광자는 태양의 중력장에서 이렇게 느려질까요?
광자가 태양의 중심에서 약 70 만 킬로미터의 표면까지 이동하는 데 4 만년이 걸린다는 말을 들었습니다. 빛 / 광자의 속도가 300,000km / 초라면 어떻게 가능할까요?
답변
음, 광자는 항상 빛의 속도로 이동합니다 (진공 상태에서이 경우 입자 충돌 사이-아래 참조). $3 \times 10^8 \ m/s$ 이 시나리오에서는 속도가 느려지지만 태양의 중력장 때문이 아니라 생각하는 방식이 아닙니다.
또한 태양의 중심에서 방출 된 광자와 태양 표면에서 탈출하는 광자는 "동일한"광자가 아님을 유의해야합니다.
태양은 매우 밀도가 높기 때문에 코어에서 방출 된 광자는 거의 즉시 근처의 다른 양성자에 의해 흡수되고 양성자는 진동 한 다음 임의의 방향으로 다른 광자를 다시 방출합니다. 이것은 수조 번에 걸쳐 반복적으로 발생하여 태양 표면에 도달 할 때까지 수천 년이 지났습니다. 이 과정은 무작위 걷기 라고하는 것으로 설명됩니다 .
광자가 흡수되기 전에 이동할 수있는 거리는 평균 자유 경로 라고하는 것으로 주어지며 관계식으로 지정됩니다.
$$l = \frac{1}{\sigma n}$$
(위키에서) "어디 $n$ 단위 부피당 대상 입자의 수입니다. $\sigma$ 충돌을위한 유효 단면적입니다. "
아시다시피, 표적 입자 (양성자)의 수는 상당히 높아서이 거리가 극히 작아 져서 광자가 태양의 중심에서 표면까지 먼 거리를 이동합니다. 그런 다음 우리에게 도달하는 데 9 분 정도 걸립니다!
중력은 그것과 거의 관련이 없습니다. 태양은 밀도가 높은 플라즈마이며 플라즈마 입자는 광자를 많이 산란시킵니다 (탄성 및 비탄성 모두). 따라서 광자는 중심에서 표면으로 직선으로 이동하지 않습니다.
중력장이 빛의 파장 (결과적으로 진공에서 광자의 운동량)을 변경하지만 광자의 속도는 변경하지 않는다는 점을 명확히해야합니다. $$ p = \frac{\hbar}{\lambda} $$ 그리고 진공에서 빛의 속도는 상대성 원리에 따라 절대적으로 유지됩니다.
태양에서 빛의 속도가 분명히 느려지는 이유는 이전 답변에서 광범위하게 설명되었습니다.
코어에서 생성 된 에너지는 표면에 도달하는 데 오래 걸립니다. 그렇게 오래 걸리는 동일한 광자가 아닙니다. 광자는 지속적으로 방출되고 흡수되며 에너지는 플라즈마에서 전자와 양성자의 운동 에너지로 시간을 소비합니다.
코어가 뜨거워집니다. 태양의 물질 전체에 걸쳐 작동하면서 식는 데에는 4 만년 (또는 정확한 숫자가 무엇이든간에)이 걸립니다 .