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一束光线的命运!当关闭手电筒光源后,光线会消失,还是继续传播

2024-08-06科学

小时候我们都听过「凿壁偷光」的故事,神奇的光线透过缝隙照进另一个屋子,让黑暗中的人也感受到了光明。

有些朋友可能想过,如果把手电筒的光源关掉,它发出来的光会消失还是继续传播呢?今天就带大家来看看一束光的命运。

在这之前,咱们先来瞅瞅,啥是光。

【光的定义】

光嘛,大家肯定都熟悉,白天黑夜都有它,我们做各种事情都少不了它。

可是,你真的懂光吗?你清楚它的本质是啥吗?

事实上,光的本质与微观世界的粒子相同,都属于粒子的一种,只是光的粒子比较特殊,被叫做光子。

光子同时具备波动性和粒子性。

简单来说,就是不能用一个固定的理论知识去衡量它,因为它就像微观的量子世界一样,具有不确定性。

光其实是光子的结合体,也是能观测到的电磁波。

光子和光电磁波的关系就如同水分子和海洋的关系,需要大量光子聚集在一起才能形成光。

爱因斯坦说过,光其实是有重量的,我们可以根据他的质能方程式,计算出光的动态质量。

根据这个原理,光子的动态质量约为 9.34754310^-36 千克。

光之所以有质量,是因为它带有能量,而只要物质有能量,就得服从爱因斯坦的质能方程式。

比如说,太阳光散射出的光线,就带有可怕的热能。

太阳能板能把太阳光中的热能转化成电能,是我们生活中常用的一种高效、清洁的能源。

因此,要弄清光线的肉眼可见范围,需了解光源的能量强弱。

一般来说,光源的能量越大,人眼能看到的光传播得就越远。

【光传播的距离】

要知道,这里说的是我们能用眼睛看到的光,当能量不够时,光子会变成其他物质,再加上人类用眼睛能看到的距离很有限,所以光看起来传播的范围好像有一定的限度。

理论上,在理想情况下,光可以传播无限远。

也就是说,要是我们用手电筒往太空照一束光,只要没东西挡着,它就能一直往前跑。

为啥有些老式手电筒照远处物体时模糊不清,而一些大功率手电筒却能照得很亮呢?

这主要是因为光源发出的光子数量较多,这些光子散射出的光也更强烈,即便在传播过程中损失了一些光子(遵循能量守恒定律),其仍然很亮。

老式手电筒散射的光子少,等光子传到远处,几乎都损失掉了,所以看起来就模糊不清,感觉光像消失了一样。

这就是实际情况,光散射出去后,会有光子损失,让光的传播受到阻碍。

地球的大气层就像一个天然的保护罩,它能减弱那些从地球散射出去的光线,防止被不怀好意的外星人发现。

所以啊,实际上,要是你从地球上射一束光,它就会在大气层里减弱。

就算有极少的光子能逃出大气层,想穿过太阳系的几大行星、银河系的千亿恒星以及数不清的行星,也是几乎没可能的。

这段时间里,光子会沿着直线传播,最终落在某个未知的星球上,结束它短暂的生命。

这就是光的宿命,真的很有意思。

那肯定有不少人好奇,光既然能一直传下去,为啥我们把手电筒一关,光就没了?

光的传播速度非常快,在真空中每秒能跑 30 万千米,在空气中也慢不了多少。

咱人的眼睛根本看不见光束咋传播出去,又咋结束的,在咱看来,就跟突然消失又突然出现了一样,可神奇了。

有朋友也试过这种实验,手电筒照向墙壁后关闭,光线刹那就没了。

这是由于光子在碰到墙壁后,会被捕获并转化为其他类型的粒子,从而失去发光的特性。

这就好比水掉进沙漠里,眨眼就没了影儿,而光子消失得更快。

搞清楚手电筒的光速后,我们再来瞧瞧宇宙中的光到底是啥样的。

【宇宙中的光】

恒星是宇宙光热的主要来源,其光热是通过内部核聚变反应产生的。

就说我们最熟悉的太阳吧,它内部每秒钟都有百万吨物质在聚变,产生的能量能让人类用好几万年呢。

太阳的光之所以能传播到很远的地方,是因为它拥有如此强大的光热来源。

以太阳的中心到柯伊伯带的距离为半径,可以画出一个圆形,这个圆形就是太阳光热的传播范围。

柯伊伯带处于太阳光热中高能粒子聚集的区域,那里的温度可高达数万摄氏度,也被叫做太阳系的尽头。

之前,美国宇航局发射的旅行者号姐妹探测器先后穿越柯伊伯带,成就了人类历史上的伟大创举。

银河系里大概有 2000 亿颗类似太阳的恒星,这些恒星散发的光芒把银河系照亮了。

咱们的银河系看起来真漂亮,就像一个发光的旋转轮盘。

银河系的中心特别亮,科学家觉得那有一个超大黑洞,周围还有几颗贼亮的恒星在飞速转圈。

当质量足够大的恒星爆炸时,会形成超新星。超新星爆炸瞬间发出的光芒,可以穿过漆黑的太空,传播到几十光年以外的地方。

天文学家就是依靠超星新爆炸,来观测宇宙中的各种天体,这在天文学上非常重要。

太阳也会有玩完的一天,它会先膨胀成红巨星,然后变成白矮星,最后慢慢冷却变成黑矮星。

有些恒星会从内部开始塌缩,最终变成黑洞。

事实上,黑洞也会有微弱的光,也就是它的光环。

这是高速运动的粒子摩擦所产生的光热,很微弱,还容易被黑洞吸走,存在时间非常短。

此外,光的概念里还有超光速。

【超光速】

目前为止,在人类的认知里,光的速度是最快的。

爱因斯坦相对论认为,宇宙中存在超光速,在条件满足时,低于光速运动的物体也能变成超光速。

此后的多个实验都证实了,超光速是有可能存在的。

咋能超光速呢?爱因斯坦说过,运动的物体和性质关系老紧密了,在真空里,想让以光速运动的物体变成超光速,那质量就得变成无穷大。

所以啊,想要超光速,也得有无限大的能量,而且这时候物体的时间就会停下来咯。

理论上,这对人类来说是不可能实现的,但未来的事谁说得准呢。

也许在几亿年之后,我们可以乘坐着光速飞船,在宇宙中自由翱翔。