太陽光是幾分鐘前離開太陽的？
― 到地球只要8分鐘，但從太陽內部跑出來卻要花上好幾萬年
太陽光離開表面後，約8分20秒就會到達地球。這點大家都很熟悉。然而，這道光背後的能量，從太陽中心誕生到抵達表面，據信要花上好幾萬年。比起在宇宙中飛行1億5000萬公里的旅程，太陽內部那70萬公里的路，才是真正漫長的旅程。
在晴朗的秋日，坐在窗邊曬太陽，手臂會漸漸暖起來。
這道光大約是8分鐘前離開太陽的。「我們看到的是8分鐘前的太陽」，這句話很多人都聽過。
那麼，這道光究竟是在太陽的哪裡、什麼時候誕生的呢？一路追溯回去，會回到人類開始從事農業之前的時代。
旅程分成兩段，長度天差地別
從太陽表面到地球之間幾乎什麼都沒有。光每秒前進30萬公里，走完1億5000萬公里只需約8分20秒。
太陽內部的氣體非常濃密，光每前進一點點就會撞到東西，被彈向隨機的方向。因此前進的速度變得非常慢。
速度本身兩段都一樣，都是光速。差別只在於走的路是直線還是鋸齒狀，光是這一點，花費的時間就能相差數十億倍。
太陽裡面，光在做什麼？
太陽的能量來自中心附近氫變成氦的「核融合」反應。剛誕生的能量，是一種肉眼看不見、極強的光（伽瑪射線）。
然而太陽內部的氣體被壓縮得密度極高。據估計，光每前進約1毫米左右就會撞上氣體粒子。每次碰撞，光都會先被吸收再重新發射出去，方向也隨機改變。
請看圖1。左邊的大圓代表太陽，從中心延伸出的細密鋸齒線，就是光行進路線的示意圖。它一邊前進一邊後退，一點一點地往外滲出。這種動作很像喝醉的人搖搖晃晃、慢慢走遠的樣子，所以也被稱為「醉步」。
為什麼鋸齒狀前進會這麼慢？
朝隨機方向前進時，就算好不容易往前走了一步，下一步常常又退回去。結果走了100步，平均離出發點卻只有10步左右的距離。走1萬步，大概只前進1000步；走100萬步，大概也只前進1000步。咦，應該說走100萬步，大概只前進1000步的距離（即√N）。
也就是說，想走得更遠，所需的步數會以距離的「平方」增加。把太陽的半徑換算成1毫米一步，等於7000億步。而需要的步數是它的平方，數字大得驚人。
請試試圖2的拉桿，改變光一次能直線前進的距離。這個距離依太陽內部深度不同而有很大差異，確切數值目前仍未確定。不過無論選哪個數值，都能看出與外部旅程的8分鐘根本無法相比。
核融合反應發生時，除了光之外，也會同時產生一種叫微中子的微小粒子。這種粒子幾乎不會和氣體碰撞，所以約2秒就能穿出太陽，再過8分多鐘就能到達地球。位於岐防縣地下的觀測裝置「超級神岡探測器」，就是靠捕捉這種粒子，來調查「8分鐘前太陽中心」的狀況。
光在途中會不斷被吸收、再重新發射，每一次都會逐漸變成較溫和的光。中心誕生時的強烈伽瑪射線，到抵達表面時，已經變成了可見光或紅外線。與其想成「同一顆粒子」在旅行，不如理解成能量被一路接力傳遞下去，這樣才正確。
總結
太陽光從表面到地球，只需短短8分多鐘。然而，這份能量從太陽中心滲出到表面，據信要花上好幾萬年。因為它是在濃密的氣體中，一邊碰撞一邊改變方向，走著醉步般的旅程。此刻正溫暖著你手臂的陽光，其實是冰河時期左右誕生於太陽深處的能量。
比起宇宙中的1億5000萬公里，太陽內部的70萬公里反而更遙遠。
無法直線前進的路，會以距離的平方拉長時間。
關於人類如何最早測出光速如此之快，請見「光速是怎麼被第一次測出來的？」；關於太陽為何能持續發光數十億年，請見「星星為什麼能持續發光數十億年？」。
- 在方格紙中央畫一個點作為出發點。準備兩枚10元硬幣。
- 擲出兩枚硬幣，正正朝上就往上走一格，反反朝上就往下走一格，正反就往右走一格，反正就往左走一格，並畫出路線。
- 重複這個動作100次，最後測量離出發點有多少格。找幾個人一起做再取平均，結果應該會接近10格左右。
走了100步，卻只前進了10步的距離。這正是太陽裡的光遲遲跑不出來的縮影。即使走400步，離開的距離也只會變成2倍，大約20格而已。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的對應從國中理科到大學專業科目，我們會明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「物理」「地球科學」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄中提及的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（天體物理學・統計物理學）的內容
- 研究中連大學都還不當作「定論」教授、是研究者目前正在探討的話題
國中用語：這個現象有專有名稱
- 光速：在空無一物的空間中，每秒約前進30萬公里。從太陽到地球的約1億5000萬公里，約要花500秒走完。
- 隨機漫步（醉步）：每一步方向都隨機改變的前進方式。走N步後離出發點的平均距離，大約是√N步的距離。
- 輻射層：包圍太陽中心的一層，能量以光的形式緩慢向外搬運的部分。在它外側的對流層，則是靠氣體的上升翻滾來搬運能量。
國中高中用公式驗證：光從太陽內部跑出來要花幾年？
設一步的長度為ℓ、太陽半徑為R，估算光以醉步方式走到離出發點R遠所需的時間。並與對照組——從表面到地球的直線旅程所需時間——做比較。
| 用符號表示 | t ≒ R² ÷ ( ℓ × c ) ＝ ( R ÷ c ) × ( R ÷ ℓ ) （比較：直線前進則 t ＝ d ÷ c） |
| 用文字表示 | 所需時間 ＝「光直線走完半徑所需的時間」×「半徑等於幾步的長度」 |
| 公式從何而來 | 在隨機漫步中，走N步後會離開√N × ℓ的距離。要離開R遠所需的步數是 N ＝ ( R ÷ ℓ )²。實際走的路程是 N × ℓ ＝ R² ÷ ℓ，再除以光速c，就是所需時間 |
| 符號 | 意義與單位 |
| t | 所需時間（秒） |
| R | 太陽半徑（約70萬km） |
| ℓ | 光一次能直線前進的距離（此處假設為1 mm） |
| c | 光速（約30萬km/秒） |
| d | 太陽到地球的距離（約1億5000萬km） |
| 太陽半徑 R | 約700000 km |
| 光速 c | 約300000 km/秒 |
| 一步的距離 ℓ（估計值） | 1 mm（據說依深度不同有很大差異） |
| 太陽到地球 d | 約150000000 km |
| 1年 | 約31500000 秒 |
| 外部旅程：到地球的時間（秒） | 150000000 ÷ 300000 ＝ 500 |
| 換算成分鐘 | 500 ÷ 60 ≒ 8.3 |
| 光直線走完半徑所需時間（秒） | 700000 ÷ 300000 ≒ 2.33 |
| 把半徑換算成mm（＝相當於幾步） | 700000 × 1000000 ＝ 700000000000 |
| 內部旅程：跑到表面所需時間（秒） | 2.33 × 700000000000 ＝ 1631000000000 |
| 換算成年 | 1631000000000 ÷ 31500000 ≒ 51778 |
| 與外部旅程的比值 | 1631000000000 ÷ 500 ＝ 3262000000 |
若一步設為1 mm，光跑到太陽表面大約要花5.2萬年，是到地球8分多鐘的約33億倍。順帶一提，光直線走完半徑的約2.3秒，正好和微中子穿出太陽的時間差不多。
高中高中＋為什麼一步會這麼短
高中太陽中心溫度約1500萬℃，密度據說是水的100倍以上。原子的電子被剝離，形成由零散的電子與原子核組成的「電漿」。光會不斷與這些電子、原子核相互作用，所以無法直線前進。
高中＋光前進的難易度，用「不透明度」這個量來表示。越靠近中心，氣體越濃密，一步就越短。另一方面，在外側的對流層，能量不是靠光，而是靠氣體的翻滾上升來搬運，據說這段只需數個月就能通過。旅程的大部分時間，都花在內側的輻射層。
大學輻射擴散與光子擴散時間
在大學的天體物理學中，這個過程被視為「輻射擴散」，能量的流動用擴散方程式來描述。一步的長度稱為「平均自由路徑」，由不透明度（羅斯蘭平均不透明度）與密度決定。把太陽標準模型中各深度的數值逐層累加後得到的「光子擴散時間」，依研究不同，從1萬年到十幾萬年都有。米塔拉斯與希爾斯在1992年的估算中，給出約17萬年的數值。
📖 公式推導與更進一步的內容：隨機漫步（維基百科，日文版） ／ 輻射層（維基百科，日文版）
研究中目前尚未完全明白的事
- 真正的「旅程時間」是多少？ 不透明度的計算，需要考慮高溫高密度下原子的行為，據說很難用實驗驗證。數值的落差，主要就是來自這裡。
- 太陽內部的組成。 從表面觀測推算出的元素含量，與從太陽振盪（日震學）推估出的內部結構，兩者已知無法完全吻合。重新檢視不透明度，被視為解決這個問題的候選方案之一。
- 中心的「現在」與表面的「現在」之間的時間差。 透過微中子觀測，我們能以8分鐘的延遲掌握中心核融合的情況，但要將其與表面亮度細緻地連結起來，相關研究仍在持續進行。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。「數萬年」這個數字，請當作數量級的大致參考。
與教科書的對應（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文的哪一段 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科「太陽系與恆星」、速度計算 | 到地球約8分多鐘的計算 |
| 高中 | 地球科學「太陽的結構與能量」 | 核融合、輻射層與對流層 |
| 高中＋ | 數學「機率」（進階） | 走N步離開√N步距離的醉步 |
| 大學 | 天體物理學・統計物理學 | 輻射擴散、平均自由路徑、光子擴散時間 |
| 研究中 | 恆星內部物理、微中子天文學 | 不透明度的不確定性、太陽組成問題 |
| ― | 與生活的連結 | 曬太陽時感受到的溫暖，其「年齡」 |
- Mitalas, R. & Sills, K. R. (1992) On the photon diffusion time scale for the sun. The Astrophysical Journal.
- 東京大學宇宙線研究所 神岡宇宙粒子研究設施（超級神岡探測器）（東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設）
- 光速（維基百科，日文版）
- 微中子（維基百科，日文版）
- 日本國立天文台 編『理科年表』丸善出版（太陽半徑・距離等數值）（国立天文台編『理科年表』丸善出版）
※本文為大眾科普解說。文中數值為幫助理解原理的大致估算值。太陽內部光跑到表面所需的時間，會因計算前提不同而有很大差異，即使研究者之間也存在不小的分歧。請避免直視太陽，以免傷害眼睛。