太阳的故事——光子大逃亡（上）

来源：现代物理知识杂志

在前面的故事中，我们介绍了发生在太阳核心区里的太阳能量产生机制。这一机制不仅在理论上可行，而且经过对太阳中微子的细心探测，以及对太阳中微子问题的艰辛求解，在观测上也得到了很漂亮的确立。从某种意义上讲，隐藏在太阳最深处的那个最远离经验的“恐怖核心”，反而可以说是成为了整个太阳结构中被我们了解得最可靠的部分。如果说迄今为止我们的太阳故事所展现的大都是太阳研究中的坚实大地——那些被观测或实验牢牢确立了的事实或理论——的话，那么从现在开始，我们将会更多地去欣赏太阳研究中的绚烂天空——那些尚在云端里的谜团。我们将会看到，那样的谜团简直是层出不穷，而且在绝大多数谜团面前，我们再也没有像解决太阳能量产生机制或太阳中微子问题那样的好运气了，因为那些谜团中的绝大多数直到今天依然是未解之谜。

当然，这本身未尝就不是一种好运气，尤其是对于正在从事或有志于从事太阳研究的人来说更是如此，因为生在一个有许多未解之谜可以探索的时代里，要远比生活在一个只能在“小数点后第六位数字”上做文章的时代幸运得多。

好了，现在继续我们的太阳故事。

读者们想必还记得，在我们的注意力被喧宾夺主的中微子吸引走之前，我们是在谈论与阳光有关的话题，比如太阳的光谱、太阳的光度、太阳为什么会发光等。现在我们要把注意力转回到阳光上来——毕竟，那是太阳之所以成为太阳的最重要特征，也是它对我们最至关重要的东西。我们已经知道，阳光的巨大能量来源于发生在太阳核心区的核聚变反应。那个核心区有多大呢？细致的研究表明，它从中心算起，向外延伸到大约1/4个太阳半径，即17万千米处。从体积上讲，这一区域在整个太阳中所占比例不到2%，但由于密度超高，占太阳质量的比例却达到一半左右。在这一区域的边缘，太阳物质的密度从最中心的160克/厘米3左右降到了约20克/厘米3（略高于黄金的密度），温度则降到了800万℃左右。那样的环境虽然仍很恐怖，对于氢核聚变成氦核的核聚变反应来说却已低得有些勉强了，在那以外，核聚变反应就基本绝迹了。

但这个边缘对于太阳能量的主要载体——诞生于恐怖核心的无数光子来说，却是一段新的征程——一条逃亡之路——的开始，它们将用十几万年的漫长时间，穿越厚达几十万千米的太阳物质，把巨大的能量带出去，让“红星”照耀四方。

与中微子的“挥一挥衣袖，不带走一片云彩”相比，光子的逃亡之路可就艰辛多了。原因很简单，因为光子会参与电磁相互作用——即与带电粒子发生相互作用。而更糟糕的是，在太阳的恶劣环境下，物质粒子间存在着极为猛烈的相互碰撞，其结果是“鸡飞蛋打” ——几乎每个原子都会被碰掉一些电子。那些被碰掉的电子当然全都是带电粒子，而那些丢了电子的原子——其中大多数已经变成了一丝不挂的原子核——也都是带电粒子。因此太阳物质几乎是清一色由带电粒子组成的，是所谓的等离子体。光子穿越这种到处都是带电粒子的物质时，就像女人穿越到处都是化妆品专柜的购物城，将会无可避免地受到巨大干扰。

但不管怎么干扰，光子终究是要逃出去的，否则我们就看不到太阳了。我们首先要问的是：在带电粒子的重重包围之下，那些光子究竟是以何种方式完成胜利大逃亡的庄严任务的？

解决这个问题的思路并不深奥，甚至在中学物理中就已经有了，因为所谓的光子大逃亡，归根到底是一个能量传输问题，即把太阳核心所产生的能量传输出去。而能量的传输有三种众所周知的方式：传导、对流和辐射。从微观上讲，这三种传输方式的差别在于：传导主要是通过物质粒子间的相互碰撞来传输能量，但那些物质粒子本身却并不参与大范围的运动，我们做饭时热量通过锅底传到锅内所用的就是这种传输方式；对流主要是通过物质粒子本身的大范围运动来传输能量；我们做饭时，沸腾的水就是用这种方式在传输能量；而辐射则主要是通过光子本身来传输能量，我们围坐在一个火炉旁所感受到的“温暖”就是用这种方式传输过来的能量。

在这三种能量传输方式中，传导在气态物质中通常起不到主要作用（请读者想一想这是为什么？），像太阳那样的巨型“气球”也不例外，因此这一选项可以被排除掉。这样一来，我们就只剩下了两个选项：对流和辐射。一道选择题只有两个选项，这运气看来很不错，因为就算瞎蒙也该有一半的可能性答对。

但有关太阳的这道选择题却是一个例外。

对于这道选择题，早年的天文学家们曾经作出过自己的选择，那就是对流，理由是我们所熟悉的唯一一种大范围气态物质——地球大气——就是用这种方式来传输能量的。

可惜那是一个错误选择。

这一选择在1906年遭到了德国物理学家史瓦西的反对。史瓦西认为对于像太阳内部那样与地球大气截然不同的物理环境，很可能存在一种具有太阳特色的能量传输方式，而不能简单地套用地球大气的经验。作为对这一观点的论述，他提出了一种判断太阳内部是否会出现对流的巧妙方法，那就是从理论上分析一小团太阳物质的运动，看它能否演变成对流。

具体地说，史瓦西从理论上考察了一小团由于偶然原因而变得比周围环境稍热的太阳物质。由于热胀冷缩的缘故，那一小团物质的体积会稍稍膨胀，密度则会稍稍降低，由此产生的后果是在周围物质的浮力作用下上升。但在上升的过程中，由于周围太阳物质的压强在变小（因为太阳物质的压强是越往上就越小——请读者想一想这是为什么？），它会发生进一步的膨胀，这种膨胀会使它的温度降低。另一方面，随着这一小团物质的上升，它周围环境的温度也在降低，因为太阳内部物质的平均温度也是越往上（即越远离核心区）就越低。既然那一小团物质与它周围环境的温度都在降低，显然就出现了哪个温度降低得更快的问题。如果是周围环境的温度降低得更快，那么该小团物质将会在上升过程中维持比周围环境更热的特点，从而持续上升，那样就会产生对流。反之则它的上升势头会因温度降低得比周围环境更快而终止，并在重力的作用下转为下降，那样就不会产生对流。

这样，史瓦西就提出了一个分析太阳内部能否产生对流的判据，即通过比较太阳内部物质的平均温度变化与一小团特定物质在上升过程中的温度变化，来判断能否产生对流。这一判据被称为史瓦西判据。利用这一判据，史瓦西推翻了前人的选择，代之以自己的选择，那就是辐射。

可惜那也是一个错误选择。

读者可能会纳闷：一道只有两个选项的选择题，怎么会两个选项都错误呢？原因很简单：因为两个选项都不完全，都只在一定区域内才适用，无论把哪个选项当作完整答案都是错误的。那么，怎样才能得到完整答案呢？只有一个办法，那就是计算。既然史瓦西给出了分析太阳内部能否产生对流的判据，那我们就可以——而且必须——通过计算来作出判断。这种计算所依据的就是我们在前几节中已经多次提到过的标准太阳模型。那个模型是建立在一系列很基本的物理原理——比如能量的守恒、压强的平衡等——的基础之上的，虽然算不上精细，但以粗线条而论具有很大的可靠性。史瓦西本人虽然由于他那个时代的知识所限而没能得到正确结论，但我们这些“站在巨人肩上”的幸运儿却毫无疑问可以做得比他更好一些。

那么利用标准太阳模型所做的计算给出了怎样的答案呢？那答案就是：太阳内部的能量传输方式既不是单纯的对流也不是单纯的辐射，而是在不同区域内有不同的主导方式。具体地说，在从太阳核心区的边缘（即太阳半径的四分之一处）到太阳半径的70%处（即距离太阳中心约49万千米处）的厚度约32万千米的物质层内，史瓦西判据得不到满足，能量的传输以辐射为主。这一层因此而被称为辐射区（图1），它占太阳总体积和总质量的比例分别约为32%和48%。在辐射区的外部边缘，太阳物质的温度降到了“只有”200万℃，密度则降到了0.2克/厘米3（相当于水的密度的五分之一）。在那以外直到太阳表面的厚度约20万千米的物质层内，史瓦西判据得到满足，能量的传输方式转为以对流为主，这一层因此而被称为对流区，它约占太阳总体积的66%，但由于物质密度很低，在太阳总质量中却只占了2%左右（仍相当于6600个地球的质量）。（未完待续）

图1  太阳的内部结构