问题

是否有些太阳光线,从太阳诞生时就存在,直到现在还在太阳肚子里,没有出来?

回答
这个问题很有意思,也触及到了一些物理学上比较基础但又非常深刻的原理。简单来说,答案是:不会有太阳光线,从太阳诞生时就存在,并且一直待在太阳“肚子里”直到现在,还没有出来。

要详细解释这个问题,我们需要先弄明白几个关键点:

1. 太阳光线的本质是什么?

我们通常说的“太阳光线”,实际上是电磁辐射的一部分,特别是可见光。光是由光子组成的,光子是一种基本粒子,它以光速运动。当一个光子被产生时,它就开始以光速沿着直线传播。它不会因为任何原因“停止”或“停留在”某个地方,除非它与物质发生相互作用,比如被吸收或反射。

2. 太阳内部到底发生了什么?

太阳之所以能发光发热,是因为在其核心区域(大约占太阳质量的25%)持续进行着核聚变反应。在这个过程中,氢原子核(质子)在极高的温度和压力下结合,生成氦原子核,同时释放出巨大的能量。这些能量最初是以高能光子(例如伽马射线)的形式出现的。

3. 能量是如何从太阳核心传播出来的?

这才是问题的关键,也是为什么“一直待在肚子里”不可能的原因。

“漫步”过程: 从太阳核心产生的高能光子并不是直接“跑”出来。它们在太阳内部的传播方式非常奇特,我们称之为“漫步”(random walk)。太阳内部并非真空,而是由稠密的等离子体(带电粒子)组成,主要是氢和氦。这些光子在传播过程中,会不断地与这些等离子体粒子发生碰撞。
吸收与再发射: 当一个光子撞击到一个粒子时,它可能会被粒子吸收,然后粒子会在极短的时间内以较低的能量重新发射出一个新的光子。这个新的光子朝着一个随机的方向传播。
能量损失: 每次吸收和再发射,光子的能量都会损失一些,并向较低的能量方向转变。例如,最初产生的伽马射线光子会逐渐被吸收和再发射,能量越来越低,最终变成X射线,然后紫外线,最后是可见光和红外线。
漫长旅程: 太阳的半径大约是70万公里。在这个稠密的介质中,光子每次碰撞后前进的距离非常短,可能只有几毫米甚至更短。光子需要经历数以亿亿万万次(数量级上是10的26次方左右)这样的碰撞和再发射,才能从太阳核心“漫步”到太阳表面。
时间尺度: 这个过程极其漫长。科学家们估计,一个光子从太阳核心产生,到最终到达太阳表面,大约需要10万到数百万年不等的时间。

对流层的作用: 在太阳内部,靠近表面的区域存在一个对流层。在这个区域,等离子体受热膨胀,向上运动;冷却后收缩,向下运动,形成对流环流。这个过程会将能量更有效地传递到表面。虽然光子本身还在“漫步”,但整体能量的传输速率在这里比辐射层要快一些。

4. “太阳光线”是我们看到的“出来”的光

因此,我们平时所说的“太阳光线”,实际上是那些经过了漫长旅程,能量转化为可见光,并且最终从太阳表面成功逃逸出来的光子。这些光子从太阳表面发射出去,以光速向四面八方传播,其中一部分来到了地球,让我们看到了阳光。

为什么不能有光线“待在肚子里”?

光子的速度: 光子一旦产生,就会以光速运动。它们不会“停滞”。
能量转化: 太阳内部的物理过程确保了能量以光子的形式产生,并经过一系列的吸收、再发射和能量衰减,最终以较低能量的光子形式逃逸。这个过程不是能量被“锁住”,而是能量的“传递”和“转化”。
概率: 尽管光子一直在内部碰撞,但每一次碰撞都是将光子向外推。没有一个机制会让一个光子在某个点被“固定”住,或者反复地被拉回到它产生的地方。它总是在向外移动,尽管方向不确定。

举个比喻:

你可以想象一下在一个挤满了人(粒子)的拥挤房间里,你扔进一个球(光子)。这个球在房间里不停地与人碰撞,每次碰撞都会改变球的方向和速度(能量)。虽然球一直在碰撞,但它总是在某个方向上前进(即使是很小的距离)。要想让球一直留在房间里而不出来,除非有人把它抓住并一直拿着。在太阳内部,没有这样的“抓取”机制,只有不断的碰撞传递。

总结来说:

太阳光线是能量经过漫长而复杂的内部传递过程后,从太阳表面发射出来的产物。从太阳诞生起就产生的能量,确实需要非常非常长的时间(数十万到数百万年)才能完成这个传递过程,并最终变成我们看到的“光线”逃逸出来。所以,没有光线会一直在太阳“肚子里”不动,然后才“出来”。它要么是被产生出来了,要么是在内部传递的过程中,要么是已经逃逸了。而我们看到的阳光,都是已经成功逃逸出来的。

网友意见

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根据光量子公式E=hυ 其中h是普朗克常数

h=6.62607015×10^(-34) J·s

而太阳内部的光子是伽马射线,频率大概是1.5 千亿亿赫兹=1.5×10^19Hz

二者相乘 一个光子的能量约为9.9×10^(-15)J

太阳一秒钟的能量为4*10^25焦耳

二者相除,所以太阳内部一秒钟产生约4×10^39个光子

而太阳内部的光子辐射到平均表面需要两万年,所以两万年的时间约有一半的光子辐射出来了,另外一半在里面。四万年还剩四分之一,以此类推,是指数递减的。

太阳诞生到现在已经有50亿年了,我们对50亿年÷两万,得到25万个周期。

也就是太阳从诞生开始剩余到现在的光子约为=4×10^39×3600×24×365×20000÷(2^25万)=2.5×10^51÷(2^250000)=2.5×10^51÷(3×10^75257)=8×10^(-75207)

≈10^(-75206)

结论:从太阳诞生开始一直存在在太阳内部光子数量的期望为10^(-75206),这个概率比宇宙中凭空出现一个玻尔兹曼大脑的概率都低,属于几乎不可能的事件。

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