需要陽光才能生活的,想必大家也都知道我們的地球它是位於太陽系中最適合生命生長的地方,這也就說明了我們的地球與太陽之間的距離是剛好合適的,而在太陽系中也只有與太陽合適的距離才會有生命誕生
  • 我們看到的太陽光並非8分鐘前的,而是十幾萬年前
    我們看到的太陽光並非8分鐘前的,而是十幾萬年前作為太陽系中的「老大哥」,太陽的質量佔據了整個太陽系質量的99.86%,其周圍有八顆行星圍繞著它不停地運轉,其中包括我們居住的地球在內。眾所周知,太陽系中唯一會自行發光的天體就是恆星太陽,地球上維持生命的光和熱都是從太陽那裡傳送過來的。
  • 肉眼看到的太陽光是8分鐘前產生的?不!它是十幾萬年前的
    肉眼看到的太陽光是8分鐘前產生的?不!它是十幾萬年前的大約五十億年前,一種叫做「原始太陽星雲」的星際塵埃雲開始因重力而坍塌,體積愈漸愈小,核心溫度愈漸愈高,密度愈漸愈大。當體積減少一百萬倍時,它變成了一顆原始恆星,核心區域的溫度也上升到大約一千萬攝氏度。當原始恆星或胎恆星的核心區域溫度高達1000萬度時,氫聚變反應被觸發,即氫彈爆炸反應。這時,一顆叫做太陽的恆星誕生了。太陽是太陽系中唯一閃亮的恆星。它是一顆熱氣星,有自己的光和熱。其表面溫度約為6000 ℃,中心溫度高達1500萬℃。
  • 冥王星到地球多遠?太陽光到冥王星4.5小時,人類最快探測器需9年
    由此我們可以計算出冥王星到地球的距離最近的時候是42.5億公裡,最遠的時候則有71.5億公裡。冥王星圍繞太陽從轉一周需要248年的時間。冥王星從發現到現在已經過去了整整90年,但冥王僅僅繞太陽轉了三分之一圈多點。現在的冥王星距離地球大約有48億公裡。
  • 我們看到的太陽光究竟是8分鐘前的,還是上萬年前的?
    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。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。為了產生這些光,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。
  • 我們看到的太陽光究竟是8分鐘前的,還是上萬年前的?
    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。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。為了產生這些光,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。
  • 太陽停止發熱後,人類需多久能感知到?可能不止8分鐘!
    太陽停止發熱後,人類需多久能感知到?可能不止8分鐘!對地球上的所有生物來說,水和氧氣是最重要的資源,一旦少了其中之一,生物都難以生存,水是生命之源,每天無法攝入足量的水,身體平衡被破壞,水就像是萬能藥,無論生活中的什麼疾病,都要多喝水。
  • 我們看到的太陽光究竟是8分鐘前的還是幾萬年前的?
    我們看到的太陽光究竟是8分鐘前的還是幾萬年前的?
  • 我們看到的太陽光不是8分鐘之前的,而是上萬年前的光線
    太陽光光的本質是一種電磁波,太陽距離地球的平均距離為1.8億千米,光傳播這麼遠的距離需要8分20秒,因此我們在地球上看到的太陽光確實是8分鐘前從太陽表面發出的。假如太陽內部突然停止了核聚變,不再釋放能量,那麼我們需要等8分鐘才知道。按照這個道理,我們看到的陽光怎麼可能是上萬年前的呢?要弄明白這個問題,我們必須要了解太陽光是如何形成的。
  • 光從太陽到地球要8分鐘?光子:你低估我的速度了,只需一瞬間
    「 時間對於光子 」是沒有意義的,世界對於它來說太小,時間於它完全凝固,然而在我們的眼裡,它似乎又沒有那麼厲害,或許你不夠了解它。光子8分鐘的旅程夕陽西下,其實是八分鐘前的夕陽。想像一下承載日落光影的光子從太陽出發,直到它映入眼帘,被你視網膜上的感光細胞分子吸收的這個過程,從我們的角度來看光子在太空中旅行了8分多鐘,對於光子自身來說它的旅程並沒有時間。
  • 光從太陽到地球要8分鐘?光子:太低估我的速度了,一瞬間足以
    想像一下承載日落光影的光子從太陽出發,直到它映入眼帘,被你視網膜上的感光細胞分子吸收的這個過程,從我們的角度來看光子在太空中旅行了8分多鐘,對於光子自身來說它的旅程並沒有時間。,把8分鐘縮短到一瞬間,還要保證在地球上的人看來還是走了8分鐘,也就是出現「相對時間」,有點抽像,下面詳細解釋。
  • 太陽光到達地球需要8分鐘,人一眼就能看到太陽,眼速比光速快?
    筆者-小文太陽是太陽系的老大,而八大行星則圍繞這顆巨大的恆星做公轉運動,在地球上,人們每天都能看見日出日落,這已經是習以為常的事了,但你可知道,太陽光到達地球需要花費多長時間呢?宇宙是真空的環境,而在該環境中,光速的傳播速度是恆定不變的,也就是大約每秒30萬千米,它是宇宙第一速度,即最快的速度。目前,人類還沒有一種飛行工具的速度可以接近或者說達到光速,這是因為光速其實指的是光粒子在真空中飛行的速度,它是沒有質量的。
  • 太陽光到達我們需要多久?
    我的問題是:太陽光到達地球和銀河系中的其他行星需要多長時間?太陽光能傳播到太陽系以外的地方嗎?太陽比我們太陽系中的行星大多少?感謝您為此花費時間。從太陽表面發射出來的光大約需要8.3分鐘才能到達地球。光到達我們太陽系中的行星(不是銀河系,只是我們自己的星系)所需的時間,從水星的約3分鐘到海王星的約4.15小時不等。原則上,太空中沒有什麼可以阻止太陽光無限遠地傳播。實際上,太陽只有45億年的歷史,所以它的光現在只能向我們之外延伸45億光年。
  • 太陽光到達我們需要多久?
    我的問題是:太陽光到達地球和銀河系中的其他行星需要多長時間?太陽光能傳播到太陽系以外的地方嗎?太陽比我們太陽系中的行星大多少?感謝您為此花費時間。從太陽表面發射出來的光大約需要8.3分鐘才能到達地球。光到達我們太陽系中的行星(不是銀河系,只是我們自己的星系)所需的時間,從水星的約3分鐘到海王星的約4.15小時不等。原則上,太空中沒有什麼可以阻止太陽光無限遠地傳播。