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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。