宇宙中的光子發射出來以後,又最終會去哪兒呢?

2020-12-06 徐曉亞然

宇宙中的光子既是一種能量的載體,也是一種基本的粒子。在粒子的標準模型中,光子同電子一樣都是不可再分的,且光子是一種傳遞傳遞電磁作用力的媒介粒子。那麼,宇宙中的光子的最終的結局又是什麼呢?

原子模型

大部分的光子的產生與消失是一種逆反的過程

我們知道原子核外分布著許多電子,這些電子是按一定的能級在原子核外。我們把距離原子核較近的電子軌道能級叫做E1,把距離原子核較遠的電子軌道能級叫做E2,原子在收到高能量的受激輻射後,高能級的電子向低能級的電子躍遷會伴隨著能量的釋放,這種向外釋放的能量就是光子。光子的能量為E1-E2。

而光子的消失大部分是被其他物質所吸收,像太陽這樣的恆星通過核聚變而通過光子向外發射能量,照射到宇宙塵埃及較大的星體時的光子被當作一份能量被吸收。從微觀尺度上來看,光子被吸收的過程是原子核的核外電子像高能級躍遷的過程。

電子能級躍遷

而被向黑洞這樣的天體捕獲的光子將完全被吸收,再也不會被通過電子的躍遷被發射出來。因此,黑洞不往外發射光,我們看到的真實黑洞是漆黑一片的。

在太空中,理論上所用的空間都是真空的,如果光子不被其他天體及宇宙塵埃等等吸收,那麼光子將永遠地留在太空中遨遊,永遠不會消失。

黑洞捕獲光子

這裡補充一點,核外電子並不是受到激發後才會向外釋放光子,通常情況下,高於絕對零度的物質都會發生電子躍遷,並且向外釋放光子。但是這種光頻率較低,波長較長,也就是說能量比較低,可能不會被我們眼中直接看見。

人類利用光子的無線傳播來測距

哈勃望遠鏡觀察遙遠星系

我們知道,光是一種電磁波,人類利用電磁波的反射來進行物體間的測距,小到實際生活中兩個城市之間的距離,大到天體星球之間的距離,比如地月之間的距離。

阿波羅11號使用的雷射角反射鏡測量地月

很早之前美國的阿波羅探月計劃中,美國人在月球的表面放置了一面比較大的鏡子,在地球上發射了一束脈衝雷射,大概等待了2.5秒接收到了返回的雷射信號。這算是人類利用光的無線傳播的最簡單有效的應用了。我們可以想像,如果讓一束雷射不打中月球上去,讓它往深邃無窮的宇宙打去,那麼它會離我們無限遠去,變得越來越暗淡,直到消失在我們的眼中。但是,真空中的光子會一直傳播下去,永遠不會消失。

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  • 宇宙微波背景會消失嗎?
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    光子紅移與事物飛散無關。事物仍會停留在原處,同時空間不斷擴大。如果光傳播了133.4億年,宇宙最開始時的半徑是200萬光年,而到了今天是440億光年,那麼光將被紅移約1100次。這不是因為都卜勒紅移,而是由於光線在不斷膨脹的空間中移動。由於光速「」對所有觀察者都是恆定的,因此唯一途徑是擴大光子的波長,也就是紅移。
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    伽馬射線是肉眼不可見的高能光子,但我們能夠看到太陽,這意味著伽馬射線的能量發生了衰減,一部分變成了可見光。光子離開太陽表面,它們會向宇宙中的所有方向發射出去。經過大約8.3分鐘的傳播,光子抵達地球,我們就能看到太陽。但事實上,我們所看到的太陽光不是產生自8.3分鐘之前,而是來自數萬乃至十幾萬年前。
  • 請問肉眼看到的太陽光是多久前發射出來的?
    請問肉眼看到的太陽光是多久發射出來的?★地球人類的肉眼所看到的太陽光,其實是17萬年前發出來的。作為太陽系中的老大哥,太陽的質量佔據了整個太陽氣質量的99.86%,其周圍有8顆行星圍繞著它不停的運轉,其中包括我們居住的地球在內,眾所周知太陽系中唯一會自行發光的天體就是恆星太陽。★在茫茫宇宙中,太陽只是一顆非常普通的恆星。在廣衰浩瀚的繁星世界裡,太陽的亮度、大小和物質密度都處於中等水平。只是因為它離地球較近,所以看上去是天空中最大最亮的天體。
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    當我們步入20世紀,我們發射了宇宙探測器,比如旅行者一號,我們在地面大規模鋪設了天文望遠鏡,我們發射了哈勃天空望遠鏡,但是依舊沒有接收到任何證明外星生命存在的確鑿證據。可以肯定的地,目前關於外星人的報導全是假的,目前我們只能斷定地球生命是宇宙中確定存在的生命群體。
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    發射前發射臺的現場照片。圖片來源:張雙南研究員伽瑪暴:宇宙中最劇烈的爆炸  圖片來源:Wikipedia 那麼,伽瑪暴是怎麼產生的呢?如此密集的能量從哪裡來,又是如何被轉化為輻射並發射出來的呢?目前並沒有確切的答案。雖然還不存在公認的模型來解釋這一現象,但大多數科學家都認為,它與宇宙中接近光速的相對論噴流現象有關,一些觀點認為這種噴流是在大質量恆星死亡的過程中產生的,也有人猜測是兩個緻密天體如中子星的合併產生的。
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