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在晴朗的夜晚,天上布滿繁星,如果我們拿著手電筒或者雷射照向天空,我們可以看到一束光柱飛向遠方。如果關掉手電筒,光柱隨之立刻看不見。那麼,手電筒發出的光去哪裡了?這些光是消失了,還是飛到宇宙中繼續傳播?
首先,我們能夠看到光柱,是因為空氣中的塵埃顆粒會讓光子發生散射。手電筒關閉之後,沒有光子繼續進入我們的眼睛中,所以光柱馬上會消失掉。手電筒發出的光除了有一部分被我們看到之外,還有很大一部分光子會一直以光速前進。
然而,即便天氣晴朗,地球上還是有很多看不見的空氣以及塵埃顆粒,那麼,手電光會不會完全被大氣層吸收掉呢?這些光子能否穿過大氣層呢?關於這個問題,可以來看一下太陽光。
太空中的太陽光可以穿透地球大氣層到達地表,為我們帶來光和熱。在穿過大氣層時,部分太陽光會被大氣吸收掉。在太空中,地球所在的位置,太陽輻射的強度為1368瓦/平方米。垂直到達地表之後,太陽輻射強度減弱為1000瓦/平方米,這意味著大約27%的太陽光被大氣吸收掉。
因此,手電筒發出的光不會完全消散在大氣中,其中一部分光子可以進入太空中。那麼,這些光子在宇宙中能夠傳播多遠?它們可以一直到達宇宙的盡頭嗎?
光既有粒子的性質,又有波的性質,它們是電磁波。變化的電場可以激發出磁場,而變化的磁場又能激發出電場,如此反覆交替,就形成了電磁波,也就是我們所說的光。
電磁場可以存在於真空中,不需要介質,所以光能夠在真空中傳播。不僅如此,交互變換的電磁場不會消耗能量,電磁場建立的速度為光速。因此,光子在太空中始終以光速向前傳播,在此期間不會消耗能量。光子產生的瞬間,其速度就能達到光速,它們的運動無需一個動力源。
就算光子被物體吸收,它們從某種意義上來說也不會消失。因為物體吸收光子之後,物體中的電子將會躍遷到更高能級,這種狀態並不穩定,電子又會躍遷回穩定的能級,同時輻射出新的光子。
除非光子遇上黑洞,它們將會完全消失在宇宙中。根據愛因斯坦的廣義相對論,黑洞是一種極度扭曲的時空,其質量都集中於中心的奇點。如果光子掉進黑洞中,即便它能以光速前進,也無法逃出黑洞的扭曲時空,這也是為什麼黑洞本身是完全看不見的。
但在浩瀚無比的宇宙中,空間是極其空曠的,大部分光子都不會遇到物體或者黑洞,這意味著它們可以一直在宇宙中傳播,並不會憑空消失掉。宇宙大爆炸38萬年後,產生了最早的光子,它們經過138億年的時間也沒有消失,如今還在整個宇宙中傳播。
也就是說,當年我們用手電筒朝天照射出去的光子還在宇宙中前進。這些光子用一年的時間就能離開太陽系,進入星際空間中。如果光子朝著垂直於銀道面的方向前進,它們用一千多年的時間就能離開銀河系,進入浩瀚的星系際空間中。
不過,手電筒的光子永遠也無法到達宇宙的盡頭。這並不是因為它們的能量不夠,而是因為宇宙空間正在超光速膨脹,而且膨脹速度還在加快,光子永遠也無法到達遙遠的宇宙。正因為如此,遙遠宇宙的光子也永遠無法來到地球上,那裡對於我們而言永遠不可見。