我們知道,夜空中的星星離我們地球非常遙遠,有的甚至有幾百萬光年。這就意味著,光從恆星發出之後到達我們地球已經經過了幾百萬年的時間了。我們的太陽也是一樣,它是靠核聚變產生能量而發出耀眼的光芒。目前,科學家根據對太陽光譜和質量的測算,知道太陽的壽命大概在100億年左右,目前已經經過了45.7億年。也就是說,太陽形成初期發出的光已經在宇宙傳播了45.7億光年。那麼問題來了,太陽光能不能傳播到宇宙的邊緣?
光的傳播
我們知道地球和太陽的距離大約為1.5億公裡,光從太陽表面傳播到地球上只需要8分鐘。但是,光子從太陽內部到表面所需的時間卻需要上萬年。因為太陽內部的光子會被重新吸收和發射,它的運動就類似於布朗運動,科學家利用概率學算出它漫步到表面需要上萬年的時間。不過,有人指出,這種方法的錯誤之處在於把光當成彈跳的粒子,而光只是一種電磁波,只是一種能量。
在17世紀中期,人們對於光是粒子還是波進行了相當激烈的討論。牛頓認為,光是粒子,光的反射定律就是一個很好的粒子。當光粒子撞擊到物體表面時,它就會像粒子一樣反彈回來,而且入射角和反射角是相同的。但是惠更斯提出了完整的波動理論,並用它來證明光的反射和折射定律。
許多支持光波動說的人認為光能像波一樣產生幹涉圖樣。但是因為光的波長是非常小的,因此實驗所需的縫隙也需要非常小,這在當時是做不到的。因此,光的粒子說在當時普遍為人們所接受。
但是,18世紀末期,英國醫學兼物理學家託馬斯楊做了一個實驗,顛覆了物理學界的認知。我們知道手術刀是非常鋒利的,使用手術刀能刻出微小的縫,而身為醫生的他有手術刀,因此他設計了一個巧妙的實驗實現了光的幹涉。由此,光的波動說開始為人們所接受。之後,麥克斯韋提出了他著名的方程,從理論上統一了電磁和光。後來赫茲通過實驗證明了麥克斯韋的想法。此時,光的波動說壓倒了光的粒子說。
此時,光的波動說和粒子說進入了一個不可調和的狀態。1905年,愛因斯坦把這兩種說法進行合併,提出了光的波粒二象性,他認為光是粒子也是波,在不同的條件下顯現出不同的特性。不過當時許多物理學家反對這一說法,特別是密立根做了很多光電效應的實驗,試圖反駁愛因斯坦。不過恰恰相反,他的實驗證明了光電效應,愛因斯坦因此獲得了諾貝爾獎。
因此如果太陽發出的光沒有遇到障礙物,那麼光子就能一直傳播下去。不過,能不能到達宇宙的邊緣,還有一個重要的因素,那就是宇宙的膨脹。
光能到達宇宙邊緣嗎
在哈勃之前,人們認為宇宙就只有銀河系那麼大。之後天文學家觀察到了一些與銀河系相似的螺旋星系,於是人們對宇宙的大小開始產生了懷疑。1920年4月26日,天文學界舉辦了一場世紀大辯論,探討了宇宙的大小。在那之後,我們對宇宙的觀念就此改變。
在世紀大辯論的兩年之後,哈勃通過測量仙女座星系的距離,確定了宇宙比銀河系更大。當時,造父變星的亮度變化周期已經為人們所熟悉,哈勃通過標準蠟燭法測量了仙女座星系中造父變星的距離,從而確定了這個距離大於銀河系的直徑。此外,哈勃還發現,星系發出的光都產生了紅移,也就是說它們在離我們遠去,且距離我們越遠的星系離去的速度越快。通過大量的測量,他總結出了哈勃定律,從而也證明了宇宙在膨脹。
如果我們讓時光倒流,我們會發現宇宙慢慢縮小,直到縮成一個奇點。這個點就是宇宙的開端,它在某一時刻發生大爆炸,然後宇宙就膨脹成現在的模樣。理解宇宙膨脹的最好例子就是氣球。出於某種原因,這顆氣球上有兩隻螞蟻,由於氣球的膨脹,它們會相互遠離。但是,如果它們都不看對方,它們是感受不到氣球的膨脹的。假如其中一隻螞蟻想去找另一隻螞蟻玩,但是氣球膨脹的速度比螞蟻最快的速度還要快時,那麼它們兩個永遠不會相見。與螞蟻的情況類似,宇宙在誕生早期也經歷過暴漲階段,導致它膨脹的速度超過光速。
因此,太陽發出的光無法到達宇宙的邊緣,因為在某個地方,宇宙的膨脹速度已經超過光速了。