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手电筒射出的光子有多少,能飞多远,会因地球引力而拐弯吗?

本文基于回答网友类似的问题,见截图:

简单回答:光会以无限接近直线的方式射出。

光线会受到引力拉扯而弯曲,但引力源必须非常巨大,地球的引力太小了,对每秒约30万千米的光来说基本可以忽略不计。

这是因为地球引力对光来说太小了

万有引力对一切带有电磁作用力的物质都起作用,光是电磁作用力范畴,而且光子是电磁辐射的媒介,当然也受到引力影响了。而且光子虽然没有静质量,却有动质量,引力是质量对时空扭曲导致的现象,因此光受到引力所用就顺理成章了。

爱因斯坦广义相对论认为,任何有质量的物体,都会扭曲周边时空,小质量小扭曲,大质量大扭曲,由于物体的运动,形成的时空曲率方式多种多样,但总体上就像在自身周围形成一个漩涡或陷阱,任何物体经过这个漩涡或陷阱就会受到影响。

越大的天体形成的曲率越大,漩涡或陷阱就越深越强烈,接近的小天体就有掉落到这个陷阱或漩涡的趋势,如果速度不快,就会掉入深渊,表现出来就是被引力拉拽,最终掉落到大天体上。

前面提到的速度,是指速度越快的物体,逃脱引力漩涡或陷阱的概率就越大,逃出一个天体引力陷阱的速度叫逃逸速度。计算逃逸速度的公式表达为:v=√(2GM/R),这里的v就是逃逸速度,G为引力常量,M为天体质量,R为逃离物体与天体质心距离。

地球质量约6*10^24kg,半径约6371km,根据公式我们可以计算出,地球表面的逃逸速度约11.2km/s。也就是说,在地球表面,只要达到每秒11.2公里的速度,就能够逃离地球引力。而光速是每秒30万公里,是11.2公里约2.7万倍,地球这点引力对光来说几乎可以忽略不计。

太阳质量是地球的33万倍,表面逃逸速度为617km/s,对每秒30万公里的光也影响甚微,否则太阳的光芒岂不就一直围着太阳转圈了,怎么能够来到地球呢?但太阳引力毕竟比地球大多了,因此许多科学家在日全食时观测经过太阳附近的星光,发现偏转约1.66",与爱因斯坦广义相对论的计算基本吻合。

因此,手电筒射向天空的光会基本接近完全直线。在量子力学里面,可见光是由光量子组成,而光量子具有波粒二象性。光子的寿命没有定论,但多数人认为,寿命无限长,那么这束电筒射出的光,理论上就会永远在宇宙中飘荡。

事实果真如此吗?非也。实际上,这束光射出去后,仅需几秒钟,就完全消散了,不见了。导致这束光消散的原因大致有三个:1、光子与其他粒子碰撞,发生相互作用改变了轨迹;2、电筒光的散射,光子被稀释分散了;3、随着距离拉远和宇宙膨胀效应,光波逐渐被拉长,成为不可见的电磁波。

下面我们就这三个方面原因讨论一下:

光子遇到其他粒子会发生散射、衍射、吸收和转化

理论上,光射出去后,即便你关闭了手电筒,这束光也会像射出的炮弹一样,如果没有任何阻挡的话,就会一直飞下去。炮弹因为速度很低,在地球上会被重力拉扯,还会被空气阻力阻挡,因此其飞行轨迹是一个抛物线,飞不了多远就落下来。

但光子速度为每秒30万千米,地球引力几乎可以忽略不计,因此会一直飞下去,除非遇到阻挡。事实上,光射出去后,一路上的确有许多障碍。在大气层里,主要是大气分子、尘埃的阻挡。

当光子遇到各种物质粒子时,就会发生反射、衍射、散射或吸收,一束光就会不断衰减。

手电筒向天空射出的光,首先要经过稠密的大气层,地表大气密度为1.293kg/m^3,每立方厘米含有大气分子约2.6875*10^19个,也就是约17亿亿个,光子在这样浓密的大气中穿行,当然会被吸收消减得很快。

当遇到反射、折射、衍射时,光就改变了方向,自然就不会顺着原定路线走了,这样光就减弱了;当光子撞击到大气分子或任何原子的电子时,能量就会被电子吸收,电子得到了额外的能量就会处于激发态,跃迁到更高能级,之后没有更多的能量补充,又会跃迁回到原来的能级,同时释放出一个光子。

但这个光子已经不是原来的光子了,发射的方向也不是过去的线路了,因此我们就可以认为这个过去的光子消散了。

即便到达太空,也不是绝对真空,也还有稀少的粒子存在,光子还会与这些粒子发生相互作用而转化。由此,这束光最终会消失殆尽。

光子还会由于电筒光斑扩散而被稀释

手电筒虽然有聚光装置,但聚光能力较弱,射出的光是不断扩散的,而且与距离成正比。不同的手电筒发光能量不一样,聚光能力不一样,我们以一个发光功率为10瓦,聚光射角为10°的手电筒为例来计算一下。

一个10瓦功率的灯泡,产生的能量为10J/s(焦耳/秒)。光子能量E=hc/λ,也就是等于普朗克常数乘以光速除以波长。

可见光是电磁波谱里面一个很狭窄的波段,波长约在380nm(纳米)到760nm之间,我们取一个平均值为570nm。根据光子能量公式计算,得到每个波长为570nm的光子能量约为3.5*10^-19J。这样这束手电筒射出的10J/秒能量的光,光子总量约为2.86*10^19个,就是28.6亿亿个光子。

手电筒射出的光以10度角不断扩散,光斑就会不断扩大,光子就会被稀释。射出30米时光斑半径约2.5米,3公里时光斑半径就有250米;300公里时光斑半径就有25公里;3000公里时光斑直径就有250公里了。

这时,即便所有的光子都没有衰减,每平方米还有多少光子呢?我们按圆面积公式计算一下,得知在距离手电筒3000公里时,光斑面积已经有约196349540849平方米,每平方米光子数还有约1.46亿个。如果人眼捕捉光斑面积为1厘米的话,那么每秒钟就还有145个光子进入视网膜,虽然已经很微弱了,但还是能看到。

但在地球上,手电筒光走这么远是不可能的,稠密的空气早就会将这束光衰减没了,即便留下个别光子,人眼也很难感知到。

但即便在太空,这束光也传播不了1秒钟,因为光速是1秒30万公里,在30万公里的地方,这束光的扩散半径就达到了25000公里了,光斑面积就有1963495408493621平方米,每平方米的光子数就只有14566个,1平方厘米的光子数就只有不到0.015个光子了。

实际上,在手电筒光传播0.1秒,行程3万公里时,每秒能够进入人眼的光子只有不到1.5个了。对于人眼来说,一般要有6个光子才能感光,特别好的视力也需要3个光子,1.5个光子已经看不到了。

普通光源本身性质就是向四面八方发散的,人们给光源装上一个聚光装置,才能让光向一个方向传递,手电筒光源一般都是普通光源,因此无法传播更远。激光则是天生向一个方向传播的光源,发散度很小,大约只有0.001弧度,因此就能够射得更远。

上世纪登月时宇航员们在月球上安置了几个激光反射装置,科学家们在地球上将激光发射到这个反射装置上,再接收反射回来的激光,根据发射和返回花去的时间,就能够精准测量出地球与月球的表面距离。

当然,发射和接收装置都必须采用望远镜,依靠人眼是无法完成的。理论上,望远镜的主镜面积越大,聚焦得到的光子就越多,就能够看得越远。这里就不展开说了。

光速远离和宇宙膨胀导致光波拉长成不可见光

我们知道宇宙在膨胀,距离越远则膨胀越快,光速在远离我们以及宇宙膨胀过程中,波长会发生多普勒效应。所谓光的多普勒效应,就是光源向着我们运动,就会被压缩频率和波长,而与我们背道而驰时,就会降低频率和拉伸波长。

可见光是复合光,也就是由多种颜色组成的光,且可以通过棱镜形成色散,波长从长到短大约分成红橙黄绿青蓝紫等颜色,波长拉长就是往红端移动,波长缩短就会向蓝端移动。

这样,远离我们而去的光就会形成红移,加上宇宙膨胀,这种红移量就会越来越大,最后移出人眼能看到的760nm波长范围,成为红外线或无线电波,红外线以上波长的电磁波,人眼是看不到的。

这也是人们制造望远镜除了有光学结构的,还有无线电、红外、紫外和X射线、伽马射线等不同电磁波波段的望远镜,这样观测远方暗弱天体,就可以弥补人类眼睛感光的不足。

因此,电筒射出的光在宇宙中会很快消失,理论上虽然有部分光子可能永久存在,但人们要捕捉到它就很难了,在很远的地方,即便捕捉到一个光子,也难以分辨是从哪里来的,是什么物体发出的了。

但如果一个巨大的恒星或星系,由于其发出的光子量实在太大了,且其中包含能量很强的X射线、γ射线,因此即便距离我们100多亿光年,也会被人类看到。不过不是仅凭肉眼,而是依靠各种大型精密的望远镜,还需要利用宇宙中的引力透镜,才能够观测到。

宇宙微波背景的光子,就是在宇宙大爆炸38万年后发出的,已经走了138亿年,虽然很微弱,还是被科学家们捕捉到,这说明光子的寿命是超长的。

就说到这吧,欢迎讨论,感谢阅读。

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关键词: 逃逸速度 宇宙膨胀 光子能量

责任编辑:Rex_02

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