小時候,拿着手電筒在夜色中揮舞,應該是許多人都曾有過的舉動,那隨着手臂擺動的手電筒光柱彷彿是星球大戰中的“光劍”,一揮一刺煞是好看。
長大後,夜色中揮舞的手臂已經在記憶中變得模糊,唯有那耀眼的手電筒光柱仍在心中留有深刻的印象,而這也帶來了一些讓許多人感到疑惑的問題:手電筒發出的光去了哪裏?是燈一滅就瞬間消失了,還是像一列飛馳的火車駛入了宇宙深處呢?如果駛入了宇宙深處,那它們能到達宇宙盡頭嗎?
可能很多人不知道,眼睛之所以能夠看到手電筒亮,要麼是因為燈泡發出的光子進入了人的眼睛,要麼就是燈泡發出的光子被大氣中的塵埃散射,形成了肉眼可見的“光柱”(灰塵越多的環境下光柱越明顯)。
而當手電筒關閉,燈泡不在發出光子,人眼也就自然看不到光亮。但嚴格來説,從手電筒關閉到人眼看不到光亮這一過程的時間並不是0,而是“手電的燈泡—塵埃—眼睛”總的光程除以光速。
由於光速極快,通常消失的時間小於100納秒,如此短暫的時間肉眼根本無法察覺,所以才會給人一種光瞬間就消失了的錯覺。
既然手電筒關閉後,光並不是瞬間就消失了,那麼那些指向宇宙的光,會如同一列火車朝宇宙深處前進嗎?答案是:會,也不會。
在理想狀態也就是絕對真空中,因為沒有任何物質阻擋光的傳播,光能夠一直飛行下去。當然了,如果時空是彎曲的,那麼光也是能夠在其中走彎路的。
而一直飛就需要考慮一個非常關鍵的問題——光束會發散。哪怕發散的角度極小,在漫長的距離下,飛行的光也會變成一個極為巨大的光斑。
當距離足夠遠之後,光斑會越來越大直至暗淡到相當於消失。值得一提的是,“消失”的含義並不是完全不存在,而是在於隨機取某個瞬間,這個巨大光斑上的輻射功率密度已經無法保證有一定的光子通過。
就像一個商場,當任選一天對其人流量進行統計時,人流量已經無法達到最低維持限度,我們就能夠説這個商場已經沒人了。
可能有人會問,光線的發散角能夠為“0”嗎?也就是説一點也不發散,絕對筆直的向前飛。答案是:不可能。
不要説手電筒這種單靠一面拋物面鏡匯聚的雜亂光束,就是目前方向性極佳的激光,都無法保持永遠的匯聚,而這主要是因為高斯光束存在共聚焦長度極限,一旦超出這個極限,原本約束的光線會退化成一個圓錐,重新出現發散角。
以上是理想狀態下的情況,即宇宙是絕對真空的。而現實世界中宇宙充斥着各種各樣的物質,在其中飛行的光必然會與這些物質發生作用。
我們都知道,光遇到反光的物質會被反射,遇到透明的物體會直接穿透過去,而在這個過程中光始終會有能量被吸收。
經過反覆的透射或反射,光和物質會發生作用(輻射轉移),光線就會變得黯淡直至“消失”(波長更長的不可見光)。
所以説,只要光源足夠的亮、發散角度足夠的小,這束光就能夠在宇宙中飛行很長一段距離,就算突然將光源熄滅,之前發出去的光也並不會直接消失。
當年阿波羅計劃中就是在月球表面放置了鏡子,然後通過激光反射來測量地球和月球之間的精確距離。在測試中,一束脈衝激光打出去過了2.5秒左右才收到了回應。
可以想象一下,如果將束激光直接射入茫茫宇宙,那麼它肯定能夠在宇宙中前進很遠的距離,直到黯淡的再也沒有辦法觀察。
需要注意的是,即便一束光在宇宙中不和任何物質發生作用,也不會受到任何的阻礙和遮擋,它仍然也沒有辦法到達宇宙盡頭。
為什麼呢?因為光的傳播速度是有上限的,而宇宙不僅極為浩瀚,其膨脹的速度也已經遠遠超過了光速。
與常規理解中的“膨脹”不同,宇宙膨脹其實並沒有所謂的“中心點”或“起始點”,因為空間每一處都在膨脹。
從觀察者的角度來看,自身不動,因為空間在不斷膨脹,周圍的物體都在快速的遠離自己,並且遠離的速度越來越快。整個過程就像膨脹的氣球,每個點都在相互遠離。
根據最新的觀測數據,每當天體距離地球326萬光年,其退行速度就要增加67.8公里每秒。按照這個數據計算,在地球143億光年之外,那裏的空間膨脹速度已經超越了光速。而這也就意味着,如果那裏還有天體存在的話,它們發出的光線永遠也到不了地球。