林心小筑

如果晚上打开手电筒,它发出的光束能飞到宇宙边缘吗?

引言:光速是宇宙极限速度,为3*10^8/s。那么,手电筒发出的光能否瞬间冲出地球,去到深空中?科学家给出大家意料之中的答案,但你知道这究竟是为何吗?

著名科学家爱因斯坦曾言,光速是宇宙事物的极限速度,宇宙内所有具有静态质量的事物的运动速度都无法等于或超越光速,只能无限接近于光速。此外,爱因斯坦还总结出了有趣的“钟慢效应”,该效应表明,事物运动速度越快,其周围时间流逝的速度便越慢,当事物运动无限接近于光速时,它所经历的时间可看作是静止的。

根据爱因斯坦所表述的思想及提出的理论,科学家还分析并计算了时间缩短倍数。当运动速度达80%光速时,时间缩短倍数约为1.66倍;当事物运动速度达90%光速时,时间缩短倍数为2.29;而当事物运动速度无限接近光速,即为99.9999%光速时,事物所经历的时间的缩短倍数高达707。所以,不论从数学还是从物理的角度来看,事物运动速度的确会影响事物所经历的时间。

每当谈起光速,人们除了感叹光速的迅捷之外,还常会思考,宇宙内是否存在比光速更快的速度。事实上,宇宙中存在比光速更快的速度,只是速度发出者不是普通事物,而是宇宙本身或超光粒子或其他十分独特的事物。据科学家测算,宇宙自诞生之日起至今,一直处在高速膨胀状态,在距地球约140亿光年以外的区域,宇宙正以超过光速数倍的速度快速膨胀。除了宇宙,超光速粒子的运动亦远远超过光速,在主要由超光速粒子组成的快子世界中,光速宛如龟速。

除思考宇宙中是否还存在比光速更快的速度外,部分脑洞较大的读者或还曾思考过另一个有趣问题,打开手电筒,光束会瞬间跳跃出来,而光束中又包含无数光子,那么,朝着宇宙天空的方向打开手电筒,光速能否穿出地球,抵达宇宙深处?

在分析这个问题之前,我们先看另一个类似的问题:我们为什么能感受到阳光。首先,阳光由太阳发出,我们感受到阳光的前提是太阳发光发热。可是,地球与太阳相距约1.5亿光年,光束真的能传播那么远的距离吗?在传输的过程中,光子不会损耗不会减少吗?

实际上,在奔向地球途中,光子一路不停被损耗,太空低温环境、太空尘埃、星体碎片等都会阻碍与削弱光束。要知道,太阳表面温度高达6000摄氏度,而我们所感受到的阳光的温度不超过40摄氏度。从温度上,我们可以大致可以了解,一路奔波,光束被削弱了许多。

接着回头看最初的问题,若朝着天空方向打开手电筒,光束能穿出地球,去抵太空吗?答案是几乎不可能。手电筒发出的光束中虽然也含一定光子,但光子数量较少,光子所含能量也很弱,这从温度上可以感知到。在光束前进与传递的过程中,光子与其蕴含的能量会不断被损耗,当被损耗至一定程度时,光束便会消失。因此,由于手电筒发出的光较微弱,它难以去到宇宙深处。

那么,人类是否已发明了能穿出地球,去抵宇宙深空的发光设备呢?科学家提到了大功率的激光设备。据测试,人类目前研发的功率极大、性能较优的激光设备能成功将光斑映到月球表面,只是,留在月球表面的不再是一个聚合光点,而是一个分散的大光圈,这是因为在传输途中,激光所含粒子被削减不少,激光所含能量也减弱不少。说到这,你是否已明白手电筒发出的光为何无法去到深空?

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