日复一日,我们沐浴在太阳的光芒之下,这已成为日常的常规,让我们误以为太阳的光辉是自然而然的,鲜少有人质疑太阳光何以能长久地“熠熠生辉”。
太阳之于我们的重要性,驱动着科学家们对其进行无休止的探究。长久以来,科学家们普遍认为太阳通过化学反应产生能量,如同燃烧一般照亮地球。
然而,根据各种计算,若太阳仅靠化学反应燃烧,那么它不可能“持续燃烧”数十亿年,恐怕数千年便会燃烧殆尽。
直至上个世纪,随着科学的飞速发展,科学家们终于揭晓了太阳能够持续发光数十亿年的秘密:核聚变。
太阳借由核能发光发热,为地球铺洒光明。
简言之,在太阳的中心,温度和压力极高,在这样的高温高压之下,四个氢原子核发生巨变,合并为一个氦4原子核。在这个过程中,约有7%的质量消失,根据爱因斯坦的质能方程,这部分消失的质量转化成了能量。
然而,太阳的核聚变仅发生在其核心区域,而太阳的半径约70万公里,这意味着,核心发生的核聚变所产生的光(能量)需要穿越厚达70万公里的太阳内部才能抵达太阳表面,继而穿越1.5亿公里的太阳与地球之间的空隙,最终洒落在地球的表面。
或许有人会说:对于光来说,穿越70万公里不就是轻而易举吗?光速约为每秒30万公里,仅需两秒多钟即可穿越太阳的半径。
然而,真实的过程远非如此简单。太阳核心产生的光要抵达太阳表面,需经历无数次的散射和碰撞,历经重重困难才能抵达,这个过程可能长达数十万年之久。
这是为何呢?
太阳的内部既不是固态、液态,也不是气态,而是等离子态,仿佛一锅“稀饭”,粒子四处散射。核心产生的光子无法避开那些无序运动的粒子。在光子向太阳表面行进的过程中,会经历无数次的吸收与释放的循环。
具体而言,这一过程类似于电子的不断跃迁。最初,光子被一个电子吸收,使电子从基态跃迁到激发态。但电子更倾向于返回基态,因为基态相对更稳定,于是电子释放出光子,返回基态,这一切几乎在瞬间完成。
随后,这一过程在下一个电子上重现,如此反复……
历经重重困难,光子终于抵达太阳的表面,获得“解放”,并在8分钟(确切地说是8分多钟)后抵达地球。
而仅从太阳核心抵达太阳表面,就需耗时数万年!
然而,这一切都是从人类的时间视角来描述的。倘若光子有意识,它抵达地球需要多久呢?
答案是:无需时间,或者说是一瞬间。
根据爱因斯坦的狭义相对论,光子在以光速运动时,时间是静止的。如果在光子上放置一个时钟,我们会发现光子的时间是完全静止的。通过下面的碰撞实验可以直观地看出这一点。
图中所见,是所谓的“光子钟”实验。由于光速恒定,静止与运动中的光子钟所经历的时间有显著差异。运动中的光子钟会走过更长的路径,因此时间会显得更为缓慢,若达到光速,时间将完全静止。
简单地说,一旦光子达到光速,时间的概念便不存在了,不论是太阳与地球间的1.5亿公里,还是其他任何遥远的距离,在光子眼中都是瞬息即达。对于人类来说,遥远的距离在光子看来近在咫尺,或者说距离为零。
由此,我们不得不面对一个残酷的现实:倘若光子拥有生命,其寿命便是一瞬间,可以视作“无寿命”,因为对光子而言,时间的概念并不存在,从诞生到消亡,一切在瞬间完成。
但对于人类来说,这一切的感知自然会截然不同。所以,不要试图用我们的固有思维去揣度光子的行为。
顺带一提,光子一出生便以光速前行,而具有静质量的物体却无法达到光速。但人类有可能以亚光速飞行。假设你乘坐一艘能瞬间加速至亚光速的飞船,离开地球,前往4.3光年之外的比邻星。在这一刹那,你会发现比邻星与你的距离不再是4.3光年,它会缩短,可能仅有1光年,甚至更短,具体取决于飞船离光速有多近。
这就是爱因斯坦相对论中的“尺缩效应”,当然,它也是时间膨胀(钟慢效应)的另一个表现。