在太阳中心的光子,为何需要1000万年才能到达表面?

光子在太阳内部是以随机游走的方式传播,太阳半径70万公里,一个在太阳中心产生的光子,大概要花上1000万年的时间才能到达太阳表面。

光速每秒30万公里,太阳半径大约70万公里,粗略计算光子从太阳中心传播到表面,也就两秒多的时间,但为何实际上要花上近1000万年呢?这是因为光子在太阳内部的行径方式很特殊。

太阳中心的温度高达1500万度,压力高达300亿个大气压,表面温度也高达5500℃,整个太阳是一个以氢、氦元素为主的等离子体。

太阳的核心区域进行着氢的聚变反应,聚变过程会产生大量光子,光子一经产生,就会立马被周围的原子吸收,平均自由程不到1厘米,而吸收光子的原子处于激发态,然后立马又会释放等能量的光子,并且释放的方向是随机的。

如果我们把原子每次吸收的光子,和接下来释放的光子看作同一个光子的话,那么光子在太阳内部将以随机游走的方式传播,我们就能利用数学模型,计算光子从太阳中心游走到太阳表面所用的时间:

光子的自由程△l:1cm;

太阳的半径R:7×10^8m;

真空中光速c:3×10^8m/s;

光子随机游走的步数为N,游走距离为L:

根据随机游走公式有:L=△l√N;

那么光子从太阳中心,随机游走到太阳表面,所需要的时间T:

T=R^2/(△lc)

=(7×10^8)^2/(10^-3×3×10^8)

=1.6×10^12秒≈518万年;

以上只是粗略估计的值,但是也说明在太阳中心产生的光子,大约要花上1000万年左右的时间,才能到达太阳表面;然后到达太阳表面的光子,传播到1.5亿公里外的地球,只需要大约8分钟的时间。