Verlangsamen Photonen im Gravitationsfeld der Sonne so stark?
Ich habe gerade jemanden erwähnen hören, dass Photonen 40.000 Jahre brauchen, um vom Zentrum der Sonne zu ihrer Oberfläche zu gelangen, die ungefähr 700.000 Kilometer lang ist. Wie ist das möglich, wenn die Lichtgeschwindigkeit / Photonen 300.000 km / s beträgt?
Antworten
Nun, Photonen bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum und in diesem Fall zwischen Teilchenkollisionen - siehe unten) ungefähr $3 \times 10^8 \ m/s$ und sie werden in diesem Szenario verlangsamt, aber nicht so, wie Sie denken, und nicht wegen des Gravitationsfeldes der Sonnen.
Sie sollten auch beachten, dass das im Zentrum der Sonne emittierte und das an der Sonnenoberfläche austretende Photon nicht das "gleiche" Photon sind.
Da die Sonne extrem dicht ist, wird ein am Kern emittiertes Photon fast sofort von einem anderen nahe gelegenen Proton absorbiert, und das Proton vibriert und emittiert dann ein anderes Photon in zufälliger Richtung erneut. Dies geschieht immer wieder Billionen von Billionen Mal, so dass bis zum Erreichen der Sonnenoberfläche Tausende von Jahren vergangen sind. Dieser Prozess wird durch einen sogenannten Random Walk beschrieben .
Die Entfernung, die ein Photon zurücklegen kann, bevor es absorbiert wird, wird durch den sogenannten mittleren freien Pfad und durch die Beziehung angegeben
$$l = \frac{1}{\sigma n}$$
(aus dem Wiki) "wo $n$ ist die Anzahl der Zielpartikel pro Volumeneinheit und $\sigma$ ist die effektive Querschnittsfläche für die Kollision. "
Wie Sie sehen können, wird die Anzahl der Zielpartikel (Protonen) erheblich hoch sein, wodurch diese Entfernung extrem klein wird, so dass das Photon effektiv eine große Entfernung vom Kern der Sonne bis zu seiner Oberfläche zurücklegt. Dann dauert es nur 9 Minuten, um uns zu erreichen!
Die Schwerkraft hat wenig damit zu tun. Die Sonne ist ein dichtes Plasma und Partikel des Plasmas streuen Photonen stark (sowohl elastisch als auch unelastisch). Daher bewegt sich das Photon nicht in einer geraden Linie von der Mitte zur Oberfläche.
Ich sollte klarstellen, dass das Gravitationsfeld die Wellenlänge des Lichts (folglich den Impuls des Photons im Vakuum) ändert, aber nicht die Geschwindigkeit des Photons seitdem $$ p = \frac{\hbar}{\lambda} $$ und die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bleibt nach dem Relativitätsprinzip absolut.
Der Grund für die scheinbare Verlangsamung der Lichtgeschwindigkeit in der Sonne wird in den vorherigen Antworten ausführlich erläutert.
Die im Kern erzeugte Energie braucht so lange, um an die Oberfläche zu gelangen. Es ist nicht dasselbe Photon, das so lange dauert. Photonen werden ständig emittiert und absorbiert, und die Energie verbringt auch Zeit als kinetische Energie der Elektronen und Protonen im Plasma.
Der Kern wird heiß. Es dauert 40.000 Jahre (oder wie auch immer die richtige Anzahl sein mag), bis es abgekühlt ist und sich durch die gesamte Masse des Sonnenmaterials hindurcharbeitet.