6．從太陽中心出發

在日常生活中，我們很少會停下來思考一束光從太陽中心出發的旅程，它從哪里產生，如何前往地球，在哪里照到沙灘上某人的屁股。容易想象的部分是它離開太陽，穿過真空的星際空間，經過500秒的光速旅行后到達地球。而難以想象的是它經過百萬年的歷險從太陽中心到達表面的過程。

恒星中心的溫度至少有1000萬開（開爾文），而在溫度高達1500萬開的太陽中心，失去電子的氫原子核的速度已足以克服它們之間的自然斥力而發生碰撞。當4個氫（H）原子核經過熱核反應產生1個氦（He）原子核的時候，質量轉化成了能量。略去中間步驟，太陽里的反應就是：

4H→ He+能量

于是就有了光。

每產生1個氦原子核，就有數個光子（光的粒子）產生。這些能量很高的光子就是γ射線，是人類所認識的能量最高的光。γ射線光子生來就以光速（299792千米/秒）運動，無意中開啟了脫離太陽的艱苦歷程。

未受干擾的光子會一直沿直線運動，但是如果有物體擋在路上，光子會被散射，或是被吸收后再發射出來。每種情況都會改變光子的傳播方向和能量。在太陽內部那種物質平均密度情況下，光子的平均直線運動時間不超過三百億分之一秒（三十分之一納秒），只夠光子在和自由電子或原子發生相互作用之前移動1厘米。

每次相互作用后的新路線可能向前、向兩側，甚至向后。那么，一個漫無目的、四處亂撞的光子如何才能離開太陽？爛醉如泥的醉漢在街角路燈下暈頭轉向地亂走的場景或許會提供一點暗示。很奇怪，醉漢很可能不會回到路燈下。如果他的步伐是完全隨機的話，他與路燈的距離將會緩慢增加。

盡管你無法準確預測確定步數后某個醉漢與路燈的距離，但如果能說服一大群醉漢做一個隨機行走實驗，你卻能可靠地估計出他們與路燈的平均距離。數據將會顯示，平均距離與總步數的平方根成正比。例如，如果每個人隨機地向各個方向走100步，那么離路燈的平均距離就只有10步。如果走了900步，平均距離只增加到30步。

如果一步是1厘米，那光子要從700億厘米深處的太陽中心“隨機漫步”到表面必須走將近5×1021步，總直線距離達到5000光年。光子以光速前進，自然要5000年才能跑那么遠。但是，如果以一個更接近實際的太陽模型來計算——例如，考慮到受自身重量的壓縮，氣態太陽90%的質量集中在50%的半徑區域以內——并計入在光子被吸收和再發射過程中消耗的時間，整個旅程要長達近100萬年。如果有從太陽中心到表面的無障礙通道，光子的旅程只有短短的2.3秒。

早在20世紀20年代，人們已經想到光子在逸出太陽的過程中會遇到很大阻礙。英國天體物理學家阿瑟·斯坦利·愛丁頓爵士（Sir Arthur Stanley Eddington）奠定了恒星結構研究的物理基礎，令人們得以深入研究這個問題。1926年，他寫作了《恒星內部結構》一書，并在物理學的新分支——量子力學誕生后立即出版。但這比熱核反應被公認為太陽能量來源的時間晚了近12年。即便細節有些問題，緒論里愛丁頓活靈活現的描述還是準確地抓住了以太波（即光子）艱苦旅程的一些本質：

恒星內部是原子、電子和以太波的喧囂。我們必須借助原子物理學的最新發現才能解釋這場錯綜復雜的狂歡……試想一下那樣的混亂場景！散亂的原子以50英里每秒的速度橫沖直撞，混亂中從它們精美的電子披風上落下些許碎片。落單的電子速度加快了100倍以尋找新的容身之處。留神！百億分之一秒里，電子已經上千次僥幸脫險……接著……電子被原子捕獲，它的自由生涯從此結束。但這轉瞬即逝。原子剛剛把戰利品放進口袋，以太波就一頭撞上來。隨著劇烈的爆炸，電子再次脫離原子開始新的歷險。（Eddington,1926年，第19頁）

愛丁頓對自己的研究熱情不減，他認定以太波是太陽內唯一運動的成員：

面對這幅場景，我們不禁自問：這是恒星演化的宏偉大戲嗎？它更像是音樂廳里歡樂的雜耍。這場原子物理的喧鬧喜劇并沒有考慮我們的審美理想……原子和電子如此匆忙卻從沒有跑到別處去，它們只是交換了位置。以太波是其中唯一起實際作用的部分。雖然它們明顯是漫無目的地四處亂撞，但總體來看，還是不由自主地向外緩慢移動著。（Eddington,1926年，第19～第20頁）

在太陽最外層的1/4半徑內，能量主要通過湍動的對流移動，過程和一鍋滾開的雞湯（或是別的什么）沒什么區別。熱的物質團上升，冷的物質團下沉。正在艱苦工作的光子不知道，它們所在的那團能很快就下沉數萬千米，或許一下子就抵消了它們幾千年的自由漫步。當然也可能相反——對流能很快把正在自由漫步的光子帶到接近表面的地方，增加了它們逃逸的概率。

不過γ射線的旅行故事還沒有講完。從1500萬開的日心到6000開的太陽表面，溫度大約以平均每米1/55開的速率降低。每次吸收和再發射，高能γ射線光子通常會以犧牲自己為代價產生多個低能光子。如此無私的舉動一直沿著光譜繼續，從γ射線到X射線，再到紫外線、可見光、紅外線。1個γ射線光子的能量足以產生1000個X射線光子，每個X射線光子最終將產生1000個可見光光子。換句話說，當漫步到太陽表面的時候，1個γ射線光子能輕易地制造出100萬個可見光和紅外光子。

每5億個從太陽射出的光子里只有1個飛向地球。我知道，這聽起來太少了，但是以地球的大小和與太陽的距離，這確實是地球應得的份額。其余的光子則向其他地方飛散。

順便一提，太陽的氣態“表面”定義為一個層，它是隨意漫步的光子逃逸到星際空間前的最后一站。只有從這層起，光才能無阻礙地直達你的眼睛，也只有通過這一層，我們才能觀察到太陽的尺寸。一般而言，波長較長的光比波長較短的光來自太陽的更深層。例如，如果用紅外光而不是可見光觀測，太陽的直徑會稍小一些。不管是否說明，教科書上列出的太陽直徑都是可見光觀測的數值。

并不是所有的γ射線都會變成低能光子。一部分能量驅動著大規模的對流，繼而驅動壓力波在太陽里振蕩，就像敲鐘一樣。連續的精密測量發現太陽光譜有細微的振蕩，其原理和地震學家解釋地震引發地下聲波的原理一樣。由于許多振蕩模式在同時運行，因此太陽的振動狀態格外復雜。日震學家面臨的最大挑戰在于將振動分解成不同的基礎模式，進而推導出引發這些模式的內部特征的尺寸與結構。如果你對著敞開的鋼琴尖叫，也會引發類似的“分析”。你發出的聲波中的各組成頻率會激勵起同頻琴弦的振動。

太陽全球振蕩監測網開展了一項研究太陽振蕩現象的聯合研究項目。遍布世界各時區（美國夏威夷、美國加利福尼亞州、智利、西班牙加納利群島、印度及澳大利亞）的專用太陽觀測臺能夠連續地監測太陽振動。人們期待已久的結果支持當前大多數關于恒星結構的概念。尤其是，在太陽內層能量確實是通過隨意漫步的光子傳遞，而在外層能量通過大規模的對流傳遞。沒錯，有些發現就是特別簡單，因為它們證實了你一直以來的猜想。

最適合完成穿越太陽的英勇冒險的，是光子，而非其他任何形式的能量或物質。如果我們中的任何人打算進行同樣的旅行，那他必死無疑，然后蒸發，連身體上每個原子的所有電子都會被剝得一干二凈。要是沒有這些危險，我想這樣的旅行計劃應該很暢銷。但是對我來說，知道這些就已經很滿足了。每次曬日光浴的時候，對所有照在我身上的光子，不管它們照在哪，我總是對它們所經歷的旅程充滿敬意。