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万物皆有寿命,光是否也有寿命呢?光会消失吗?
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2023.11.12 四川

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宇宙万物,多有不同,但有一点却是出奇的一致,那就是万物皆有寿命。

在宇宙之中,不仅生命体拥有极限,我们所熟悉的一切事物都无法达到永恒,即便是如太阳一般强大的恒星,它也有燃料耗尽的一日。那么有没有什么东西能够逃过这一规律呢?我们想到了光。不得不说,光是一种非常奇妙的东西,你可以将它看作是一种波,也可以认为它属于粒子,关键在于这两种看法并不矛盾,它们在量子力学的体系下实现了完美的统一,这就是我们所说的光具有波粒二象性。

光可以被看成是一种电磁波,由振荡的电场和磁场组成,并在真空中以光速传播。

不过波动理论并不能够解释光所有的特性,比如光的反射与折射现象就清晰地体现出了它的粒子特性。是啊,光是粒子,而且是基本粒子,也就是说光是实实在在的物质,不过它又与我们所熟悉的其它物质不同,它不具有静止质量。根据质能方程可知,有质量的物体在加速的过程中会产生一个等效于引力质量的惯性质量,随着速度的提升,惯性质量会不断增加,继续加速所需要的能量也就变得更大。

如果速度提升到光速,惯性质量就会趋于无穷大,所需的能量也将趋于无穷大,而宇宙间没有无穷大的能量,所以就不可能将有质量的物体推进到光速。

但如果一个物体不具有静止质量,那么情况就会截然不同,从它诞生伊始,它便会以光速、也只能以光速不停地运动,光子就是如此。狭义相对论效应告诉我们,运动速度不同的物体,本身的时间流逝速度也不同,一个比较形象的例子就是“双生子佯谬”。

一对双胞胎,哥哥乘坐十分之一光速飞船进行星际远航,当他回来时,弟弟已经垂垂老矣,而自己还是出发时的样子,这就是因为高速运动的飞船上的时间流逝速度很慢。

而光子不仅是移动速度快,而是达到了光速,所以对于光子而言,时间是完全静止的,也就是说在光子看来,自己诞生的同时就瞬间毁灭了。基于这一点来看,光子显然也是有寿命的,只不过对于宏观低速环境下的我们来说,光子的毁灭需要一段比较长的时间。那么光子会以什么样的形式消失呢?

首先,光子并不会自我毁灭,从它诞生的那一刻起,它便不停运动,直至永远。

所以即便是几十、数百光年以外的恒星,它的光芒也终归会来到我们的面前。那么为什么我们看不到宇宙中所有的恒星呢?两个原因,第一,宇宙空间本身在不断膨胀,这种膨胀是均衡的,如同一个正在被吹起的气球,所以与我们距离越远的点,它远离我们的速度就越快,在某一距离之外,空间膨胀的速度超越了光速,所以光子永远也无法跑到我们的面前来,但它并没有消失。

第二,由于空间的膨胀,光的波长会被拉长,这种现象就被称之为“天体红移”。

距离越远的光,波长就会被拉得更长,相应地,频率就会变得更低,而能量与频率成正比,所以能量也就越小,当能量小到一定程度时,我们便没有办法观测到它了,但光本身并没有消失。光的消失只有一种情况,那就是被其它物质所吸收。从狭义的角度来看,光被其它物质吸收了之后,的确是消失了,但从广义的角度来看,光的消失只是一种形态的转化,物质吸收了光子会将其转化为某种能量,而这些能量未来也有可能重新转化为光子被发射出来,这一切都遵循质能守恒。

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