太陽中心から光が外へ出るまでの時間について

質問

私は高校一年なのですが、昨日地学の授業で、太陽中心で発生した光が太陽の外に出るまでに100万年かかると教えられました。
先生の説明では太陽の中に物質がぎゅうぎゅうに詰まっていてなかなか出られない、ということでした。

しかし、相対性理論では光の速度が常に一定であるといっています。
太陽の半径は7万kmだから光は2秒ちょっとで外へ出てくるはずです。
それでも100万年かかるというのなら時間が遅れているとでも言うしかなくなってしまいます。
よって矛盾していると思うのですが、どういうことなんでしょう。
私も相対性理論をちゃんと勉強したわけではないので誤解しているのかもしれませんけど。

回答No.5

Naoki_M · ベストアンサー

SF小説で得た知識ですが、確かに百万年くらいかかるそうです。ちなみに、参考にしたのは野尻抱介著「ベクフットの虜」です。数百万年のオーダーだそうです。あと、太陽内部の様子はスティーヴン・バクスター著「虚空のリング」に詳しく載っていました。

2秒云々というのは、まっすぐに進む場合の話ですよね。ジグザグな経路を進むとしたら、もっとたくさん時間がかかります。空気中や水中などでは光は直進できますが、高密度の物質中では、光はまっすぐに進むことができません。太陽の中には物質がぎゅうぎゅうに詰まっているので、光は何度も何度も曲がって、回り道をしながら、ずっと長い道のりを進まなければいけません。その結果、百万年もの時間がかかることになります。

太陽の重力による時間の遅れについては、一般相対論に詳しくないのでよくわかりませんが、少なくとも、太陽程度の質量で数秒が百万年になることはないはずです。

誤解されているようですが、相対性理論では光の速度が常に一定であるとはいっていません。確かに光速度不変の原理というのがありますが、これは真空中の光の速さが不変という意味です。「真空中の」というのが重要です。物質の中を進むときは、光の速さは遅くなります。太陽の中にも物質があるので、真空中の光速よりも遅くなります。私には正確な速さまではわかりません。空気中だと真空中とあまり変わらないのですが、水中だと真空中の75%くらいの速さになります。これは光の屈折に関係があり、物理の波動の分野で詳しく学ぶと思います。

もうひとつ、細かいことですが、「速度が一定」ではなく「速さが一定」ですね。「速度が一定」だと、同じ向きに進むことになってしまいます。「速度」と「速さ」は使い分ける必要があって、向きを考えないときは「速さ」、向きを考えるときは「速度」を使います。

先生のいったことをそのまま鵜呑みにするのではなく、疑問に思ったことを聞くのはよいと思いました。高校の理科ではいろいろなことを学びますが、ことばの定義や、法則が成り立つときの条件などに気をつけるとよいと思います。

回答No.6

First_Noel

＞先生の説明では太陽の中に物質がぎゅうぎゅうに
＞詰まっていてなかなか出られない

これは正しいです．「光学的厚さ」がキーワードです．

物質は光を吸収します．
吸収の仕方にはいろいろあります，
・光を吸収してエネルギー準位の高い状態に励起する「光励起」
・電磁波を吸収して運動エネルギーを獲得する「逆制動輻射」
などなど．

で，吸収された光は，「ある時間」後，また放出されます．
放出過程として，上記に対応させれば，
・自然放射，又は，誘導放射
・粒子が加速度運動（磁場で曲げられる，他粒子と衝突する等）をして光を放出する「制動輻射」
などなど．

「ある時間」と言うのは，とてもとても短い時間で，何マイクロ秒とかのオーダーです．
地球大気のような「光学的に薄い」環境だと，
まず光を吸収する機会も少ないです，しかし太陽の中のように，
高密度，高温，しかも電離状態ですと光はすぐ吸収され，
ある時間後放出され，でもほんの少し進んでまた吸収されて・・・を繰り返し，
その結果，１回だけならマイクロ秒の現象も，非常に多数回起こるので，
太陽の中から外へ光が出るのに１００万年かかることになります．

お礼

みなさん回答ありがとうございます。
「真空中で」というのが大事なんですね。
みなさんのおかげで理解できました。
ありがとうございます。
早く物理を習いたい！

回答No.4

ymmasayan

中心部から出た光がそのまま表面に出るのではなくて、
分子間で光エネルギーのやり取りをしながら外に出てくるそうです。
参考ＵＲＬの
(３.1)太陽の内部構造
（a）太陽内部のエネルギー輸送
をご覧下さい。
ここには１００万年と確かに書いてありますが
文献によっては１０００万年と言うのもあります。

参考URL：

http://www8.ocn.ne.jp/~yohsuke/sun_honbun.htm

回答No.3

rey-aw

光の速度が常に一定なのは、
真空中で重力も存在しない理想の状態です。

例えば、
臨界量に到達した物質は、（ちゅーせいしとか）は、
原子に邪魔されて外へ出れず、中を走り回って連鎖反応を起こしますが、

軽ければみんな外へ出てゆくので
ちょー安全です。＾０＾；

太陽が核融合してるから
一緒にするのは危険です。
内部で発生した粒子は１００万年たったら、消滅、融合、吸収するのが普通でしょう。

いーだけ物質にぶち当たっても粒子エネルギーを保存するのは
「すーぱー理論」です。

＞太陽の半径は7万kmだから光は2秒ちょっとで外へ出てくるはずです。

なるなる。＾＾
地球を突き抜けて太陽光が発生出来るのでしすね。
あうあう。＾＾

回答No.2

noname#136764

さえぎるものが無い真空中ならば距離/光速で伝播しますが、光は物質によって吸収されたり散乱されたりしますから、いつでもどこでも直進できるわけではありません。

太陽の中は高密度なので、平均自由行程は極端に短くなると思います。

あと、光速が一定なのは真空中での話であって、例えば水の中では光速は遅くなります。

参考URL：

http://www.starclick.ne.jp/backnumber/2000Spr/qanda/qanda.html

回答No.1

noname#17844

先ず、質問の後半部分における「太陽の半径は７万km・・・」だから、「２秒で・・・」に関しては、高速は３万Ｋｍと勘違いしてませんか？。３０万KMですから、１秒以内で脱出出来ますね。
前半部分ですが、以前は光を構成している光子は「質量＝０」と考えられていたようです。しかし、近年、光子も質量を持つと考えられるようになりました。そうすると、万有引力の考えから、巨大な物体から離れるにはそれ相応のエネルギーを必要とします。月ロケットなんかまさにそれですよね。
恐らく先生は、そのために光子の速度が極端に低下し、多くの時間を必要とすると言ったのではないでしょうか。
１００万年と言う数字が正しいかどうかは分かりません。

お礼

回答ありがとうございます。
太陽の半径は７０万kmでした。
だからやっぱり２秒ちょっとです。間違えましてすいません。

＞光子の速度が極端に低下
低下することってあるんですか？
光の速度は変わらないのでは・・・
でも質量があれば確かに遅くなる気がしますね。