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太阳光到达地球需要8分钟,而人眼瞬间能看到,眼速比光速还快?

2024-03-09科学

每天你睁眼望向窗户,看到的第一缕光都穿越了万水千山。不过由于光速是宇宙内的速度之最, 它到达你眼前永远都是瞬时的

但也有人会疑惑,我们和太阳之间的距离有过亿公里,光速即使再快,从太阳发射的光照到地球上,也是有一段距离的。

有了距离,自然就会有时间差距。那么问题就来了,为什么我们感受不到这种时间差距?或者说每时每刻睁开眼就能看到光?

用一种不准确的表述就是,难道人睁眼闭眼的速度,比光速还要快吗?要回答这个问题,就得去看看光和宇宙之间,究竟是一种什么关系。

你和光并不在一个时间点上

我们日常看到的光,并非光的全部。作为一种电磁波,人眼所看到的光,是一段频谱, 眼力所能接触和看见的波长在400纳米到700纳米之间。

常规意义上来说,光不会转弯,但是它会反射和折射。比如夜晚看到的月亮,就是反射的太阳光。

也正因为可见光通常不会拐弯,再加上地球在不停转动,所以身处其中的我们,才能感受到白天和黑夜的转换。

这样一来就能明白, 每到夜晚不是光消失了,而是地球的这一面背对了太阳,所以光就看不到了。

如果这时候把太阳缩小成一盏台灯,把地球缩小成一个足球,面对台灯的足球表面是亮的,背对的一面就是暗的。

这时的你不在足球表面,所以能清楚的看到台灯依然在发光,并不是光消失了。同理当你回到地球上,你处在夜晚的阴影里,并不是太阳没了,而是被遮挡住了。

只不过相对于地球和太阳,你太过于渺小,身处这套系统中,直觉告诉你光和太阳都没了。可实际上,光依然在从太阳上源源不断射出来。

也正因为如此,地平线上的太阳刚露出一个头来,光就已经进入到你的视野范围内了。你可以这样去理解, 好客太阳一直在「送」光出来,它们持续不断的到来,所以当地球转动到面向太阳的一面,你就能瞬时看到光。

换句话说,这些光早先已经过来了,你看到的并不是从太阳处实时射出来的光。再或者这样去理解, 由于太阳到地球之间的距离,光穿行的时间大约需要8分钟,所以你看到的光以及太阳,和实际中的光和太阳,永远存在着8分钟的时间差。

但是,由距离所产生的时间差距,仅仅是理论上的。由于你我都身处宇宙这个系统之内,无法跳出系统从外面进行对比,所以我们每天看到的光,从地球的角度去理解,实际也是实时的变化。

因为太阳光千里迢迢来到地球,并不能直接跟地表「称兄道弟」,在两兄弟之间,还横亘着厚实的大气层,它会反射和折射光,这种变化对身处地球的我们来说是实时的。

所以,当太阳光经过大气层的各种作用,最终传射到地表被你看到以后,虽然这束光并非瞬时从太阳上发射出来的,但它被看到,你可以将其理解为是实时的。

归根结底, 太阳和地球之间有一段距离,太阳光从发出再到照射到地球,它并不在一个时间点上。也因此,你和光也不在一个时间点上。

从这个角度去看,所谓的时间差距,实际就是距离差距,时间也可以看作并不存在。换言之, 并非你的睁眼速度快,而是光在源源不断向你涌来,而且它穿越你视觉范围的速度就是宇宙速度的上限,你自然也就感到它是瞬时的了。

第一缕光又是从哪里来的

你把一堆秸秆点燃,秸秆中的光和热都能充分感受到。而这一点,就是宇宙内物质产生光和温度的规则,只要有温度就会出现热辐射。

温度如果低,辐射形式是在肉眼范围外的红外光。如果温度高了,就是肉眼能够看到的光了。

那么,宇宙中的第一缕光又是来自哪里的呢?没有科学的年代,上帝和其他神灵只是告诉了我们结果,说是有光,就有了光。而当科学出现,围绕光的起源,科学家们已争论多年。

上面提到,理论上光不会拐弯,这是从几何光学的角度去看的,在这一概念中,光传播的方式就是直线。

可如果将理论变成波动光学,光的传播形式就是波状的。再换到量子光学中,它的能量存在就量子化了。

在科学家看来,光本身就是物质的本身。宇宙中只要有物质就会存在温度,只要有温度就会产生辐射,而只要产生辐射,就会出现光。

目前主流的观点是,宇宙经过暴胀阶段后,衰变而成的各种粒子,形成的暴胀子场构成了光前期的生成阶段。

由于太过于炙热,彼时的光子和其他粒子混合还没有自由传播。当一切冷却,我们所理解的光才开始自由奔赴。

可以理解为,此时的光就是宇宙内的第一缕光。有了光,才会相对应的出现了「看见」,当然这是站在生命的角度去理解的。从某种意义上说,没有光的话不要说看见,没有光或许就不会有生命。

光的存在让我们看见了一切,可相对应的也就存在「看不见」。这种看不见不是遮挡,而是光还没有到达的地方。

天文学里有有一个概念叫可观测宇宙,所谓的可观测,就是指光运动和传播到的地方。目前已知的宇宙边界,其半径为465亿光年。你也可以理解成,这就是人类利用可见光而「看」到的范围。

当然,这个范围是理论上的,我们看到的范围,还要比理论上的要小。

那么问题来了,第一缕光它现在跑到哪里了呢?科学家的说法是,它已变成肉眼不可见的微波了,自身的存在十分的微弱。

老式的电视机,接收不到频道而出现的雪花噪声,其中就包含了过去的光子。

你追的上光吗

不管是宇宙发射的第一缕光,还是此刻太阳源源不断射出的光,它们的穿行速度都是每秒30万公里。

所以,假设你能让光拐弯,它每秒都能绕行地球好几圈了。正因为速度够快,你才能瞬时感受到光的存在。

但也正因为速度够快,我们都跳不出光速的限制,难以了解它传播之外的世界是什么样的。这便是狭义相对论,即光速是宇宙速度的上限,没有什么物质能超过光的速度。

当然,科幻世界存在超光速的运动,可在巨大而又神秘的宇宙中,所有物质都逃不脱质量和能量的影响。

一种物质,它如果蕴含的能量很大,那么它的质量也就越大。 而运动本身就是一种能量,而且运动过程中物体本身的质量要高于静止时的质量。

当然,从增加的量来看,在有限的运动速度内量也是很小的。可如果运动的速度增加,并且快要达到光的速度时,物体质量的增加就会变得很大。

假设一个飞行器能够以接近光速的形式运动,它运动时的整体质量,要比静止时的质量大。而在质量增加的同时,不管其增加多少,飞行器的驱动系统,其能量的输出必须得加倍才能推动飞行器前进。

这样一来,速度如果越大,其运动时的质量就越大,驱动系统需要不断翻倍产生动力,而动力输出的背后,又得有持续不断的能量来源。

整个太阳系,每小时绕行银河系的速度为7万公里。所以一个飞行器要接近光速运动,其质量都要远远超过太阳系的质量之和了。

很显然,这种情况在宇宙内是不会发生的。而光的速度,则依然跑的最快。不过在2011年时,意大利的科学家宣称发现了比光速快的粒子——中微子。

超光速的乌龙事件

当年的研究结果是,科研人员发现中微子的运动速度,比光速快了60纳秒。这一结果公布后,立刻引起了很大的轰动。

中微子本身就难以捉摸,它基本上不会和物质发生相互作用,穿越人体和各种建筑障碍,甚至连地球都能穿越。即便如此,因为不发生相互作用,所以对穿过的物体也不会产生任何影响。

起初发现它时,科学家认为中微子没有质量。直到上世纪90年代,科学家经过一系列实验后,发现它具有微小的质量。只不过这一数值相当小,一直未能测定具体是多少。

它质量小,能够穿透一切,而且飞行的速度非常接近光速。也正因为这一点,当意大利的研究人员公开表示,中微子能以超光速运动时,科学界虽然轰动,但也认为不是不可能。

然而就在科学界准备重复相关实验时,2012年初,当初进行研究的科研人员才发现,是他们所用的实验设备出了问题,所以才得出了中微子运动超光速的结果。

这一乌龙事件,不但让参与其中的科研人员失去了声誉,同时又一次证明了相对论是正确的。也就是说,宇宙内没有超光速的物质存在。

结语

在科学界的日常实验中,大量的结果都验证着光速不会被超过。比如我国的正负电子对撞机,电子在被加速后,其速度也只能达到光速的99.999997%。

此外,也有科学家假设,宇宙中可能存在快子等没有质量的粒子,它们是可以超过光速的。可这种假设也仅仅是假设,目前并无任何实质性的发现。

没有超过光速的物质存在,就意味着我们的一切也都被限定在了这个速度之内。宇宙万物都在运动,唯有光跑在最前面,给一切运动划定了范围。

范围之内,是认知和看见;范围之外,什么都不存在。

参考资料:

【宇宙里的第一缕光是如何诞生的】 科技日报 2023年4月19日
【专家:相对论可以被超越,但「过去」仍回不去】 辽宁日报 2011年11月25日
【中国科学家谈「中微子超光速」:实验可能有漏洞】 北京日报 2011年10月12日