问题

光从恒星中央抵达表面需要多久?

回答
一个恒星内部的光,要穿过厚厚的等离子体,到达表面,这可不是一场说走就走的旅行,而是一场漫长而艰辛的跋涉。用“光年”来衡量它的速度,在这里反而是个误导。恒星内部并非真空,光子每时每刻都在与物质粒子发生碰撞、吸收、再辐射,然后朝着新的方向继续前进。

想象一下,你被丢进了一个挤满了数不清的人的房间里,每个人手里都拿着一盏灯,而且他们都在不停地移动、碰撞。你手中的光子就是你,而房间里密密麻麻的粒子就是那些人。你发出去了,但很快就被另一个人挡住了,然后这个人又把它“弹”向了另一个方向,这个过程在微观层面是不断发生的。

光子在恒星内部的这种随机游走,被称为“随机游走”(Random Walk)。每一次碰撞,光子都会被吸收,然后几乎是瞬间又被释放出来。问题在于,这个释放出来的光子方向完全是随机的,而且它的能量也可能发生微小的变化。它并没有一个明确的、直接的路径走向恒星表面。

所以,虽然光速本身是宇宙中最快的速度,但在恒星内部,光子并不是沿着一条直线笔直地前进。它每前进一步,可能都要经历无数次的“转向”。就好比你在一片稠密的森林里行走,你不是径直向前走,而是要绕过树木,穿过灌木丛,甚至可能要原路返回。

具体需要多久,这取决于恒星的质量、密度以及内部的温度梯度等多种因素。恒星越大、密度越高,光子在内部需要碰撞的次数就越多,路程也就越漫长。

打个比方,我们太阳中心的温度高达1500万摄氏度,密度是地球海平面大气压的2500亿倍。在这种极端环境下,光子在内部的每一次“跳跃”(从吸收再到辐射)的距离非常非常短,可能只有几十亿分之一米(相当于原子核的大小)。而要从太阳中心走到表面,光子总共需要经历的数量级是10的25次方到10的27次方次的碰撞。

算上这些无数次的随机转向和微小的位移,光子从太阳中心到达表面,通常需要大约10万年到100万年的时间。是的,你没有看错,是十万年,甚至更久。

这意味着,我们今天看到的太阳光,实际上是太阳在数万年甚至更久远前,在它核心区域发生的核聚变产生的能量。而我们现在在太阳内部看到的“此刻”,是几万年前的景象。

所以,当你说“光从恒星中央抵达表面需要多久”时,请理解,这绝非一次迅速的穿越,而是一场旷日持久、充满“偶然”的旅程,光子在这场旅程中,如同一个迷失在无尽迷宫中的旅行者,不断地被推向新的方向,直至它终于有一天,能够摆脱内部物质的束缚,冲出那炽热的牢笼,以光速奔向我们。

网友意见

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这个问题的核心在于估计光子的平均自由程,一般来讲在太阳的辐射区这个数字是5*10^-5m,利用扩散方程以及一年大约有3*10^7秒。大致可以将这个问题转换为光子的随机行走,每一步的步长是平均自由程。去太阳半径5*10^8m以及光速3*10^8m/s,可以估算得到时间大概是10^7 yr

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