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一束光線的命運!當關閉手電筒光源後,光線會消失,還是繼續傳播

2024-08-06科學

小時候我們都聽過「鑿壁偷光」的故事,神奇的光線透過縫隙照進另一個屋子,讓黑暗中的人也感受到了光明。

有些朋友可能想過,如果把手電筒的光源關掉,它發出來的光會消失還是繼續傳播呢?今天就帶大家來看看一束光的命運。

在這之前,咱們先來瞅瞅,啥是光。

【光的定義】

光嘛,大家肯定都熟悉,白天黑夜都有它,我們做各種事情都少不了它。

可是,你真的懂光嗎?你清楚它的本質是啥嗎?

事實上,光的本質與微觀世界的粒子相同,都屬於粒子的一種,只是光的粒子比較特殊,被叫做光子。

光子同時具備波動性和粒子性。

簡單來說,就是不能用一個固定的理論知識去衡量它,因為它就像微觀的量子世界一樣,具有不確定性。

光其實是光子的結合體,也是能觀測到的電磁波。

光子和光電磁波的關系就如同水分子和海洋的關系,需要大量光子聚集在一起才能形成光。

愛因史坦說過,光其實是有重量的,我們可以根據他的質能方程式式,計算出光的動態品質。

根據這個原理,光子的動態品質約為 9.34754310^-36 千克。

光之所以有品質,是因為它帶有能量,而只要物質有能量,就得服從愛因史坦的質能方程式式。

比如說,太陽光散射出的光線,就帶有可怕的熱能。

太陽能板能把太陽光中的熱能轉化成電能,是我們生活中常用的一種高效、清潔的能源。

因此,要弄清光線的肉眼可見範圍,需了解光源的能量強弱。

一般來說,光源的能量越大,人眼能看到的光傳播得就越遠。

【光傳播的距離】

要知道,這裏說的是我們能用眼睛看到的光,當能量不夠時,光子會變成其他物質,再加上人類用眼睛能看到的距離很有限,所以光看起來傳播的範圍好像有一定的限度。

理論上,在理想情況下,光可以傳播無限遠。

也就是說,要是我們用手電筒往太空照一束光,只要沒東西擋著,它就能一直往前跑。

為啥有些老式手電筒照遠處物體時模糊不清,而一些大功率手電筒卻能照得很亮呢?

這主要是因為光源發出的光子數量較多,這些光子散射出的光也更強烈,即便在傳播過程中損失了一些光子(遵循能量守恒定律),其仍然很亮。

老式手電筒散射的光子少,等光子傳到遠處,幾乎都損失掉了,所以看起來就模糊不清,感覺光像消失了一樣。

這就是實際情況,光散射出去後,會有光子損失,讓光的傳播受到阻礙。

地球的大氣層就像一個天然的保護罩,它能減弱那些從地球散射出去的光線,防止被不懷好意的外星人發現。

所以啊,實際上,要是你從地球上射一束光,它就會在大氣層裏減弱。

就算有極少的光子能逃出大氣層,想穿過太陽系的幾大行星、銀河系的千億恒星以及數不清的行星,也是幾乎沒可能的。

這段時間裏,光子會沿著直線傳播,最終落在某個未知的星球上,結束它短暫的生命。

這就是光的宿命,真的很有意思。

那肯定有不少人好奇,光既然能一直傳下去,為啥我們把手電筒一關,光就沒了?

光的傳播速度非常快,在真空中每秒能跑 30 萬千米,在空氣中也慢不了多少。

咱人的眼睛根本看不見光束咋傳播出去,又咋結束的,在咱看來,就跟突然消失又突然出現了一樣,可神奇了。

有朋友也試過這種實驗,手電筒照向墻壁後關閉,光線剎那就沒了。

這是由於光子在碰到墻壁後,會被捕獲並轉化為其他型別的粒子,從而失去發光的特性。

這就好比水掉進沙漠裏,眨眼就沒了影兒,而光子消失得更快。

搞清楚手電筒的光速後,我們再來瞧瞧宇宙中的光到底是啥樣的。

【宇宙中的光】

恒星是宇宙光熱的主要來源,其光熱是透過內部核融合反應產生的。

就說我們最熟悉的太陽吧,它內部每秒鐘都有百萬噸物質在融合,產生的能量能讓人類用好幾萬年呢。

太陽的光之所以能傳播到很遠的地方,是因為它擁有如此強大的光熱來源。

以太陽的中心到古柏帶的距離為半徑,可以畫出一個圓形,這個圓形就是太陽光熱的傳播範圍。

古柏帶處於太陽光熱中高能粒子聚集的區域,那裏的溫度可高達數萬攝氏度,也被叫做太陽系的盡頭。

之前,美國國家航空暨太空總署發射的旅行者號姐妹探測器先後穿越古柏帶,成就了人類歷史上的偉大創舉。

銀河系裏大概有 2000 億顆類似太陽的恒星,這些恒星散發的光芒把銀河系照亮了。

咱們的銀河系看起來真漂亮,就像一個發光的旋轉輪盤。

銀河系的中心特別亮,科學家覺得那有一個超大黑洞,周圍還有幾顆賊亮的恒星在飛速轉圈。

當品質足夠大的恒星爆炸時,會形成超新星。超新星爆炸瞬間發出的光芒,可以穿過漆黑的太空,傳播到幾十光年以外的地方。

天文學家就是依靠超星新爆炸,來觀測宇宙中的各種天體,這在天文學上非常重要。

太陽也會有玩完的一天,它會先膨脹成紅巨星,然後變成白矮星,最後慢慢冷卻變成黑矮星。

有些恒星會從內部開始塌縮,最終變成黑洞。

事實上,黑洞也會有微弱的光,也就是它的光環。

這是高速運動的粒子摩擦所產生的光熱,很微弱,還容易被黑洞吸走,存在時間非常短。

此外,光的概念裏還有超光速。

【超光速】

目前為止,在人類的認知裏,光的速度是最快的。

愛因史坦相對論認為,宇宙中存在超光速,在條件滿足時,低於光速運動的物體也能變成超光速。

此後的多個實驗都證實了,超光速是有可能存在的。

咋能超光速呢?愛因史坦說過,運動的物體和性質關系老緊密了,在真空裏,想讓以光速運動的物體變成超光速,那品質就得變成無窮大。

所以啊,想要超光速,也得有無限大的能量,而且這時候物體的時間就會停下來咯。

理論上,這對人類來說是不可能實作的,但未來的事誰說得準呢。

也許在幾億年之後,我們可以乘坐著光速飛船,在宇宙中自由翺翔。