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光的命运:当关闭手电后,光线将直达宇宙边缘,但它永远追不上

曾经我们都用手电朝着天空打过光,现在有了一种叫做指星笔的东西,它的指向性极强,可以清晰的看到极光在大气层中留下的绿色轨迹。但是当我们关闭电源后,这束光去哪了呢?会不会有一天照射到宇宙的尽头?

光到底是什么性质

光应该是人类对自然界现象的第一个认识,毕竟生下来睁开眼就感受到光,可能也有朋友会说是空气或者声音,大概也差不多,不过要说明下的是真正的呼吸是打屁股之后的啼哭,此时肺叶才会打开!

小孔成像是人类对光的第一个科学认识,因为发现了光的直线传播现象,而早期对于眼睛视物原理认识的不足,曾经以为是眼睛中流出的“光”到了物体,然后再返回,但其实刚好相反,只有物体反射的光进入到眼睛,被视网膜感光细胞感知,人才能感受到物体的形状,根据经验判断大小与距离等等!

牛顿的光与波粒二象性

牛顿是一位光学巨匠,他的三棱镜实验将光分解成七色光,这是不同波长的光在介质上折射率不一样而将其分解成七色,其实还有更多,比如紫外和红外,当时不知道而已!不过这么明显的光的波特性,当时牛顿还支持粒子说,而从牛顿时代开始,光的波粒大战延续了将近350年!无数科学家为之奋斗!耳熟能详的大佬就有:

  • 1801年,托马斯·杨的光的双缝干涉实验无可辩驳的证明了波动说

  • 1819年,菲涅尔以圆盘衍射和泊松亮斑再次证明了光的波动说

  • 1850年,傅科对于光速的测量,发现水中的光速低于真空中的速度,再次证明了波动说。

  • 1865年,麦克斯韦方程组发布,预言光是电磁波的一种。

  • 1905年,爱因斯坦发表光电理论,证明光是粒子,同年发布狭义相对论,证明光速不变!

此后二十几年里,量子论快速发展,光的波粒二象性以及电子的波粒二象性逐渐被接受,但可能很多朋友能接受光的波粒二象性,但电子是个波?就像当年科学界难以置信一样,仍然无法相信电子居然也是个波!

光是怎么产生的

光是从哪里来的?这确实是个问题,不过这个问题在波尔的半量子化原子模型出来后,事情差不多就解决了,尽管当年很多科学家已经摸到了黑体辐射的源头,但像波尔这样明确辐射来自电子的跃迁和跌落发出辐射的,还是头一遭!尽管波尔的半量子化原子模型并不准确,但已经解决了光子来自哪里的问题!

核外电子在低轨道上吸收能量后会跃迁到更高的轨道,但并不稳定,会重新跌落回低轨道,在这个过程中就会释放出一份能量,这就是光子的来历,前文麦克斯韦已经预言光是电磁波的一种,而光子释放的能量有高低,会从电磁波段一直到X射线!而伽马射线则是激发态的原子核释放出的伽马射线光子。

不同的辐射波段

在电磁波所有波段中,伽马射线的能量最大,破坏力也最强,穿透力杠杠滴,所以屏蔽它也比较困难,需要厚厚的混凝土才可以!

从指星笔中射出的光,能到宇宙尽头吗?

无论是手电筒或者是指星笔中射出的光,从理论上来看它都是能到达宇宙尽头的,但实际上却是不能,为什么会是这样呢?

光子会在宇宙中消失,它只会碰撞其它粒子后转换成能量,或者被引力场和宇宙膨胀改变频率,或者误入黑洞被吸收,但它不会无缘无故消失!因此从理论上来看指星笔射出的光束可以一直漫游到宇宙边缘,而且对于光子来说,时间是不存在的,即使到达宇宙尽头也,也和它刚出发那会没有区别,所以指星笔射出那束光后,它将继续在宇宙中遨游!

这也是人类可以用足够强大的望远镜去观测宇宙边缘的天体的原因,比如哈勃太空望远镜观测到的GN-Z11就是经过长时间的曝光才收集到足够的光子,从而显示大约在宇宙诞生大约4亿年时的星系!如果按宇宙膨胀计算距离,那么现在它大约已经在300多亿光年外!

为什么手电光永远都无法到宇宙尽头?

其实光是走得到的,如果那个边缘不往外跑的话!因为宇宙一直在膨胀,144亿光年外宇宙膨胀就超过了光速,可怕吗?我们看到的不过是宇宙录像机放给我们看的录像,真实的宇宙现在正在超光速狂奔一般的膨胀,人类不过就查看100多亿年前的“监控录像”而已,恐怖吗?有没有种脊背发凉的感觉?

所以即使是光都追不上宇宙的膨胀,人类永远都无法了解宇宙真正的边缘!

延伸阅读:黑洞成像的光

说起光或者电磁波来,无疑去年4月10日的黑洞照片是一次最好的科普!这是EHT望远镜的杰作,对黑洞成像的不是一般的望远镜,而是覆盖了西半球的几个大型射电望远镜阵列,请注意,是射电望远镜!

因为光学波段要对黑洞成像的话对口径要求太高,因此只能在射电波段对它成像,利用干涉阵列的模式,模拟成一台口径几乎和地球直径差不多大的望远镜,增加分辨率,但即使如此黑洞的真正大小也就是像素级别,我们看到的大大的黑洞,都是那个像素级别的修正而来的!

当然有一点我们必须清楚,那所谓的光,其实都是电磁波,简单的说只要让电磁波蓝移,就能将电磁波频谱平移到可见光波段,或者将可见光红移也能进入电磁波段,当然在处理黑洞电磁波变成可见光可不用如此这般,作为通道输入就可以了!

一部分存放数据的硬盘

麻烦的只是几年前收集的数据处理,据说用了几百个硬盘的阵列,还是运输硬盘的方式,因为实在是太大了!

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