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光會永遠傳播,還是最終會消失?科學家給出了答案

温晗晗 2023/09/15

相信很多人夜晚的時候,都喜歡一個人抬頭看天空,在天空中,有很多星星一閃一閃的掛在上面,小的時候,一直都以為天空中的星星就是逝去的親人,他們在天上看著我們,長大以后才知道,那些閃爍的行星發出的光線,實際上是數十億年前開始的旅程,穿越冰冷的宇宙空間,最終落在你的眼睛上,那些光線讓我們有機會窺探宇宙的深處,從而開始了人類對宇宙的探索之旅,人類作為地球上最有智慧的生命,從誕生以后就開始不斷的研究和探索世界的奧秘,現在人類已經能夠走出地球探索宇宙,這說明人類科技發展的速度是非常快的。根據科學家的研究我們能夠知道,光速是目前人類發現的最快的飛行速度。

光速大約是每秒30萬公里,這個速度對于人類來說非常快,看到這里,可能有很多人都會產生一個疑問,就是光速如此之快,人類是如何計算出來的?最早測量光速的科學家是伽利略,在1638年的時候,伽利略一行4人,分成兩組,分別登上兩座相隔甚遠的山峰,每組各自攜帶一個光源——煤油燈,他對燈做了一個簡單的改進,就是在煤油燈的一面加了一個滑蓋,這樣關閉滑蓋,燈光就會被擋住,如果把滑蓋拉起,燈光就會照射出來,通過快速的拉動滑蓋,能夠讓煤油燈一亮一滅,制造出看上去在閃爍的效果,在這個實驗中,除了兩盞煤油燈之外,還需要兩只一模一樣的鐘擺計時器。

他計劃利用兩邊記錄燈光開啟關閉時間的方法來測量光的速度,不過由于光速實在是太快了,人類的反映時間大約是每秒240米左右,所以這個辦法并沒有計算出光速來,後來到了1676年的時候,奧勒.羅默對光速進行了測量,他觀察木星的木衛一,木衛一公轉到木星背后時被遮住就會出現衛星蝕,隨著地球在公轉軌道上移向木星,在地球上觀測到木衛一蝕之間的時間間隔將逐漸變短,而當地球遠離木星時,木衛一蝕的間隔逐漸變長,羅默根據這些計算得出,當地球距離木星最近時,木衛一蝕將比按照公轉周期預測的時間提前了約11分鐘,當地球距離木星最遠的時候,木衛一蝕將比預期的時間晚11分鐘出現。

累積加起來的時間大約是22分鐘,他認為這22分鐘就是光子在地球軌道上傳播的時間,奧勒.羅默當時計算出的光速數值大約是每秒20公里,不過這個數值也不是正確的,在1950年的時候,艾森提出了空腔共振法來測量光速,最終得出的光速值大約是299792457.4每秒,這個數值和今天光速的數值幾乎一樣,光的傳播是一個非常復雜的過程,在基礎層面上,光能夠以波的形式在空間中傳播,無論是通過真空,還是透明物質,這就是為什麼我們能夠看到數億光年之外的恒星和星系,因為光的速度非常快,所以我們在地球上看到的光,實際上是它在過去某個時間點發射出來的。

光在真空中的傳播非常直觀的,因為沒有任何物質來阻礙它的傳播,不過當光遇到物質的時候,情況就會變得復雜起來,當光通過物質的時候,光子就可以被物質吸收,然后重新發射,這個過程會使得光的速度變慢,這就是為什麼光在水或者玻璃的速度要比真空中慢,光子是一種非常神秘的物質,它具有兩種性質,為了證明光的性質,科學家做了雙縫干涉實驗,實驗過程是這樣的:一個電子發射器,一個擋板上面有兩條狹縫,擋板后面有接收電子的屏幕,當科學家朝擋板連續發射電子時,屏幕上顯現出明暗相同的干涉條件,這說明電子不僅僅是粒子,它也具有波動性,穿過狹縫后發現了干涉現象,實驗開始時,科學家把光子一個一個的釋放出來。

讓它們逐個穿個雙縫,竟然形成了干涉條紋,之后科學家將光子換成了電子,也得到了干涉條紋,為了看清楚光子是如何通過雙縫的,科學家們專門安裝了一個探測器,用來觀察光子究竟是從哪個縫隙中穿過去的,就在這個時候,神奇的一幕發生了,干涉條紋竟然消失了,如果我們不觀測光子,那麼干涉條紋就會出現,這說明人的觀察行為影響了實驗的最終結果,科學家認為,雙縫干涉實驗在沒有觀測者的時候,粒子處于疊加狀態,這個疊加狀態通過雙縫的時候一半通過A縫隙,另一半通過B縫隙,沒有觀測者就意味著沒有人能夠證明光子走了哪條縫隙,這時候粒子就處于疊加狀態。

看到的現象就是粒子的形態,由于粒子非常細小,所以我們無法直接觀測到它,它也沒有自主意識,無法自主選擇,所以它本身不構成觀察者,在這個實驗中,如果只看結果的話,那麼人類永遠都無法知道光子是從哪個縫隙中穿過去的,這會導致光子一直處于疊加態,最終形成干涉條紋,如果想要使粒子的疊加態坍塌,就要對實驗進行觀察,看他到底是從A縫隙還是B縫隙穿過,這時候光子就被固定了,光子的路線被固定了,所以干涉條紋就消失了,最終科學家得出光具有波粒二象性。正因為光子的存在,地球才能夠擁有光明,地球生命的誕生,和光的關系非常密切,太陽光傳播到地球上,使得地球擁有了熱量。

根據科學家的研究我們能夠知道,太陽光從太陽表面出發,到達地球需要8分鐘左右的時間,地球每秒鐘接收到的熱量大約是22億分之一,大家不要小看這些熱量,這些熱量相當于地球上100萬噸煤炭燃燒的能量總和,既然地球只能夠吸收一小部分光子的能量,那麼其它的光子去了哪里?在光子自己的視角中,它的誕生和消亡事同時發生的,簡單來說,光子不會經歷時間的推移,它們從來不會變老,不過這并不意味著光子不能夠被摧毀,當光子遇到物體的時候,就可能會被吸收,被吸收的光子其實就是消失了,它的能量會轉化為吸收它的物質的動能或者是內能,這是我們日常生活中光照量的物體,植物進行光合作用,或者太陽能電池工作的基礎。

假如說我們用手電筒朝天空發射一束光,那麼這束光會飛到哪里?如果光子在飛行過程中,沒有遇到任何阻礙物,那麼光子就會一直傳播下去,按照這個理論來看,宇宙中的任何光子都能夠傳播到地球上,在19世紀30年代的時候,著名的德國天文學家奧博斯就發現了這一點,并且他提出了奧柏斯佯謬,他認為如果我們的宇宙是靜止、無限、穩定恒態的,那麼人類看到的夜空就不應該是這樣的,因為假設宇宙中遍布了無數個恒星,而它們在穩定恒定的宇宙中,相互之間的距離也是應該是平均的、等距的,按照這個說法來看的話,宇宙中所有恒星發出的光都會傳播到地球上,這就意味著地球的夜晚不應該是黑的。

不過我們現在的夜晚確實是黑暗的,這到底是怎麼回事呢?為此奧柏斯還專門做了解釋,他認為光子在宇宙中傳播時,可能被星際塵埃和其它天體擋住了,所以這些恒星的光沒有辦法傳播到地球上,但是根據科學家的研究我們能夠知道,光能夠折射和反射,如果恒星發出的光線被其他物質擋住,那麼我們應該看到宇宙中光折射和反射的結果,但在宇宙中,科學家并沒有發現這種情況,這說明奧柏斯的解釋是錯誤的,後來到了20世紀初的時候,愛德溫.哈勃完美的解釋了這個問題,在1929年的時候,他發表了論文闡述了宇宙膨脹理論,他描述了宇宙目前的膨脹速度,于是哈勃定律以愛德溫.哈勃的名字命名。

在1924年的時候,他發現仙女座星系中的變星,距離地球超過了90萬光年,利用這種辦法,他發現并測量了其它23個星系,而且維斯托.斯里弗在哈勃之前對光譜的分裂進行了研究,根據光源中的元素,譜線以特定的圖案出現在這些光譜中,如果光源正在移動,那麼這些譜線就會向光譜的紅色一段轉移,通過分析星云發出的光,這位科學家發現了這些光線基本上都在遠離地球,後來哈勃在觀測的時候發現,星系的紅移與星系和地球的距離成正比,這意味著這些星系正在遠離我們,之后哈勃提出了宇宙膨脹的理論,這個理論提出之后,很多科學家都感到震驚,因為在此之前,我們一直都認為我們的宇宙是靜態的。

宇宙膨脹的理論不僅僅讓人類對宇宙有了新的認識,而且也完美解釋了夜空為什麼是黑色的,從宇宙大爆炸開始,我們的宇宙就在不斷的膨脹當中,而且膨脹的速度越來越快,它已經超過了光速,由于宇宙在不斷的膨脹當中,所以其它恒星發出的光根本無法傳播到地球上,這就導致地球只能夠接收到來自太陽光的照射,所以地球的夜晚就是黑色的,如果我們的宇宙一直膨脹下去,那麼是不是光子就會一直在宇宙中飛行?科學家認為,在暗物質和暗能量的模型當中,暗能量會使宇宙膨脹的速度加快,這就是所謂的宇宙加速膨脹,如果這種情況繼續下去,那麼在遙遠的未來,宇宙的膨脹將會快的連光都無法跨越。

這就是宇宙視界的概念,在那個時候,我們將無法看到宇宙的其它部分,因為光無法穿越這個膨脹的空間,在這樣的宇宙中,光并沒有真正的消失,但是由于宇宙膨脹的速度超過了光速,所以光無法傳播到我們的觀察位置,按照愛因斯坦的理論,宇宙中任何的物質都不會憑空消失,它們只是轉化為了其它的物質或能量,比如說我們平時的煤炭燃燒以后,能夠轉化為熱能,這些能量也不會憑空消失,它們會一直停留在宇宙中,所以我們能夠 得出這樣的結論:在物質層面上,光是有可能消失的,因為它可能無法到達某些地方,或者被轉化為其它形式的能量,但是在能量層面上,光是永恒的,因為能量總是守恒的。

雖然現在人類對光已經有了大概的認知和了解,不過光的奧秘遠遠超出了我們的認知,人類作為地球上最有智慧的生命,從誕生以后就開始不斷的研究和探索世界的奧秘,經過幾千年的科技發展, 現在人類已經能夠探索宇宙,這說明人類科技發展的速度很快,只要人類能夠堅持不懈的努力下去,未來隨著人類科技的進步,人類一定能夠解開光子的奧秘,小編希望人類能夠早日實現自己的夢想,對此,大家有什麼想說的嗎?


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