6．从太阳中心出发

在日常生活中，我们很少会停下来思考一束光从太阳中心出发的旅程，它从哪里产生，如何前往地球，在哪里照到沙滩上某人的屁股。容易想象的部分是它离开太阳，穿过真空的星际空间，经过500秒的光速旅行后到达地球。而难以想象的是它经过百万年的历险从太阳中心到达表面的过程。

恒星中心的温度至少有1000万开（开尔文），而在温度高达1500万开的太阳中心，失去电子的氢原子核的速度已足以克服它们之间的自然斥力而发生碰撞。当4个氢（H）原子核经过热核反应产生1个氦（He）原子核的时候，质量转化成了能量。略去中间步骤，太阳里的反应就是：

4H→ He+能量

于是就有了光。

每产生1个氦原子核，就有数个光子（光的粒子）产生。这些能量很高的光子就是γ射线，是人类所认识的能量最高的光。γ射线光子生来就以光速（299792千米/秒）运动，无意中开启了脱离太阳的艰苦历程。

未受干扰的光子会一直沿直线运动，但是如果有物体挡在路上，光子会被散射，或是被吸收后再发射出来。每种情况都会改变光子的传播方向和能量。在太阳内部那种物质平均密度情况下，光子的平均直线运动时间不超过三百亿分之一秒（三十分之一纳秒），只够光子在和自由电子或原子发生相互作用之前移动1厘米。

每次相互作用后的新路线可能向前、向两侧，甚至向后。那么，一个漫无目的、四处乱撞的光子如何才能离开太阳？烂醉如泥的醉汉在街角路灯下晕头转向地乱走的场景或许会提供一点暗示。很奇怪，醉汉很可能不会回到路灯下。如果他的步伐是完全随机的话，他与路灯的距离将会缓慢增加。

尽管你无法准确预测确定步数后某个醉汉与路灯的距离，但如果能说服一大群醉汉做一个随机行走实验，你却能可靠地估计出他们与路灯的平均距离。数据将会显示，平均距离与总步数的平方根成正比。例如，如果每个人随机地向各个方向走100步，那么离路灯的平均距离就只有10步。如果走了900步，平均距离只增加到30步。

如果一步是1厘米，那光子要从700亿厘米深处的太阳中心“随机漫步”到表面必须走将近5×1021步，总直线距离达到5000光年。光子以光速前进，自然要5000年才能跑那么远。但是，如果以一个更接近实际的太阳模型来计算——例如，考虑到受自身重量的压缩，气态太阳90%的质量集中在50%的半径区域以内——并计入在光子被吸收和再发射过程中消耗的时间，整个旅程要长达近100万年。如果有从太阳中心到表面的无障碍通道，光子的旅程只有短短的2.3秒。

早在20世纪20年代，人们已经想到光子在逸出太阳的过程中会遇到很大阻碍。英国天体物理学家阿瑟·斯坦利·爱丁顿爵士（Sir Arthur Stanley Eddington）奠定了恒星结构研究的物理基础，令人们得以深入研究这个问题。1926年，他写作了《恒星内部结构》一书，并在物理学的新分支——量子力学诞生后立即出版。但这比热核反应被公认为太阳能量来源的时间晚了近12年。即便细节有些问题，绪论里爱丁顿活灵活现的描述还是准确地抓住了以太波（即光子）艰苦旅程的一些本质：

恒星内部是原子、电子和以太波的喧嚣。我们必须借助原子物理学的最新发现才能解释这场错综复杂的狂欢……试想一下那样的混乱场景！散乱的原子以50英里每秒的速度横冲直撞，混乱中从它们精美的电子披风上落下些许碎片。落单的电子速度加快了100倍以寻找新的容身之处。留神！百亿分之一秒里，电子已经上千次侥幸脱险……接着……电子被原子捕获，它的自由生涯从此结束。但这转瞬即逝。原子刚刚把战利品放进口袋，以太波就一头撞上来。随着剧烈的爆炸，电子再次脱离原子开始新的历险。（Eddington,1926年，第19页）

爱丁顿对自己的研究热情不减，他认定以太波是太阳内唯一运动的成员：

面对这幅场景，我们不禁自问：这是恒星演化的宏伟大戏吗？它更像是音乐厅里欢乐的杂耍。这场原子物理的喧闹喜剧并没有考虑我们的审美理想……原子和电子如此匆忙却从没有跑到别处去，它们只是交换了位置。以太波是其中唯一起实际作用的部分。虽然它们明显是漫无目的地四处乱撞，但总体来看，还是不由自主地向外缓慢移动着。（Eddington,1926年，第19～第20页）

在太阳最外层的1/4半径内，能量主要通过湍动的对流移动，过程和一锅滚开的鸡汤（或是别的什么）没什么区别。热的物质团上升，冷的物质团下沉。正在艰苦工作的光子不知道，它们所在的那团能很快就下沉数万千米，或许一下子就抵消了它们几千年的自由漫步。当然也可能相反——对流能很快把正在自由漫步的光子带到接近表面的地方，增加了它们逃逸的概率。

不过γ射线的旅行故事还没有讲完。从1500万开的日心到6000开的太阳表面，温度大约以平均每米1/55开的速率降低。每次吸收和再发射，高能γ射线光子通常会以牺牲自己为代价产生多个低能光子。如此无私的举动一直沿着光谱继续，从γ射线到X射线，再到紫外线、可见光、红外线。1个γ射线光子的能量足以产生1000个X射线光子，每个X射线光子最终将产生1000个可见光光子。换句话说，当漫步到太阳表面的时候，1个γ射线光子能轻易地制造出100万个可见光和红外光子。

每5亿个从太阳射出的光子里只有1个飞向地球。我知道，这听起来太少了，但是以地球的大小和与太阳的距离，这确实是地球应得的份额。其余的光子则向其他地方飞散。

顺便一提，太阳的气态“表面”定义为一个层，它是随意漫步的光子逃逸到星际空间前的最后一站。只有从这层起，光才能无阻碍地直达你的眼睛，也只有通过这一层，我们才能观察到太阳的尺寸。一般而言，波长较长的光比波长较短的光来自太阳的更深层。例如，如果用红外光而不是可见光观测，太阳的直径会稍小一些。不管是否说明，教科书上列出的太阳直径都是可见光观测的数值。

并不是所有的γ射线都会变成低能光子。一部分能量驱动着大规模的对流，继而驱动压力波在太阳里振荡，就像敲钟一样。连续的精密测量发现太阳光谱有细微的振荡，其原理和地震学家解释地震引发地下声波的原理一样。由于许多振荡模式在同时运行，因此太阳的振动状态格外复杂。日震学家面临的最大挑战在于将振动分解成不同的基础模式，进而推导出引发这些模式的内部特征的尺寸与结构。如果你对着敞开的钢琴尖叫，也会引发类似的“分析”。你发出的声波中的各组成频率会激励起同频琴弦的振动。

太阳全球振荡监测网开展了一项研究太阳振荡现象的联合研究项目。遍布世界各时区（美国夏威夷、美国加利福尼亚州、智利、西班牙加纳利群岛、印度及澳大利亚）的专用太阳观测台能够连续地监测太阳振动。人们期待已久的结果支持当前大多数关于恒星结构的概念。尤其是，在太阳内层能量确实是通过随意漫步的光子传递，而在外层能量通过大规模的对流传递。没错，有些发现就是特别简单，因为它们证实了你一直以来的猜想。

最适合完成穿越太阳的英勇冒险的，是光子，而非其他任何形式的能量或物质。如果我们中的任何人打算进行同样的旅行，那他必死无疑，然后蒸发，连身体上每个原子的所有电子都会被剥得一干二净。要是没有这些危险，我想这样的旅行计划应该很畅销。但是对我来说，知道这些就已经很满足了。每次晒日光浴的时候，对所有照在我身上的光子，不管它们照在哪，我总是对它们所经历的旅程充满敬意。