本文參加百家號 #科學了不起# 天文航天系列徵文賽。
網友：我是一名六年級的科學老師。目前我正在教授天文/太空探索單元。在課堂上，一個學生問了一個這樣的問題：如果你在太空中建立了一個有無盡光線的反光鏡，光是否可以貫穿整個宇宙被反射並以初始傳播同等程度的光能回到地球上？
回答：一組老師認為「可以」。光可以被持續地反射，並且以與初始傳播的相同的能量水平被反射。這個過程之所以能夠完成，是因為反射器會精確地反射出與初始射入光線光強等級一致的光線。這種捕獲及反射原始光能的過程有可能會在外層空間穿越數百萬光年的距離永遠持續下去。
另一組老師認為「不可以」。由於光線在傳播時產生的膨脹圓錐體形狀，導致沒有反射器能「捕捉」所有的光線。因此，經過大量的反射和潛在的熵過程，最終傳輸的總的光能強度將減小。最後，雖然反射的光線得以穿越數百萬光年，但是光線會消失在外層空間。
這是個好問題！兩組老師都給出了很好的觀點。然而有幾件事情需要考慮：
1.雖然我們把日常用到的鏡子看作是「完美的」反射器，但其實並不是：每一次反射就有一些光線被吸收，因而導致光的損失。光透過玻璃這樣的透明材料也是如此：在這種情況下，射向玻璃的光線有一些實際上是被反射了而不是透射(我們都看到過玻璃窗戶上微弱的反光， 這正是這種影響的證明)。由於利用普通鏡子進行的每一次反射都會損失一些光線，因此我們不能將光「反射」到宇宙的邊緣。
但誰說我們必須用現實生活中的鏡子？假設我們可以使用「完美」的鏡子，這種鏡子能反射射向它們的所有光。 同時，假設我們可以無限精確地將這些鏡子放置在宇宙中的任何地方、宇宙中的其他物體（或者這些物體發出的光）不會汙染我們的實驗並且我們可以在每個階段無限精確地測量我們發出光線中每個光子的能量。 現在，我們能像第一組老師們所想的那樣無限地反射它嗎？
2. 第二組老師提出了一個很好的關於光進行運動時波前膨脹的觀點：我們距離發光的光源越遠時，我們就需要建造越大的表面來進行反射。事實證明，即便是像雷射那樣的高度準直的光束也是一樣的：他們在太空中傳播的時候也會發生「擴散」。因此，如果光在傳播時發生擴散，你就需要不斷地建造一個更大的理想化的鏡子，那麼你就不能無限地傳播光，因為最終你必須建造出一個無限地鏡子（這樣的鏡子哪怕在理想化的世界中，我們仍然會認為是不可能的）。
但是如果我們利用理想的弧形鏡子而非平面鏡呢？我們可以使鏡子彎曲，讓他們具有足夠的凹度來抵消光線從一面鏡子向另一面鏡子傳播時發生的擴散。由於我們會經常「聚焦」光線來避免使用大鏡子，因此鏡子的尺寸永遠都可以是有限的。所以我們也許可以無限地反射一個信號並且保留它所有的能量。
3. 事實證明，在這個實驗中，宇宙本身也必須被考慮在內，因為它正在膨脹！宇宙的膨脹導致宇宙中傳播的光發生紅移（即光的波長隨著宇宙中的時空而膨脹，從而導致光的能量減少）。所以即使我們使光在宇宙中傳播的時候能從理想弧面鏡上彈開，我們也無法避免紅移的影響。這就意味著，雖然我們能夠保留我們所發射的光子的數量，我們無法保留他們的能量，能量使永遠在減少的。
綜上考慮所有因素，我認為對於您學生提出的這個問題的合理答案如下：如果利用理想鏡子並且至少彎曲其中的一部分鏡子來抵消光束在傳播時的擴散，你就能夠無限制的反射每一個你發出的光子，那麼當然就可以將光反射至宇宙邊緣再返回。然而，每一個光子都會因為宇宙的膨脹而損失能量，因此你永遠不能保留相同量的能量，能保留的僅僅是光子的數量。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3. Shilin-Christopher Springob- astro
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