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太陽光到地球需8分鐘，那在光子看來它花了多長時間？
我為什麼要重複這個問題呢？原因是，這個問題包含兩個方面！首先我們看到的光子真的全部來自約8分鐘前的太陽光嗎？最後一個問題就是在光子看來它離開太陽表面後，達到地球需要多長時間？
我們經常會看到有人說：太陽光達到地球需要約8分鐘的時間，但還經常會看到有人說：太陽光子達到地球需要至少十萬年的時間？這是怎麼回事呢？下面就分析下這個問題。
有關於太陽是如何發光發熱的，這個問題我們人類討論了幾千年，但直到上世紀人們才搞清楚到底是怎麼回事。之前我們一直的猜測是，太陽通過化學反應燃燒燃料來為自己提供能量的，但是這樣的猜想不足以解釋太陽和地球的年齡，而且單位時間內釋放的能量也有限，因為按照太陽的體積來說，如果僅僅是化學反應的話，不足以維持太陽燃燒1萬年。
在這之後，開爾文勳爵提出了凱爾文-亥姆霍茲機制，他認為太陽的能量來源來自於引力勢能的釋放，但是引力勢能也不足以解釋地球上生物進化的時間，太陽總不能比地球上生物的年齡還小吧，說明這個機制並不是太陽能量的來源。但是凱爾文-亥姆霍茲機制解釋了白矮星能量的來源，例如上圖中的天狼星B，亮度只有太陽的百萬分之一。
上世紀，我們的物理學不僅在宏觀宇宙中取得了長足的發展，而且我們人類的視野也走進了微觀世界，通過對原子核的發現與研究，我們知道了宇宙中另外一種釋放能量方式：核能！通過向輕原子核添加質子或者中子，就能釋放出大量的能量。通過將核能應用在太陽發光發熱的機制上，不僅解釋了太陽如何在單位時間能能釋放出如此巨大的能量，而且也解釋了太陽釋放能量的時間尺度。
現在我們知道太陽每時每刻都將四個氫原子核，也就是質子融合成一個氦4，但是融合成的氦4的質量卻比四個質子質量輕了7%，那麼損失的質量就通過E=mc^2轉化為了能量，不過太陽的核聚變只發生在其核心，因此太陽所產生的高能伽馬射線並不能直接達到太陽表面，更不能直接逃離太陽的束縛，因為光子在傳播的過程中最容易和帶電粒子發生碰撞，並轉移能量。
所以高能伽馬射線從太陽核心轉移到太陽表面的時候，會經歷無數次的隨機碰撞，隨機碰撞就會造成光子的路徑發生隨機變化，我們稱光子向外轉移的這個過程為隨機漫步。因此一個典型的伽馬射線光子，想要從核心達到表面，需要跌跌撞撞的經歷至少十萬年的時間。由於每個光子的路徑不同，發生碰撞的次數不同，損失的能量不同，因此太陽光就成為了一個連續的光譜，在各個波段上擁有大量的光子，但在可見光處達到了峰值。
所以我們經常聽人說，太陽光達到地球需要至少十萬年，但是這句話也不完全正確，因為我們看到的太陽光確實還有約8分鐘前產生的光子，因為在伽馬射線往外懟的過程中，會因為將能量轉移到輻射層，對流層以及光球層，這些被加熱的各個層間會因為溫度的升高，釋放出黑體輻射。因此，我們看到的太陽光中也有來自最外層的光子。所以，我們看到的太陽光有來自10萬年前的，也有8分鐘前的。
那麼加下來的問題是，在光子看來，它們到達地球需要多長時間？
提出這個問題的主要原因是因為光子在以光速傳播，而我們又知道愛因斯坦的狹義相對論，那麼在光子看來，它的這段旅程肯定跟我們看到的情況不一樣。
如果我們能在光子上安裝一個時鐘的話，那麼我們看到的光子的時間將是靜止的，這就是高速運動狀態下的時間碰撞效應。具體情況，我們可以看下圖：
上圖就是我們常說的光鍾，一個靜止的光鍾和運動的光鍾所經歷的時間明顯不同，因為光子的速度在宇宙中是有限且恆定的，所以運動的光鍾由於走過了一段比較長的路徑，因此，它的時間就會更慢。當光鍾在空間中運動的速度達到了光速的話，那麼它將在時間中的運動速度為0。
上圖就是狹義相對論中兩個很重要的概念，一般在現實生活中低速的情況下我們都會忽略相對論因子：√1-v²/c²，但是當一個事物的運動速度達到了光速，從式子中就能看出，時間已經失去了意義，而長度對於以光速運動的事物來說也是0。
因此在光子眼裡，它從太陽表面達到地球這段過程就沒有花費任何時間，而且也沒有任何距離，是瞬間即達的。也就是說，光子從誕生再到消亡是一瞬間的事。並沒有經歷我們外部觀察者所認為的時間和空間。
其實太陽的情況還不算神奇，畢竟離我們地球很近，如果將以上的知識應用在距離我們數十、數百萬光年的恆星上，那麼在我們人類的觀察看來，這些光子想到達地球需要數十、數百光年，但對於光子來說，完全就是從誕生到被吸收一瞬間的事。
量子科學論
太陽光到地球需8分鐘，那在光子看來它花了多長時間？
太陽內部持續不斷地進行著核聚變反應，向外界釋放著光和熱。這些從太陽發出的能量，經過茫茫宇宙空間來到地球，被地球所吸收，為推動地球發展演化以及生命的誕生和繁衍創造了不可獲缺的基礎，得以形成目前穩定發展的地球各圈層結構、多姿多彩的生命世界。太陽與地球的平均距離為14960萬公里，這也是天文學中對1個天文單位的標量值，根據光速每秒30萬公里的數值，我們可以很容易計算出太陽光到達地球的時間為8.3分鐘，那麼實際上光子從產生到達地球的時間，遠遠不止這個數，要漫長得多。
太陽內部的核聚變
能夠激發氫元素核聚變反應需要非常高的溫度和壓力。而在太陽形成的過程中，星雲物質中的氣體物質和星際塵埃在引力波動影響下，逐漸發生碰撞和聚集，一方面質量不斷增加，另一方面組成物質的高速角動能轉化為核心的熱能，從而推動核心溫度也不斷增加。當這個溫度提升到700萬攝氏度以上時就能夠激發核心處氫原子的核聚變反應。
在太陽內核的核聚變反應中，由四個氫原子聚合為一個氦原子，並同時釋放兩個正電子，這個過程是相互獨立存在的，每四個氫原子的聚變，將會發生一定程度的質量虧損，測算出這個虧損值為0.031u，根據質能方程，質量的虧損必然要通過能量釋放的方式加以體現，那麼每個獨立進程的核聚變反應，釋放出來的能量E＝m*c^2＝2.8*10^7電子伏特，摺合4.6*10^(-12)焦耳。
科學家們通過萬有引力公式，測算出太陽的總質量為1.99*10^27噸，又通過太陽年齡和質量的關係推導出氫元素在太陽內核中的比例約為70%，從而計算出每秒太陽參與核聚變反應的氫元素總量為7億噸，這7億噸的質量絕大部分轉化為氦原子的質量，其中有很少一部分轉化為能量，因此太陽在漫長的近50億年曆史中，損失的質量也僅為6*10^23噸級別，大約是100個地球的質量，與太陽的總質量相比還不到千分之一。
太陽的圈層結構
雖然用肉眼來看，太陽就像一個大火球，但我們所看到的並非是太陽的整體，用肉眼看到的只是它的重要組成部分－光球層，在光球層的外側，還存在著色球層和日冕層，而我們用肉眼只能看到色球層中出現的耀斑爆發現象，而日冕層我們用肉眼是觀察不到的。
1、光球層。光球層處在太陽的內部，其半徑佔到太陽總半徑的80%左右。按照距離核心的距離不同，也可以根據其物理特徵劃分為幾個圈層：
最裡面的是核反應區，位置是從核心處到太陽半徑的四分之一處，這裡是太陽物質密度最大、溫度最高、壓力最大的區域，質量佔據太陽總質量的一半以上，主要由氫元素和氦元素構成，其中氫的佔比達到70%以上，溫度達到1500萬攝氏度，壓力甚至能達到2500億個大氣壓，氫的核聚變反應都是在這裡發生的。
核反應區之外是輻射區，從核反應區的外圍一直延伸到太陽半徑的二分之一處，核反應區內部產生的能量，通過輻射層時以輻射的形式向外界進行傳輸。
輻射區之外是對流區，處於光球層之下，平均厚度較小，只有15萬公里左右。這裡存在著沒有參與太陽內部核聚變的氫原子，在高溫下，這些氫原子不斷被電離，流體靜力學的平衡狀態被打破，引起氣體的上升或者下降。在這裡，太陽內部核反應所產生的輻射能量，其中有一小部分轉化為這種對流能量，為色球中出現的耀斑、日珥等現象提供能量來源。
2、色球層。是包裹在太陽光球層外側的結構單元，厚度很小，平均只為2000公里左右，是一個由等離子體構成的強磁場區域，其組成物質和光球層基本一致，只不過遠離太陽內核，引力作用降低導致密度比光球層低很多。而磁場的不穩定性，常常會引發劇烈的耀斑爆發現象。
3、日冕層。處於太陽的最外層，也只能在發生日全時才能看到，其半徑很大，可以延伸到太陽半徑的幾倍處，主要組成物質是由外圍的氫和氦原子被電離出的質子、自由電子等。在內核向外輻射壓的衝擊下，日冕層的物質有很大的幾率掙脫太陽引力的束縛，形成帶電粒子流向四周快速移動，形成我們常說的太陽風。
光子的產生
太陽光子的產生，離不開內部的核聚變，剛才提到了其核聚變的主要進程就是四個氫原子聚合形成氦原子，但從實際上看，它是質子與質子的鏈式反應，劃分為三個階段。
雙質子氦核衰變：兩個氫原子聚合成一個雙質子氦核，雙質子氦核迅速衰變為氘，釋放一個正電子、一箇中微子和部分能量。其中，在衰變的過程中，產生的正電子會立即與附件的電子發生湮滅，釋放出兩個伽馬射線光子和部分能量。
氦3核的形成：上一步產生的氘，與另外一個氫原子聚合，形成氦3核，產生一個伽馬射線光子和部分能量。
氦4核的形成：上一步產生的氦3核，兩兩一組進行聚變，產生一個氦4核，並釋放兩個質子
以以上鍊式反應中可以看出，光子的產生是基於雙質子氦核的衰變以及氦3核的聚合過程產生的。而光子與同期產生的中微子性質不同，中微子性質非常穩定，基本不與其它物質發生反應，所以在產生之後的幾秒時間內就會脫離太陽環境，而光子的逃離剛要複雜得多。
光子的運動過程
伽馬射線光子通過上述核聚變反應生成以後，運行非常短的距離（也就是幾微米）就立即被太陽的組成物質所吸收，由於光子攜帶著能量，被吸收之後能量的其中一部分用於加熱太陽內部的等離子氣體，當這些等離子氣體受熱之後，光子被重新釋放出來，雖然釋放出來的射線波長相同，但能量降低了一些。
接著，這些伽馬射線光子，依然會如此反覆地進行著被吸收－重新釋放的過程，大約經歷10多萬年的時間，才會到達太陽的表面，然後以光線的形式向四周的宇宙空間發射。有科學家做過測算，內核中產生的伽馬射線光子，最快的在1萬年能夠到達太陽表面，最慢的要17萬年左右才能到達。
總結一下
我們從地球上看到的太陽光線，實際上是8.3分鐘前剛剛運動到太陽表面的伽馬射線光子。這些光子其實在更長的時間裡，都是在太陽內部被反覆利用，進行著日復一日、年復一年的“重複機械運動”，不斷消耗著內能，當幾萬年甚至十幾萬年過去之後，才得以掙脫太陽的束縛進入自由的宇宙空間。
優美生態環境保衛者
太陽光到地球需要8分鐘，那在光子看來它花了多長的時間？
首先地球以橢圓形軌道繞著太陽公轉，平均日地距離1.5億公里，按照真空中光速30萬公里每秒進行計算，陽光從太陽表面出發，大約需要8分鐘20秒才能來到地球表面，這是一種理解。
但其實陽光是在太陽內部產生的，恆星在自身的引力塌陷作用下，太陽內核處的氫處在高溫高壓的環境下，發生碰撞聚變的概率升高，最終太陽內核出的核聚變被引爆。每秒鐘都有6億噸氫核聚變聲稱5.95億噸氦，損失的500萬噸質量按照愛因斯坦的質能方程轉化為能量，以光和熱的形式向外釋放。
而光子從太陽內核向外移動擴散的過程非常緩慢，因為它會不斷的被其它粒子吸收和釋放，只能說一個光子在太陽內核產生，會經歷17萬年的時間才到達太陽表面，從而再花費8分鐘20秒，陽光就來到的地球之上。植物光合作用，成為食物鏈的基石，能量不斷的向上傳遞，最終就促成了地球上生機勃勃的景象。
接下來繼續說以光子角度來看，這個過程需要花費多長時間哪？這就要考慮愛因斯坦的狹義相對論了，該理論有時間膨脹的推論，認為時間並不是絕對的，而是和物體的運動速度有關。物體運動速度越快，時間的流逝速度就越慢，那麼就可以得吃這樣的結論。
當物體的運動速度無限的接近於光速，那麼時間的流逝無限接近於靜止。有靜止質量的物體無法達到光速，但是光子例外因為它沒有靜止質量，因此光子的時間是靜止的，無論飛行到多遠的距離，對於它們而言都是瞬間的到達。
