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手电筒向夜空照一秒再关掉,发出的光哪去了?它们真能飞到宇宙的尽头吗?
作者:Masir123 科学羊 | 2024/8/23 10:43:40 | 浏览:268 | 评论:0

手电筒向夜空照一秒再关掉,发出的光哪去了?它们真能飞到宇宙的尽头吗?

你是否曾好奇,小时候你站在漆黑院角,然后打开手电筒,光束穿透夜空的一瞬间,突然关闭手电筒后,那道明亮的光束去了哪里?


或者说这些瞬间消失的光束是不是有寿命,如果有的话,那有多长呢?


今天,我们就来探讨这个看似简单却充满科学奥秘的话题。


我们看到的光束,其实并不是光本身,而是光子在空气中遇到微粒(如尘埃、烟雾、微小水滴等)发生散射的结果。


当光束穿过这些微粒时,光子四处散射,部分光子进入我们的眼睛,于是我们就看到了手电筒发出的那道光。


然而,当我们关掉手电筒后,由于没有新的光子进入眼睛,光束自然就消失了。


这种消失并非光子不再存在,而是因为没有光子与空气中的微粒相互作用并进入我们的视线。


实际上,在手电筒关闭的一瞬间,之前发出的光子仍在沿着既定的方向继续传播,也就是说光子并没有凭空消失!


手电筒向夜空照一秒再关掉,发出的光哪去了?它们真能飞到宇宙的尽头吗?

光子从激光的相干光束中射出


光子,作为电磁辐射的基本单元,是我们宇宙中所有光和能量的载体。


有一位名叫安娜-玛丽亚·加兰特的科学爱好者曾提出了一个引人深思的问题:“光子能否永生?它们会不会像其他粒子一样衰变,或者转换成别的东西?那些来自遥远宇宙事件的光子去了哪里?光子的生命周期究竟是什么?”


早在20世记10年代,天文学家维斯托·斯利弗首次发现了一个令人震惊的现象:一些遥远的天体,其光谱特征发生了系统性的移动,向光谱的红色端偏移。


这种现象后来被解释为宇宙膨胀的证据——随着星系远离我们,它们的光线被拉伸,波长变长,表现为红移。


这一发现为我们理解光子的命运提供了一个新的视角。


宇宙的膨胀意味着,来自遥远星系的光子在抵达我们眼睛时,其波长已经被拉长,能量被削减。


这种现象引发了一个令人着迷的想法:如果光子不断地红移,它们的能量会不会最终归零,光子会不会因此消亡?


其实这个问题个复杂而深刻的问题,涉及到物理学的许多方面。根据目前的科学理解和标准物理模型,光子被认为是没有寿命的,即它们是稳定的粒子,不会自发衰变或消失。


我们继续回到刚才手电筒🔦的问题。


手电筒向夜空照一秒再关掉,发出的光哪去了?它们真能飞到宇宙的尽头吗?

光可能以特定的波长发射,但是宇宙的膨胀会使它在旅行时拉长。当考虑到一个星系的光线是从130多亿年前到达的时候,紫外线中发出的光线会一直转移到红外线中。宇宙膨胀的速度越快,来自遥远物体的光线就会发生更大的红移,并且会变得更加暗淡。(图片来源:Larry McNish/RASC Calgary)


地球大气层中的氮气和氧气对可见光是透明的,而手电筒发出的光线主要集中在可见光波段,其波长范围一般是落在「360 - 400 nm~760 - 830nm」。


因此,在一个晴朗、空气透明度高的夜晚,这些光子可以直接穿过大气层,进入到无垠的宇宙空间。

手电筒向夜空照一秒再关掉,发出的光哪去了?它们真能飞到宇宙的尽头吗?


那么,要理解光子的行为,我们首先需要了解它的双重身份——波粒二象性。


作为一种量子化的电磁波,光子具备波动性和粒子性两种性质。


从波动性的角度来看,光子实际上就是电磁波。


根据麦克斯韦电磁场方程组,变化的电场会激发出磁场,变化的磁场又会激发出电场,这种交替变化在真空中可以无损地传播,从而形成了电磁波。


而由于电磁场可以存在于真空中,并且其传播速度为光速,因此光子可以在宇宙中无限传播,无需任何额外动力。


这也解释了为什么光子可以从手电筒出发,一直在宇宙空间中以光速行进。


从粒子性的角度来看,光子是一种静止质量为零的基本粒子。


根据狭义相对论,静止质量为零的粒子只能以光速运动。而光子的半衰期是无限长的,这意味着它们可以在宇宙中无限地以光速传播,除非遇到障碍或被吸收。


因此,无论从波动性还是粒子性来看,只要手电筒发出的光子进入了宇宙空间,没有任何阻碍,它们就可以以光速永远传播下去。


这让我们不禁联想到,那些光子最终会飞向何方?它们会不会抵达宇宙的尽头?


我们需要认识到,宇宙的空旷程度远超我们的想象。科学家估算,宇宙中物质的平均密度大约相当于每立方米只有6个质子(注意是大尺度来看)。


这意味着,当光子在宇宙空间中传播时,遇到障碍的概率极低。再加上手电筒发出的光并非平行光束,而是发散的,随着距离增加,光子会越来越分散,因此有理由相信,这些光子中有一些会无休无止地在宇宙空间中传播。


然而,即便如此,它们也无法飞到宇宙的尽头。宇宙是否有尽头,这本身就是一个未解之谜。


一部分科学家认为宇宙是无边无际的,而另一部分则认为宇宙有某种尽头。如果宇宙是无边无际的,那么光子飞到尽头的说法就没有意义。


即使宇宙真的有尽头,这些光子也无法抵达那里。


另外,科学家发现,宇宙正处于持续膨胀的状态,远离我们的天体速度不断加快。


这种速度被称为“退行速度”,与距离成正比,也就是说,天体距离我们越远,它的退行速度就越快。


手电筒向夜空照一秒再关掉,发出的光哪去了?它们真能飞到宇宙的尽头吗?

当宇宙膨胀时,物质(包括正常物质和暗物质)和辐射变得不那么密集,这是由于宇宙体积的增加,暗能量,以及膨胀时的场能量,是空间本身固有的一种能量形式。随着新的空间在膨胀的宇宙中被创造出来,暗能量密度保持不变。(图片来源:E. Siegel/Beyond the Galaxy)


根据哈勃定律,这种速度在一定距离后可以超过光速。


当距离超过约144亿光年时,天体的退行速度就会超过光速,而光速是无法追上超光速的。


这意味着,手电筒发出的光子即便能在宇宙中无限传播,也永远无法赶上这些超光速远去的天体,因而无法飞到宇宙的尽头。


结语:光的永恒之旅


在宇宙这个庞大的舞台上,一束手电筒发出的光线只是短暂一瞬的存在,但它所携带的光子却可能展开一段永恒的旅程。


这些光子将继续在宇宙中传播,越过遥远的星系和星尘,尽管它们无法到达所谓的宇宙尽头,但它们将永远在宇宙的无垠空间中行进,成为宇宙演化的见证者。


这也让我们意识到,宇宙的广袤和神秘远远超出我们的想象,而那一束微弱的光在宇宙中虽然渺小,却承载着无尽的物理奥秘,激发我们去探索更多未知的领域。


光的旅程,实际上就是我们对宇宙无尽探索的象征。

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