太阳到地球的距离约为1.5亿千米,光在真空中的速度约为每秒30万千米。
一个光子要逃离太阳的话,几乎会把所有时间消耗在最开始的40万km处,也就是辐射区,需要100 000~1 700 000 年。
在这段区间内,这个光子一天只能向外走不到10米(太艰难了)。
能量产生在日核。这些能量在通过辐射区的过程中的主要传输形式是辐射,而在穿过对流区的时候的主要输运形式则是对流。
因此,一个在日核附近产生的光子如果不被吸收或者发生光子核反应。或者类似地转化成其他形式的能量,则要百万年才能从产生地到离开太阳。
考虑一个光子从坐标为0的位置出发,出发之后会经过电子或者质子的散射,机制类似汤姆孙散射【电磁辐射和一个自由带电粒子产生的弹性散射。入射电磁波的电场使粒子加速,从而激发粒子产生和入射波频率相同的辐射(散射波)】,也有可能会被吸收,如下图:
上图这个过程的逆过程就是发射过程,吸收之后有可能会被再次发射,然后再次被吸收。对于这个吸收和再发射的过程,我们可以认为这是一次光子和有质量的粒子进行的有能量交换的碰撞。
经历N次碰撞之后的结果是:
N次碰撞之后距离原点的平均距离是:
又因为任何两次碰撞之间的角度不相关所以有:
也就是经历N步之后的平均距离是:
光子从中心走到边缘的时间取决于平均自由程d。定性地来说平均自由程有如下表达式:
其中 k 是单位质量的吸收系数,而 ρ 是密度,对于太阳辐射区,有:
所以d大致是 10^?5 的量级。
辐射区的厚度是 10^8 m的量级。
进而可以给出总路程:
在这个路程上光子在致密介质中的波速要显著低于真空光速,这里取1/10倍光速,则有:
结论10^7年,也就是百万量级,这就是我们估计的光子穿过辐射区所需要的平均时间。
正如康德在他的著作《实践理性批判》中所说:
参考资料:
[3] 图片来源 http://xinhuanet.com及https://www.pexels.com/
撰稿:张沛锦
石头科普工作室出品
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