本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
拿手電照天空這件事相信大家都幹過，手電啪一打開，一條直溜溜的光柱就直衝雲霄，在特別黑暗的夜晚還能看到天上被光打亮的雲朵。
這時我們心裡就會想：光還跑的真是快！要是一直拿著手電筒照，這些光會跑向哪裡？地球以外假如有人的話，他們會不會被我的手電晃到眼？如果我把手電關閉，剛才發射的光子能飛到宇宙邊緣嗎？
現在除了手電筒照天空以外，城市的夜景中還有隨處看見的大功率探照燈，甚至是將光子在發射腔中壓縮以後射出去的雷射，這些比手電筒的光度更大，問題是這些光能飛到哪裡？
想要解決這個問題，我們先要了解光是什麼？
人類對光本質的理解其實一直貫穿著整個科學史和人類是萬物的認知過程，在古希臘時期人們雖然已經知道了光的反射和折射定律，也運用光來為生活提供便利。
但是我們對光的認識在幾千年來都一直停留在表面上，根本無法窺探其本質。直到17世紀，牛頓力學的提出徹底推翻了數千年來的神學根基，建立了一個完善而嚴密的科學研究體系。
也徹底的將自然科學和宗教神學分離，至此人類對光本質的研究才緩慢的起步。牛頓在建立力學體系的同時，也對光的本質做了研究，首次通過三稜鏡將太陽光分為不同的顏色，並且提出了解釋光本質的微粒說。
牛頓認為光是有不同顏色的微粒組成的，當光經過三稜鏡時，不同微粒組成的光具有不同的折射率才會分解出不同的顏色。
和牛頓同一時代的惠更斯不這樣認為，他更傾向於光的波動說，認為光是一種依靠以太傳播的機械波，光的波動說可以完美的解釋光的衍射現象。
例如，你將手放在陽光下，如果光是像牛頓說的微粒，那麼你的手會形成明暗分明的樣子，但是真實的情況是手的影子邊緣是模糊的，因此惠更斯認為這是波的一種衍射現象。
雖然他兩說的都不對，但是這也是人們對光本質理解的一次巨大飛躍，到19世紀初，託馬斯·楊利用雙縫幹涉實驗，證明了光在經過兩個狹縫的時候會發生類似於水波的幹涉條紋。
實驗結果有力的證明了光是一種波，在光的問題上惠更斯至少比牛頓更正確一些。但是到了19世紀末，海因裡希·赫茲發現了物理學中神奇的一個現象：光電效應。
當特定頻率的光打在某些金屬上，會導致金屬表面的電子吸收能量以後溢出，從而形成電流，但是這個過程跟光的強度和照射的時間長度無關，只跟光的頻率有關，這用光的波動性無法解釋而且相互矛盾。
而解釋這個問題的正是愛因斯坦，他將量子假說應用在光電效應上，並且提出了光量子，至此光的波粒二象性本質就出現在了人們的視野中
不過需要注意的是，愛因斯坦所說的光量子是指一份能量，也就是光子，和牛頓所說的實物微粒有本質的區別。
對光本質的理解，以及量子理論的提出，為人類打開了為圍觀世界的大門，為後來量子力學的發展奠定了基礎。
現在我們知道光子是一個規範玻色子，在低能量狀態下光子和光子不能相互碰撞，可以同時處在一個量子態和空間位置，也就是說大量的光子可以無限的壓縮到一個很小的體積內，這就是我們後來製造雷射的原理。
可見光是電磁波頻譜中一個非常窄的波段，光子是傳遞電磁相互作用力的媒介，特定波長的光會被某些原子中的電子吸收，導致電子獲得動能，躍遷到更高的能量狀態。
當這個電子從高能量狀態落回基態時，也會發射出同樣波長的光子。光的發射和吸收是不連續的，而是由一份一份的光量子組成的。
而光電效應正是電子吸收了特定能量的光子以後，其所擁有的動能足以擺脫原子核的束縛發生的逃逸現象。
光速問題，手電筒的光能傳播到哪裡？
人們在對光本質了解的同時，也對傳播的速度進行了研究，同樣的幾千年來人們也一直認為光速是無限的。不過到了17世紀伽利略認為光速是有限的，並且嘗試通過兩個相隔一千米的山和兩個燈籠來測量光速。
一千米這樣的距離在光面前不值一提，所以伽利略的實驗的失敗是註定的，他得出來的結論是，光速非常快。
真正通過實際觀測證明光速有限並測量出光速的是丹麥的天文學家奧勒·羅默，他通過觀察木星衛星木衛一的視運動，測量出的光速為214300KM/S。這個數字明顯偏小，但仍值得人們銘記。
在羅默之後，許多的科學家利用不同的方法對光速進行測量，得出了越來越準確的光速數值。
我們了解了光的本質和光的速度以後就可以知道，當我們打開手電的一瞬間，手電筒會向天空中發射大量的光子，這些光子以大約299792公裡/秒的速度向地球以外傳播。
如果光子不會消失，那麼它就可以在無限的時間內到達無限的距離，你的手電光可能會閃到宇宙中其他外星人的眼睛。
但是光子並不可以一直存在，因為在地球的大氣層中充斥著大量的空氣分子，而且天空中還有雲層，這些物質的原子都是吸收光子，導致我們從地球外看，都很難看到手電筒的光線從地球發射出來。
就算你的手電光度非常高，穿透了地球的大氣層達到了宇宙空間，但是宇宙空間也並非空無一物，其中也存在微塵，這些物質也會在光線的傳播途中使得光的能量發生衰減。在遙遠的地方這些光子也會被吸收殆盡。
假如你的手電光度極強，可以媲美宇宙中的大質量藍星的光度，那麼宇宙塵埃的吸收能力將不足以使得你所發出的光線在變弱，那麼這些光子會在無限長的時間內到達宇宙的邊緣嗎？
其實並不能！除了宇宙塵埃對光線的吸收外，我們的宇宙還在加速膨脹，目前在距離地球136光年以外的地方，那裡的空間膨脹速度已經超過了光速，所以光子的有限速度並不能追上比自己還膨脹還快的宇宙。
而且空間在膨脹的過程中，也會將光的波長拉長，使其能量降低，你發出的可見光可能會在一段時間內，被拉長到紅外波段。
所以，不管你用手電筒照射了多長時間，哪怕是一直在照射，手電筒所發出的光子基本上都會在有限的距離內被吸收殆盡。有幸逃脫的、沒有被吸收的光子，也會因為宇宙加速膨脹不能達到宇宙的邊緣。
最終這些光子會在漫長的旅途中從可見光譜中消失，進入紅外線波段、微波波段、甚至是無線電波段。