愛因斯坦錯了嗎？光子從誕生到抵達地球，是17萬年還是8分鐘？

一個光子從誕生到抵達地球，一共需要17萬年？

太陽距離地球的平均距離是1.5億km，真空中光速30萬km/s，這不是8分鐘的事情嗎？為了光速不變，相對論可以把空間和時間都掰彎，難道這次愛因斯坦錯了？

愛因斯坦

同學們先別激動，愛因斯坦穩得很，相對論也很可靠。光速如果輕易被超越，物理學也就跟著完蛋了。我們今天談論的只是一個光子誕生的旅程，它為什麼會變得如此之慢？這得從它誕生的地方開始講起。

一個光子的誕生

光子是由太陽內核深處的核聚變反應產生的，當光子從太陽內核流出時，它的能量在百萬電子伏特 (MeV) 量級以上，我們稱之為伽馬射線。如果它從太陽內核開始花2秒鐘，直接穿越69.6萬km太陽半徑的距離，到達太陽表面，然後奔向地球，那麼今天就不會有你我來討論這個問題了。

因為伽馬射線風暴，是宇宙生命的第一殺手，它所經之處，可謂寸草不生。同學們可以回憶一下《復仇者聯盟4》，強如滅霸，打過一個響指後，因為無限手套伴隨著伽馬射線爆發，立馬半身幾近報廢；而愛你3000次的鋼鐵俠，更是因此直接掛掉，淚目啊——

鋼鐵俠也無法承受伽馬射線影響

同學們現在依然性命無憂，顯然，光子並不是暢通無阻的以伽馬射線的形式直接從太陽內核進入太空。光子像一顆發射的子彈，與另外的物質相互作用，損失大量的能量，變成較長波長的各種形式的光，最終以X射線、紫外線、或者可見光的形式出現在太陽表面，再開始星際光速之旅的。

隨機遊走的醉漢

光子誕生後，它得經歷多長的時間，才能到達太陽表面來呢？我們得先引入一個比較冷門的知識點，它被稱作——隨機遊走問題。

我們先告別太陽內核，回到地球上，隨便找個醉漢，代替光子來親身示範一下其中的旅程。很巧合的是，隨機遊走問題，一開始也叫做——醉漢問題。

假設我們觀察一個醉漢，他靠在一個寬闊的廣場中心燈柱上，開始漫無目的的遊走，他朝一個方向走幾步，然後又朝另一個方向走幾步，並且這種改變無法預測，那麼我們如何計算他走了100步後，距離燈柱多遠呢？

隨機遊走問題

我們當然無法給出精確的他到底在哪裡的答案，但是根據統計學，我們可以得出“最有可能”的答案。

為此，我們得建立起一個數學座標系，以燈柱為原點，X軸指向我們，Y軸指向右邊，用R表示醉漢走了N次曲折後與燈柱之間的距離。Xn和Yn分別表示第N段路程在X和Y軸上的投影，根據畢達哥拉斯定理，我們可以得出以下的等式：

R^2=(X1+X2+X3+…+Xn)^2+(Y1+Y2+Y3+…+Yn)^2

這時候，基於醉漢走路的無序性的統計學原則，由於走動是完全隨機的，所以無論是X還是Y的取值，正數和負數各佔一半，因此很多對數值相等但符號相反的值可以互相抵消，並且轉彎次數越多，抵消的值越多。我們將畢達哥拉斯等式展開，將“混合積”作為可以互相抵消的統計學論述，進行精簡。可以得到簡單表達式為：

R^2=N(X^2+Y^2)或者R=√N*√X^2+Y^2

光子的前進方式，同樣將遵循這條“統計規律”。

第一次計算的結果

我們掌握的太陽質量為1.99*10^30kg，從而可以得到太陽內部包含的質子數目為1.0*10^57。如果質子是均勻分佈的，我們假設每秒鐘，光子能夠從太陽的質子之間平均移動間距是0.1納米。那麼為了從太陽內核到達表面，這顆可憐的光子需要隨機遊走690 000km，大約為3.9*10^37步，統共需要花4000億年的時間才能到達太陽表面。

這比已知的宇宙歷史137億年還長！

鋼鐵俠也表示崩潰

這個結果，別說愛因斯坦崩潰，宇宙都徹底受不了！看來我們鐵定搞錯了一些事情。

太陽的內部結構是關鍵

事實上，太陽的內部結構並不均勻。

根據最新的太陽探測器帕克的數據，我們可以得一個接近於真實的太陽內部模型。

太陽內部結構

首先，太陽有一個熱量很大的內核，核聚變就在這個地方發生，這裡的密度極大。

內核的外層是輻射層，它佔太陽總體積和總質量的比例分別約為 32% 和 48%。在輻射區的外部邊緣，太陽物質的溫度為200 萬攝氏度，密度則降到了 0.2 g/cm³ (相當於水的密度的五分之一)。

接著便是對流層，這是一層厚度約 20 萬km的物質層，它約佔太陽總體積的 66%，但質量更小，只佔總體的2% (相當於 6600 個地球的質量)。

最後，對流層延伸向外的部分，就是太陽的表面。

簡而言之，太陽內部的密度不是平均分配的，隨著向表面的延伸，它的密度急速的遞減。

光子真正的旅程

光子其實也無需把每個質子都得撞個遍才能前進！

在太陽內部的高溫下，強烈的熱碰撞不僅會使得分子分裂成原子，而且會切下原子的外層電子，進而破壞原子本身的機構，當溫度達到幾十萬攝氏度時，熱電離現象會非常明顯，並在溫度到達幾百萬攝氏度時會將原子徹底破壞。在恆星內部，原子已經被分解了，所有的原子的電子殼層都被完全剝去，物質變成了裸露在外的原子核和自由電子的混合物，它們瘋狂的穿過空間，彼此猛烈的碰撞。

太陽表面的活動

由太陽核心核聚變反應所產生的光子的能量極高。光子會馬上參與強烈的電磁相互作用。計算表明，如果光子攜帶的初始能量較少，質子就顯得很大，極有可能把光子直接彈開；而對於攜帶極高初始能量的光子來說，事實則剛好相反，質子則不能擋住它前進的道路，它大概率將向表層進發。光子一路以隨機遊走的運動方式，不斷的碰撞，不斷的損失能量，執著的向太陽表面曲折前進。那麼它到底需要多久才能來到太陽表面呢？

根據最先進的大型計算機模擬，套用最新的太陽內部結構模型，用這些變化的數據代入隨機遊走方程，我們得到的最終時間是——17萬年。

結語

目前，我們的認知只能到達這裡。每天射入你眼中的陽光，得花17萬年的時間，才被彈射到太陽表面，外加在宇宙空間中短暫的八分鐘。愛因斯坦表示情緒穩定，相對論沒有任何不良影響，物理學也沒有被改寫的必要。

地球的陽光明媚

只是身邊的每一縷陽光，都是兩個冰河紀前的產物，同學們驚不驚喜，意不意外呢？歡迎留言告訴我。