照向天空的手电光能不能到达宇宙尽头?

照向天空的手电光能不能到达宇宙尽头?的头图

在夜晚拿着手电筒照射天空,随着手臂的飞舞,有点星球大战中光剑的感觉。手电筒发出的光照向天空,即使手电筒关闭了,这些光也会将会继续传播。那这些光的最终命运如何呢?

从手电光说起

托马斯·爱迪生发明了实用型电灯,伏特发明了最早的原始电池,而康拉德·休伯特发明了最早的手电。

手电筒发出的光是由电能转变而来的,本质上就是化学能转变为电磁能,光就是一种电磁能量。光是电磁波(电磁波是交互变换的电磁场),手电筒能够发出红外光和可见光,而人眼只能看见手电筒发出的可见光。光具有波粒二象性,既可以看作光子,又可以看作光波。

手电筒灯泡发出的光经过抛物面形状的反光罩的反射,近似于平行光,不过随着传播距离的增加,仍然会逐渐发散。

关闭手电筒后,光柱虽然消失了,但光并没有消失,还在继续传播

当我们用手电筒在夜间进行照明时,会形成光柱,这是空气对手电光产生的漫反射。当关闭手电筒后,基本上就两眼一抹黑了,光柱也消失了。但是手电筒之前发出的光并没有消失,还在继续传播。仅在关闭手电筒的1秒钟之内,这些光就被反反复复地反射了上亿次,在一瞬间就被物质吸收没了。

为什么说是上亿次呢?因为光在真空中一秒钟之内就能传播30万千米,而光在空气中的传播速度与真空中的传播速度相差无几。

以一个房间为例,房间中最长的尺度也就10来米,房间中的灯关闭后,这些光基本上还在屋内反复传播,千万分之一秒的时间内就完成了数次反射,在人眼还没有反应过来的时候,残余手电光的强度就已经弱的不能被人眼所察觉。

关闭手电筒后,这些光还在继续传播,只是大部分光的传播过程的持续时间连一秒钟都不到。关闭手电后手电光在大气中形成的光柱,一瞬间就消失不见了,就是因为那时进入人眼中的手电光太弱了。

经过一段时间后,手电筒发出的绝大部分光将会被周围的物质吸收

我们知道,光遇到反光的物质会被反射,遇到透明的物质能够透射过去,不过在这个过程中,光始终会被物质吸收。经过反复的反射或透射,光子与物质发生作用,一束光中的光线或者光子将被大量吸收,成为物质能量的一部分。

手电筒照射天空,必然会穿过空气或云层,在这个过程中,光的强度就会减弱很多。手电筒的照明距离一般只有几百米,就是因为光在介质中传播时会发生衰减。光在穿越空气的过程中会被吸收,被照明物体反射手电光时也会吸收一部分手电光。

最终只有极少部分手电光能在宇宙中永远传播,但是却到达不了宇宙尽头

即使我们在外太空向宇宙深处射向一束手电光,这些光大概率也会被吸收或阻挡。因为宇宙并不像看上去那么空空荡荡,除了各类肉眼可见的大型天体,宇宙空间中还弥漫着大量的尘埃、分子云团等物质。虽然很稀薄,但是仍然存在吸收或阻碍作用。

光在真空中传播时不需要额外力量来维持,会始终保持着光速运动,即使有少部分光没有被物质吸收,没有落入黑洞,也只能在宇宙中永远传播下去。直到宇宙终结,可能也到不了宇宙尽头。

为什么呢?因为光的传播速度是有限的,而宇宙空间不仅很大,其膨胀速度还能够超过光速。

目前宇宙的年龄大约为137亿年,而可观测宇宙的直径大约为930亿光年,宇宙的实际大小比这还大。早在上世纪,天文学家哈勃就发现我们的宇宙正在膨胀。几十年后,新的观测手段让我们发现:宇宙不仅在膨胀,而且在暗能量的作用下,它正在加速膨胀。

宇宙没有膨胀中心,空间处处都在膨胀。站在观察者的角度来看,自身不动,由于空间在膨胀,周围其它的物体都在远离自己,并且距离越远退行速度越快。这类似于膨胀的气球,气球表面任意个点都在相互远离。根据普朗克卫星的最新观测,星系每远离地球大约326万光年,其退行速度就要增加67.8千米每秒。

估算一下,大约在距离地球143亿光年之外的地方,宇宙空间的膨胀速度就超过了光速。太阳诞生于45亿多年前,考虑到宇宙的膨胀,太阳光至少在宇宙中传播了45亿光年远,不过太阳光也永远传播不到宇宙尽头。这意味着,那些极其遥远的恒星发出的光,人类永远也看不到了。

穿透大气进入太空的手电光,传播至太阳系之外,就需要一年多的时间。虽然光手电光传播不到宇宙尽头,但由于空间的膨胀,随着时间的增长,光的波长会被拉长,最终光的能量将会弥散在宇宙空间中,不过光并没有消失。

举个例子,宇宙诞生于大爆炸,直到大爆炸38万年之后,光才在宇宙中开始自由的传播,随着空间的膨胀,如今这些光的波长被拉长,已经变成了微波,这就是宇宙大爆炸的电磁残留信息——微波背景辐射。你看,138亿年前的光还残留至今。

好了,这就是一束手电光的去向和运命。

感谢阅读,喜爱自然科学的朋友,请关注我。

评论

此博客中的热门博文

艾滋病可以通过蚊子传染吗?