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文|小魚兒
編輯|小魚兒
前言
你是否曾在夜晚的荒野中，用手電筒對著星空猛地照射一秒鐘，然後關掉它，心裏不禁好奇：那一瞬間發出的光到底去了哪裏？難道它真的會穿越浩瀚的宇宙，抵達我們無法想象的遙遠邊界？
光線仿佛是無形的使者，帶著我們對未知的好奇與探索。可是， 當手電筒的光芒閃爍過後，它是否真的能超越地球的束縛，飛向宇宙的盡頭？ 它的旅程又會經歷什麽樣的奇妙變化？
光的旅程：從手電筒到星空
在一個寂靜的夜晚，一位好奇的觀察者站在自家後院，手握一支普通的手電筒。他深吸一口氣，按下開關，一道明亮的光束立刻劃破夜空。 這束光芒看似微不足道，卻蘊含著深奧的物理學原理和宇宙奧秘。
當觀察者關閉手電筒時，光束似乎瞬間消失了。然而，這只是一種視覺錯覺。實際上，已經發射出去的光子並沒有消失，而是繼續著它們的旅程 。這些光子，每一個都攜帶著能量，正以光速在空間中穿梭。
光的本質是什麽？它既是波又是粒子，這種雙重性質被稱為波粒二象性。 從波動性來看，光是電磁波的一種。1865年，詹姆士·克拉克·馬克士威提出了著名的馬克士威方程式組，揭示了電場和磁場之間的交互作用。 這些方程式告訴我們，變化的電場會產生磁場，變化的磁場又會產生電場，這種交替變化形成了電磁波，以光速在空間中傳播。
從粒子性來看，光由被稱為光子的基本粒子組成。這些光子沒有靜止品質，永遠以光速運動。 這一觀點源於1905年愛因史坦提出的光電效應理論，為他贏得了1921年的諾貝爾物理學獎。愛因史坦的這一發現不僅解釋了光的粒子性，還為量子力學的發展奠定了基礎。
大氣層：光子的第一道考驗
當手電筒的光束射向夜空時，它首先要穿越地球的大氣層。這層看似透明的"屏障"實際上充滿了各種瓦斯分子、灰塵和水汽。這些微小的粒子成為了光子旅程中的第一個障礙。
大多數光子在這個階段就結束了它們的旅程。 它們或是被空氣分子散射，或是被吸收。散射現象解釋了為什麽我們能看到光束的存在——散射的光子進入了我們的眼睛。 而被吸收的光子則將能量傳遞給了瓦斯分子，導致這些分子的電子發生躍遷。
1908年，約翰·威廉·斯特拉特（瑞立勛爵）對這種現象進行了深入研究， 提出了瑞立散射理論 。這一理論不僅解釋了為什麽天空呈現藍色，還為我們理解光在大氣中的傳播提供了重要依據。
然而，並非所有的光子都在大氣層中消失。 一小部份幸運的光子成功穿越了這層障礙，繼續它們的宇宙之旅。這些光子的命運，將帶領我們進入更廣闊的宇宙空間。
星際空間：光子的漫長旅途
成功穿越大氣層的光子進入了浩瀚的宇宙空間。在這裏， 物質的密度比地球大氣層要低得多。根據科學家的估算，宇宙中平均每立方米只有約6個質子。這意味著光子在這裏遇到障礙的機率極低。
在這片廣闊的星際空間中，光子可以自由地傳播。 沒有空氣分子的阻礙，沒有塵埃的幹擾，光子可以保持其原有的能量和方向，以恒定的光速繼續前進。 這個速度是如此之快，以至於光子可以在一秒鐘內繞地球赤道七圈半。
然而，宇宙的廣闊程度遠遠超出了我們的想象。 即使是在銀河系中心最密集的區域，每立方光年的空間中也只有兩顆恒星。這就像在地球這麽大的空間裏只放置了500個足球。 而在銀河系的外圍，這個數位更是降到了驚人的程度——相當於在地球大小的空間中只有一個足球。
在這樣空曠的環境中，光子被吸收或散射的機率變得極其微小。 它們可能會在宇宙中飛行數百萬年，甚至數十億年，而不與任何物質發生交互作用。 這些光子成為了宇宙中最忠實的信使，攜帶著關於其源頭的資訊，穿越時空的長河。
宇宙膨脹：光速追逐的極限
然而，即使是光速也有其極限。這個極限不是來自光本身，而是來自宇宙的本質特性——膨脹。
1929年，艾德溫·哈伯透過觀測發現，遠處的星系正在以一定的速度遠離我們。這個發現震驚了整個科學界，因為它暗示著整個宇宙正在膨脹。哈伯發現， 星系離我們越遠，它遠離我們的速度就越快。這個關系可以用一個簡單的公式表示：v = Hr，其中v是退行速度，r是距離，H則是一個常數，被稱為哈伯常數。
根據最新的觀測結果，哈伯常數的值約為67.80（±0.77）公裏/秒/百萬秒差距。這意味著，每遠離地球約326萬光年，星系的退行速度就會增加67.8公裏/秒。
這種宇宙膨脹的特性對光子的傳播產生了深遠的影響。當距離超過某個臨界點時，空間膨脹的速度甚至會超過光速。 根據計算，這個臨界距離約為143億光年。這就意味著，即使光子可以無限地傳播，它們也永遠無法到達143億光年以外的區域。
可觀測宇宙與因果宇宙：光的終極疆界
基於這個理論， 科學家提出了"可觀測宇宙"的概念 。可觀測宇宙是指從地球出發，理論上我們能接收到光訊號的最遠距離。目前， 可觀測宇宙的半徑約為465億光年 。這個數位比宇宙的年齡（約138億年）要大得多，這是因為在光傳播的過程中，宇宙一直在膨脹。
然而， 可觀測宇宙的邊界並不是靜態的。隨著時間的推移，更多的光有足夠的時間到達地球，使得可觀測宇宙的範圍不斷擴大。
但與此同時，由於宇宙的加速膨脹，與我們能發生因果關系的宇宙區域卻在不斷縮小。這個能發生因果關系的區域被稱為 "因果宇宙" 。
這就意味著， 我們手電筒發出的光，雖然無法到達當前可觀測宇宙的邊緣，但它們可能會到達未來因果宇宙的邊緣。 在那裏，這些光子將永遠地與我們的宇宙失去聯系，成為宇宙膨脹的無聲見證者。
結語
從手電筒發出的一束光，引領我們踏上了一場跨越時空的思想之旅。它讓我們領略了光的本質， 穿越了大氣層的阻礙，在星際空間中自由飛行，最終在宇宙膨脹的限制下劃定了自己的疆界。
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