手电筒向夜空照射出光子,什么时候会到宇宙尽头

在晴朗的夜晚,天上布满繁星,如果我们拿着手电筒或者激光照向天空,我们可以看到一束光柱飞向远方。如果关掉手电筒,光柱随之立刻看不见。那么手电筒发出的光去哪里了?这些光是消失了,还是飞到宇宙中继续传播?

首先我们能够看到光柱,是因为空气中的尘埃颗粒会让光子发生散射。手电筒关闭之后,没有光子继续进入我们的眼睛中,所以光柱马上会消失掉。手电筒发出的光除了有一部分被我们看到之外,还有很大一部分光子会一直以光速前进。

但是即便天气晴朗,地球上还是有很多看不见的空气以及尘埃颗粒,那么手电光会不会完全被大气层吸收掉呢?这些光子能否穿过大气层呢?关于这个问题,可以来看一下太阳光。

太空中的太阳光可以穿透地球大气层到达地表,为我们带来光和热。在穿过大气层时,部分太阳光会被大气吸收掉。在太空中地球所在的位置,太阳辐射的强度为1368瓦/平方米。垂直到达地表之后,太阳辐射强度减弱为1000瓦/平方米,这意味着大约27%的太阳光被大气吸收掉。

因此手电筒发出的光不会完全消散在大气中,其中一部分光子可以进入太空中。那么这些光子在宇宙中能够传播多远?它们可以一直到达宇宙的尽头吗?

光既有粒子的性质,又有波的性质,它们是电磁波。变化的电场可以激发出磁场,而变化的磁场又能激发出电场,如此反复交替,就形成了电磁波,也就是我们所说的光。

电磁场可以存在于真空中,不需要介质,所以光能够在真空中传播。不仅如此交互变换的电磁场不会消耗能量,电磁场建立的速度为光速。因此光子在太空中始终以光速向前传播,在此期间不会消耗能量。光子产生的瞬间,其速度就能达到光速,它们的运动无需一个动力源。

就算光子被物体吸收,它们从某种意义上来说也不会消失。因为物体吸收光子之后,物体中的电子将会跃迁到更高能级,这种状态并不稳定,电子又会跃迁回稳定的能级,同时辐射出新的光子。

除非光子遇上黑洞,它们将会完全消失在宇宙中。根据爱因斯坦的广义相对论,黑洞是一种极度扭曲的时空,其质量都集中于中心的奇点。如果光子掉进黑洞中,即便它能以光速前进,也无法逃出黑洞的扭曲时空,这也是为什么黑洞本身是完全看不见的。

但在浩瀚无比的宇宙中,空间是极其空旷的,大部分光子都不会遇到物体或者黑洞,这意味着它们可以一直在宇宙中传播,并不会凭空消失掉。宇宙大爆炸38万年后,产生了最早的光子,它们经过138亿年的时间也没有消失,如今还在整个宇宙中传播。

也就是说当年我们用手电筒朝天照射出去的光子还在宇宙中前进。这些光子用一年的时间就能离开太阳系,进入星际空间中。如果光子朝着垂直于银道面的方向前进,它们用一千多年的时间就能离开银河系,进入浩瀚的星系际空间中。

不过手电筒的光子永远也无法到达宇宙的尽头。这并不是因为它们的能量不够,而是因为宇宙空间正在超光速膨胀,而且膨胀速度还在加快,光子永远也无法到达遥远的宇宙。正因为如此遥远宇宙的光子也永远无法来到地球上,那里对于我们而言永远不可见。

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