陽光有多古老？

對科學知識有一定了解的人都知道，我們抬頭看到的太陽實際上是8分鐘以前的太陽。這是因為我們是通過太陽發的光來看的，而光從太陽來到地球需要大約8分鐘的時間。但如果追根問底，我們所看到的“陽光”，卻遠遠不是8分鐘以前產生的。其年齡其實非常久遠，最低估計有1萬年之久，甚至可能超過十幾萬年。

這是因為陽光并不是在太陽表面產生的。

人類很早就認識到地球上幾乎所有的能量都來源于太陽光，但對太陽本身的能量來源卻一直只能猜測。19世紀中葉，達爾文的生物進化論受到的挑戰之一便來自于對太陽年齡的推測。物理學家、現代溫度測量標準的創立者開爾文勛爵認為太陽的能量主要來自引力，并根據熱力學原理估計太陽的年齡為3千萬年，遠小于達爾文對生物進化過程大致需要3億年的估計。這一沖突曾經讓達爾文大為困惑，不得不在其《物種起源》最后一版中刪除了有關進化時間的討論。

但那時的開爾文勛爵不可能知道太陽的能量其實另有來源。這個直到1930年代在相對論質量和能量轉換關系的建立和對核反應的認識才揭曉：在太陽內部，高溫的質子（氫原子核）經過一連串的聚變反應產生氦原子核，并隨之釋放光子和中微子。這個過程與氫彈爆炸的原理相似，但在太陽或其它恒星中是一個可持續發生幾億年的穩定過程。我們看到的陽光便是處于可見光頻率范圍的光子。而根據這個理論推算，太陽的年齡已經有50億年，遠遠大于地球上生物進化需要的時間。

現在知道，太陽中心的內核部分溫度高達1千5百萬攝氏度。正是這樣的高溫使得帶正電的質子能夠克服它們之間的排斥力實現聚變反應。而太陽表面溫度相對低得多，“只有”5千攝氏度。因此，核反應完全是在內核區域進行的。然而，在那里發生的聚變所產生出的光子和中微子其后的經歷卻大相徑庭。

中微子是否有質量目前尚有爭議，但即使有的話在微觀粒子中也屬于微乎其微。如果中微子質量為零，那么它與光子一樣是以光速運動的。（今年初有報告說探測到超光速的中微子，一度引起轟動，但后來被證實是儀器問題。）與光子不同的是，中微子與其它物質幾乎不發生任何作用，無論在哪里都沒有阻礙，暢通無阻。據估算太陽內核中產生的中微子只需要2秒多的時間便到達太陽表面。然后在8分鐘左右來到地球。

同時產生的光子就沒那么順利。聚變所產生的光子起初是能量非常高的伽瑪射線。太陽內部主要是有氫和氦組成的高溫高密度氣體，在那里面，光子平均走不到1毫米的距離就會與氣體中的離子發生碰撞而改變方向，或者被吸收。被吸收的光子很快會被再度發射出來，而發射的方向又是隨機的。這樣，“寸步難行”的光子不斷地被吸收和再發射，所走的路徑便是漫無目的的四處流竄，需要經過長久的跋涉才能到達太陽表面而逃出來。而在這一過程中，光子的能量也有所下降，形成太陽光的光譜分布，包括我們肉眼能夠看到的可見光以及紅外、紫外線等。

光子從內核到太陽表面的這個過程可以用數學上的“醉漢行走”模型描述。但推算其所花的時間則需要知道太陽內部氣體的密度和分布。目前的估算結果是在1萬年至17萬年之間。

因此，雖然同樣來自太陽，我們在地球上探測到的中微子的確是8分鐘之前的產物。而我們看到的陽光卻不是這些中微子的兄弟，而是它們極為古老的祖輩。通過對直接來自太陽內核的中微子的測量，我們可以了解太陽中心的狀態。而光子在太陽內部幾萬年的漫長旅途中早已失去了其出生地的特征。我們對太陽光的觀測只能還原出太陽表面的影像和性質。在這個意義上，我們也可以說看到的陽光是8分鐘以前的，盡管它們的實際年齡——或者說它們的祖先——要古老得多。

（作者：程鶚）

發表于 2013-12-03 00:00
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