手電筒的光能飛到宇宙盡頭嗎

如果我們打開手電筒向夜空照一秒再關掉,我們將會看到,在關掉手電筒的一瞬間,手電筒發出的光束也會消失,那么,它發出的光哪去了呢?下面我們就來聊一下這個話題。實際上,我們看到的光束,其實是手電筒發出的光子遇到空氣中的微粒(如塵埃、煙霧、微小水滴等等)所發生的散射現象,而在手電筒關掉之后,由于沒有光子繼續進入我們的眼睛,所以在我們看來,手電筒發出的光束就消失了。也就是說,在手電筒關掉之后,其之前發出的大部分光子仍然在沿著原有的路徑繼續傳播,由于地球大氣層中的主要氣體(氮氣和氧氣)對可見光是透明的,而手電筒發出的光線主要集中在可見光波段,因此在較為理想的情況下(晴朗少云,空氣中雜質少、透明度高),一部分光子就有可能直接穿過地球的大氣層,進入到茫茫的宇宙空間。我們知道,光子是具備波粒二象性的,也就是說,它們既具備“波動性”,也具備“粒子性”。

從“波動性”這方面來講,光子其實就是量子化的電磁波,根據麥克斯韋電磁場方程組,變化的電場會在空間中激發出磁場,變化的磁場又會在空間中激發出電場,如此反復地交替變換,就形成了電磁波。由于這種交替變換是不會消耗能量的,而電磁場也可以存在于真空,并且其建立速度為光速,因此光子就可以一直在宇宙空間中以光速傳播,不需要額外的動力。

從“粒子性”這方面來講,光子其實是一種靜止質量為零的基本粒子,根據狹義相對論,靜止質量為零的粒子只能以光速運動,在此基礎上,再加上光子的半衰期是無限長的,因此光子就可以一直在宇宙空間中以光速傳播,不需要額外的動力。由此可見,無論是從“波動性”還是“粒子性”來分析,我們都可以得出這樣一個結論,即:對于手電筒發出的那些已經進入宇宙空間的光子而言,只要沒有受到阻礙,它們就可以一直在宇宙空間以光速傳播下去。需要知道的是,宇宙的空曠程度遠超我們的想象,根據科學家的估算,從整體上來講,宇宙中物質的平均密度大概相當于每立方米存在著6個質子,而這也就意味著,當光子在宇宙空間中傳播時,其遇到障礙的概率其實是非常非常低的。

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科學家早已發現,宇宙是處于一種持續膨脹的狀態,這種現象就會使那些遙遠的天體都會具備一個遠離我們而去的速度。這種速度被稱為“退行速度”,從理論上來講,一個天體與我們的距離越遠,其“退行速度”就越快,這可以用一個簡單的公式“v = Hr”來進行描述,其中的r代表天體與我們的距離,H代表一個常數。這個常數被稱為“哈勃常數”,它描述的是宇宙的膨脹速率,在過去的日子里,科學家已經估算出“哈勃常數”的數值約為67.80(±0.77)公里/秒/百萬秒差距,這里的“百萬秒差距”是一個距離單位,換算下來大約是326萬光年。需要知道的是,“退行速度”的本質其實就是天體在空間擴張的帶動下遠離我們的速度,而不是天體在空間中的運動速度,因此“退行速度”并不會受到狹義相對論的限制,而這也就意味著,當距離超過一個臨界距離時,天體的“退行速度”就可以超過光速,根據上述公式我們可以計算出,這個臨界距離大約為144億光年。正如前文所言,光子是以光速傳播的,顯而易見的是,光速是無法追上超光速的,而這也就意味著,即使手電筒發出的一部分光子能夠在宇宙空間中無休無止地傳播,它們也永遠“追”不上144億光年之外的天體,在這種情況下,它們就永遠無法飛到宇宙的盡頭,畢竟僅僅是可觀測宇宙,其半徑就有大約460億光年。

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