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太陽光到達地球需要8分鐘,而人眼瞬間能看到,眼速比光速還快?

2024-03-09科學

每天你睜眼望向窗戶,看到的第一縷光都穿越了萬水千山。不過由於光速是宇宙內的速度之最, 它到達你眼前永遠都是瞬時的

但也有人會疑惑,我們和太陽之間的距離有過億公裏,光速即使再快,從太陽發射的光照到地球上,也是有一段距離的。

有了距離,自然就會有時間差距。那麽問題就來了,為什麽我們感受不到這種時間差距?或者說每時每刻睜開眼就能看到光?

用一種不準確的表述就是,難道人睜眼閉眼的速度,比光速還要快嗎?要回答這個問題,就得去看看光和宇宙之間,究竟是一種什麽關系。

你和光並不在一個時間點上

我們日常看到的光,並非光的全部。作為一種電磁波,人眼所看到的光,是一段頻譜, 眼力所能接觸和看見的波長在400奈米到700奈米之間。

常規意義上來說,光不會轉彎,但是它會反射和折射。比如夜晚看到的月亮,就是反射的太陽光。

也正因為可見光通常不會拐彎,再加上地球在不停轉動,所以身處其中的我們,才能感受到白天和黑夜的轉換。

這樣一來就能明白, 每到夜晚不是光消失了,而是地球的這一面背對了太陽,所以光就看不到了。

如果這時候把太陽縮小成一盞台燈,把地球縮小成一個足球,面對台燈的足球表面是亮的,背對的一面就是暗的。

這時的你不在足球表面,所以能清楚的看到台燈依然在發光,並不是光消失了。同理當你回到地球上,你處在夜晚的陰影裏,並不是太陽沒了,而是被遮擋住了。

只不過相對於地球和太陽,你太過於渺小,身處這套系統中,直覺告訴你光和太陽都沒了。可實際上,光依然在從太陽上源源不斷射出來。

也正因為如此,地平線上的太陽剛露出一個頭來,光就已經進入到你的視野範圍內了。你可以這樣去理解, 好客太陽一直在「送」光出來,它們持續不斷的到來,所以當地球轉動到面向太陽的一面,你就能瞬時看到光。

換句話說,這些光早先已經過來了,你看到的並不是從太陽處即時射出來的光。再或者這樣去理解, 由於太陽到地球之間的距離,光穿行的時間大約需要8分鐘,所以你看到的光以及太陽,和實際中的光和太陽,永遠存在著8分鐘的時間差。

但是,由距離所產生的時間差距,僅僅是理論上的。由於你我都身處宇宙這個系統之內,無法跳出系統從外面進行對比,所以我們每天看到的光,從地球的角度去理解,實際也是即時的變化。

因為太陽光千裏迢迢來到地球,並不能直接跟地表「稱兄道弟」,在兩兄弟之間,還橫亙著厚實的大氣層,它會反射和折射光,這種變化對身處地球的我們來說是即時的。

所以,當太陽光經過大氣層的各種作用,最終傳射到地表被你看到以後,雖然這束光並非瞬時從太陽上發射出來的,但它被看到,你可以將其理解為是即時的。

歸根結底, 太陽和地球之間有一段距離,太陽光從發出再到照射到地球,它並不在一個時間點上。也因此,你和光也不在一個時間點上。

從這個角度去看,所謂的時間差距,實際就是距離差距,時間也可以看作並不存在。換言之, 並非你的睜眼速度快,而是光在源源不斷向你湧來,而且它穿越你視覺範圍的速度就是宇宙速度的上限,你自然也就感到它是瞬時的了。

第一縷光又是從哪裏來的

你把一堆稭稈點燃,稭稈中的光和熱都能充分感受到。而這一點,就是宇宙內物質產生光和溫度的規則,只要有溫度就會出現熱放射線。

溫度如果低,放射線形式是在肉眼範圍外的紅外光。如果溫度高了,就是肉眼能夠看到的光了。

那麽,宇宙中的第一縷光又是來自哪裏的呢?沒有科學的年代,上帝和其他神靈只是告訴了我們結果,說是有光,就有了光。而當科學出現,圍繞光的起源,科學家們已爭論多年。

上面提到,理論上光不會拐彎,這是從幾何光學的角度去看的,在這一概念中,光傳播的方式就是直線。

可如果將理論變成波動光學,光的傳播形式就是波狀的。再換到量子光學中,它的能量存在就量子化了。

在科學家看來,光本身就是物質的本身。宇宙中只要有物質就會存在溫度,只要有溫度就會產生放射線,而只要產生放射線,就會出現光。

目前主流的觀點是,宇宙經過暴脹階段後,衰變而成的各種粒子,形成的暴脹子場構成了光前期的生成階段。

由於太過於炙熱,彼時的光子和其他粒子混合還沒有自由傳播。當一切冷卻,我們所理解的光才開始自由奔赴。

可以理解為,此時的光就是宇宙內的第一縷光。有了光,才會相對應的出現了「看見」,當然這是站在生命的角度去理解的。從某種意義上說,沒有光的話不要說看見,沒有光或許就不會有生命。

光的存在讓我們看見了一切,可相對應的也就存在「看不見」。這種看不見不是遮擋,而是光還沒有到達的地方。

天文學裏有有一個概念叫可觀測宇宙,所謂的可觀測,就是指光運動和傳播到的地方。目前已知的宇宙邊界,其半徑為465億光年。你也可以理解成,這就是人類利用可見光而「看」到的範圍。

當然,這個範圍是理論上的,我們看到的範圍,還要比理論上的要小。

那麽問題來了,第一縷光它現在跑到哪裏了呢?科學家的說法是,它已變成肉眼不可見的微波了,自身的存在十分的微弱。

老式的電視機,接收不到頻道而出現的雪花雜訊,其中就包含了過去的光子。

你追的上光嗎

不管是宇宙發射的第一縷光,還是此刻太陽源源不斷射出的光,它們的穿行速度都是每秒30萬公裏。

所以,假設你能讓光拐彎,它每秒都能繞行地球好幾圈了。正因為速度夠快,你才能瞬時感受到光的存在。

但也正因為速度夠快,我們都跳不出光速的限制,難以了解它傳播之外的世界是什麽樣的。這便是狹義相對論,即光速是宇宙速度的上限,沒有什麽物質能超過光的速度。

當然,科幻世界存在超光速的運動,可在巨大而又神秘的宇宙中,所有物質都逃不脫品質和能量的影響。

一種物質,它如果蘊含的能量很大,那麽它的品質也就越大。 而運動本身就是一種能量,而且運動過程中物體本身的品質要高於靜止時的品質。

當然,從增加的量來看,在有限的運動速度內量也是很小的。可如果運動的速度增加,並且快要達到光的速度時,物體品質的增加就會變得很大。

假設一個飛行器能夠以接近光速的形式運動,它運動時的整體品質,要比靜止時的品質大。而在品質增加的同時,不管其增加多少,飛行器的驅動系統,其能量的輸出必須得加倍才能推動飛行器前進。

這樣一來,速度如果越大,其運動時的品質就越大,驅動系統需要不斷翻倍產生動力,而動力輸出的背後,又得有持續不斷的能量來源。

整個太陽系,每小時繞行銀河系的速度為7萬公裏。所以一個飛行器要接近光速運動,其品質都要遠遠超過太陽系的品質之和了。

很顯然,這種情況在宇宙內是不會發生的。而光的速度,則依然跑的最快。不過在2011年時,義大利的科學家宣稱發現了比光速快的粒子——微中子。

超光速的烏龍事件

當年的研究結果是,科研人員發現微中子的運動速度,比光速快了60納秒。這一結果公布後,立刻引起了很大的轟動。

微中子本身就難以捉摸,它基本上不會和物質發生交互作用,穿越人體和各種建築障礙,甚至連地球都能穿越。即便如此,因為不發生交互作用,所以對穿過的物體也不會產生任何影響。

起初發現它時,科學家認為微中子沒有品質。直到上世紀90年代,科學家經過一系列實驗後,發現它具有微小的品質。只不過這一數值相當小,一直未能測定具體是多少。

它品質小,能夠穿透一切,而且飛行的速度非常接近光速。也正因為這一點,當義大利的研究人員公開表示,微中子能以超光速運動時,科學界雖然轟動,但也認為不是不可能。

然而就在科學界準備重復相關實驗時,2012年初,當初進行研究的科研人員才發現,是他們所用的實驗裝置出了問題,所以才得出了微中子運動超光速的結果。

這一烏龍事件,不但讓參與其中的科研人員失去了聲譽,同時又一次證明了相對論是正確的。也就是說,宇宙內沒有超光速的物質存在。

結語

在科學界的日常實驗中,大量的結果都驗證著光速不會被超過。比如中國的正負電子對撞機,電子在被加速後,其速度也只能達到光速的99.999997%。

此外,也有科學家假設,宇宙中可能存在快子等沒有品質的粒子,它們是可以超過光速的。可這種假設也僅僅是假設,目前並無任何實質性的發現。

沒有超過光速的物質存在,就意味著我們的一切也都被限定在了這個速度之內。宇宙萬物都在運動,唯有光跑在最前面,給一切運動劃定了範圍。

範圍之內,是認知和看見;範圍之外,什麽都不存在。

參考資料:

【宇宙裏的第一縷光是如何誕生的】 科技日報 2023年4月19日
【專家:相對論可以被超越,但「過去」仍回不去】 遼寧日報 2011年11月25日
【中國科學家談「微中子超光速」:實驗可能有漏洞】 北京日報 2011年10月12日