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太阳光到地球需要8分钟,为什么光子认为只有一瞬间?

我们经常听说:太阳光到地球需要8分钟。那这个时间是咋来的呢?

太阳光到地球需要8分钟?

我们经常听说:太阳光到地球需要8分钟。那这个时间是咋来的呢?

实际上,这个时间准确来说是8分20秒,更准确一点是8分17秒。这个结果其实很简单,就是太阳和地球之间的距离1.5亿公里,除以光的速度3*10^8m/s,就可以得到。

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但是我们要知道的是太阳表面是不产生光子的,太阳向外辐射的光子其实是太阳内核产生的,实际上一个光子从产生到传播到地球,大概需要14万年的时间。那具体是咋回事呢?

太阳核聚变反应

在宇宙中有许许多多的天体,科学家把它们分类为恒星、行星、卫星等等。但实际上,分类其实也不是固定的,而是动态的。比如,冥王星曾经就是九大行星之一,后来被降级了,如今太阳系是八大行星。

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分类的变化其实是科学家对于天文学的认知在发生变化。如今我们知道,在宇宙中,有一个关键因素会决定天体的分类,这个关键因素就是:质量。因此,就有了"质量为王”的说法。恒星有一个最小的质量门槛,这个门槛就是太阳质量的7%,低于这个值,就无法成为恒星,高于这个值,就可以成为恒星。

如果从本质上看,为什么高于这个质量就可以成为一颗恒星呢?

在中国有句老话叫做物极必反,就可以很好地概括这个事。我们知道,引力和质量有关,但天体的质量巨大时,引力也会非常大。就拿太阳来说,它占据了整个太阳系99.86%以上的质量,是绝对的主宰。

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太阳的引力牵引着太阳系内的天体,同时也在挤压自身。如果没有任何的斥力存在,那么太阳应该会在引力的作用下收缩成一个点。但事实上,并没有。这是因为太阳在挤压自身的过程中引发了核聚变反应,核聚变产生了对外的压力,和引力形成了动态平衡。那为什么会促发核聚变反应呢?

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这是因为在引力的作用下,太阳内核的温度会升高,这个温度大概可以达到1500万度。在这个温度环境下,原子结构已经无法保全了。我们知道原子是由原子核和电子构成的,在这样的环境下,电子会获得足够多的能量,摆脱原子核的束缚,开始放飞自我。因此,太阳的内核当中,其实是呈现等离子态的,原子核、电子、光子在其中到处乱串。

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不过,核聚变反应其实是需要原子核之间进行结合。构成太阳的主要是氢原子和氦原子,其中氢原子占大头。氢原子丢了一个电子,剩余的原子核内也只有一个质子。因此,太阳内部其实有大量的质子。质子是带正电的,同种电荷是相排斥的,只要足够大的能量才能使得两个质子结合,发生核聚变。照理说,太阳内部的温度只有1500万,而能促发两个质子发生核聚变反应的基本门槛是一亿度,因此反应本不应该发生。

不过,在微观世界当中,存在着量子隧穿效应。意思是说,即便是在宏观上不可能发生的反应,在微观世界中,也有极其低的概率发生。由于太阳足够巨大,粒子数足够多,即使再低的概率,乘以这个基数,也有可能发生。因此,反应才得以发生。最终,通过三个阶段,四个质子转化成一个氦核,并且释放出大量的能量。

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这个反应其实很缓慢,并不是像原子弹那样全炸了,这才使得太阳可以持续地烧下去。在整个过程中,每3个光子的产生,同时产生2个中微子。中微子由于不参与到电磁相互作用,并且本身质量极其小,就会先奔向广阔的宇宙。

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光子是参与到电磁相互作用的,由于太阳内部是等离子态。因此,光子会被困在太阳内部,跌跌撞撞地向外移动。据科学家统计,光子大概平均要花14万年的时间,才能来到太阳的表面。

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然后再过8分钟17秒,达到地球。不过,以上其实都是以人类的视角来看光子,那如果从光子的视角来看这件事情,它从产生那一开始到抵达地球,一共花了多少时间呢?

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从光子的角度

1905年被称为爱因斯坦的奇迹年,在这一年,爱因斯坦提出了四个开创性的理论,其中就包括了狭义相对论。在狭义相对论中,爱因斯坦统一了时间和空间,他认为两者并不是分立的,两者应该结合起来看。那这样应该咋理解呢?

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爱因斯坦其实是回归到了时间本身的定义。在物理学中,时间的定义是周期性的变化,说白了,时间就是一种运动。如果时间是一种运动,那时间就应该会受到运动状态的影响,处于不同运动状态的物体,感受到的时间就应该是不同的。

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但一个物体相对于其他的物体的运动速度越快,它相对于对方的时间膨胀越严重,也就是说,对方看到它的时间流逝得很慢。而在宇宙中,极限速度就是光速,这就意味着,处于光速时,光子的时间相对于外界是无限膨胀的,也就是说,对于光子而言,外界都世界末日了,它这里还没有一瞬间。因此,从光子诞生,到光子达到地球,其实从光子的角度来看,几乎就是一瞬间达到的。

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