03.03 為什麼光可以在宇宙中跑上百億年?

靛滄海158


因為光的速度已經達到了我們宇宙時空的極限速度——光速,對於一個光子來說,根據狹義相對論,它的時間是停止的,百億年對它來說不過就是瞬間的事。因此光子不會因為時間久了就衰減或者消散不見。

但光速指的並不一定是光的速度,光速是我們時空的一種內在屬性,也就是說,一段距離對應的最短運動時間,就是用光速來丈量的。一光年的距離相當於一年的時間。時間和距離的一體性就表現在光速常量上面。

但光要能夠在宇宙當中跑上百億年,那也是有前提的,也就是說光不能被遮擋或者被什麼物質所吸收。所以只要沒有遮擋,就能夠在宇宙當中無休止的傳播下去。何止百億年呢。

在我們宇宙當中最古老的光是宇宙微波背景輻射,這些光子來源於宇宙大爆炸最初的光能量釋放事件,當然在這之前宇宙也已經存在了很長的時間,即所謂的黑暗時期,那個時候光子還不能釋放出來。

光為我們劃定了時間與空間的邊界,而光作為一種能量形式,它沿著時間和空間的邊界傳播,就像是水流沿著河床流動一樣。並不是光不能夠跑得更快,而是我們宇宙的形狀限制了光傳播的軌跡。這個問題在充分理解了閔可夫斯基時空光錐的基礎上,可以很好的理解。

上圖:根據閔可夫斯基時空光錐,我們的宇宙實際上分為可以到達的部分和不可以到達的部分。而光就是這兩個部分的分界線。舉一個不可到達的部分的栗子:一秒後三十一萬公里的地方就是我們沒法到達的(因為得超光速才行)。


總結:光的本質在於它是一種隨著時空的形狀流逝的能量,因此只要能夠通過運動到達,光就能去。



小宇堂


理論上講,宇宙中只要沒有物質吸收光,光就可以一直在宇宙中飛行,不會停止。而宇宙中恰恰幾乎是真空狀態,沒有任何物質阻擋光的飛行,所以光可以一直飛行很遠,我們每天晚上看到的星星距離我們相當遠,有些達到上千光年!

我們如今觀察到的宇宙微波背景輻射,就是宇宙大爆炸時發出的光的殘留,一直在宇宙中傳播到今天,飛行了138億年仍然存在!

為什麼會變成微波呢?因為宇宙一直在加速膨脹,光的波長會被拉長,最終成為波長更長的微波!

同時,光速是我們宇宙時空結構的一個固有內在屬性,物理學上它並不是指光的速度,只是光的速度正好等於光速,引力的速度也等於光速,這不是偶然,而是必然!

還有一點,即使有物質吸收了光的能量,也並不代表著光會消失,物質會吸收反射折射光線,而被吸收的光線會讓原子內部的電子從基態躍遷至激發態,而由於激發態的電子並不穩定,所以會隨時再次躍遷至基態同時釋放出光子,繼續在太空中傳播!


宇宙探索


在宇宙誕生後的第一批基本粒子產生,光子就出現了,但是在宇宙大爆炸的早期,這些光子跑出不遠就會被另外一些自由的基本粒子如自由電子所吸收,因此那時的光都無法存留太長時間。

直到宇宙誕生後約38萬年後,宇宙隨著膨脹溫度下降到約3000K左右,自由電子開始被原子核俘獲成為中性原子,宇宙一下子變得透明起來,此時被輻射出的光子將在空曠的宇宙空間中自由傳播,這就是我們今天所探測到的宇宙微波背景輻射。

【宇宙微波背景輻射全景圖】

這些光子從138億年前宇宙大爆炸後38萬年傳播至今,已經跑了138億年了,但它們依然在傳播,這些為什麼呢?很簡單的一個原因就是他們沒有遇上能吸收它們的物質,一旦它們碰上宇宙空間裡能吸收其對應波長的物質,這些光子就會吸收而停止傳播,又或者轉變為更低能量(頻率)的光子。比如產生上圖中的那些光子就是被人類的射電望遠鏡捕獲的,它們的歷時138億年的旅程就隨著被捕獲而終結了……

【繪製宇宙微波背景輻射全景圖的普朗克衛星】

這些被捕獲的光子經歷宇宙138億年的膨脹,波長已經從約1微米波長的可見光附近被拉長到數釐米波長的不可見的微波波段,波長增加了4個數量級以上!

【宇宙膨脹導致波長變大】

想當年背景輻射可是肉眼可見的,但它們雖然因空間膨脹而導致能量下降頻率變低波長變長,但是它們卻從未停止腳步,它們以不變的光速在宇宙裡跋涉了138億年,直到有一天被宇宙裡的可見物質吸收為止,如果沒被吸收,它們將繼續傳播直到宇宙的終結……

【宇宙的現在和未來】

也許有一天隨著宇宙的膨脹,宇宙中傳播的光子波長拉大到無法被任何物質吸收,這樣沒有任何設備能夠發現它們,結局就會如上圖中右邊一般漆黑……想想都覺得絕望……


星宇飄零2099


這其實很符合牛頓第一定律不是麼?

光的傳播

我們都知道光速是物質、信息、能量的上限速度,是一個無法越過的坎。不過,這不代表光的速度就是光速,實際上光只有在真空中傳播的速度才能達到光速。

但光子向著一個方向傳播時,一般來說會有兩種宿命,一種就是直接吸收了。如果我們打開手電筒,然後立馬關上,光就消失了,這是因為光被吸收了。

當然,還有一種宿命,就是一直傳播,根本停不下來。其實,我們也學過牛頓三定律,其中第一定律告訴我們:

任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態,直到外力迫使它改變運動狀態為止。

光其實也是這樣,如果沒有遮擋或被吸收,它是會沿著測地線(空間中兩點之間的最短距離)在運動的。那到底是不是這樣,其實我們可以通過觀測大質量天體周圍的光的運動情況。因為大質量天體會扭曲周圍的時空,光因為要沿著測地線運動,所以就會發生偏折。

宇宙微波背景輻射

實際上,也確實存在這在宇宙中跑了上百億年的光,這就是宇宙大爆炸之後38萬年,

光從濃稠的粒子粥跑了出來,一直就在宇宙中傳播,這也被稱為宇宙微波背景輻射。

我們以前看電視時,常常會出現雪花屏,就有一部分是因為宇宙微波背景輻射。


鍾銘聊科學


光在宇宙中是一個奇特的存在,它儘管沒有靜止質量,但卻可以攜帶能量。

光在"長途跋涉″中有能量的損失,但速度不會變。因為在同一種介質中光速永遠不變,其能量衰減只體現在頻率和振幅的衰減。

光的速度是由宇宙常數決定的,它的數值恆定,這是我們宇宙的基本定律。在宇宙誕生的那一刻就已經確定了。

由於光本身不存在衰變,所以光子在沒有遇到阻礙物吸收它的情況下,它是永恆存在的,不要說宇宙誕生至今的137億年,就算是千億年它也會以光速在宇宙空間中飛馳,一直運動到宇宙的終極末日。

只不過宇宙中的光會以不同的能量攜帶狀態而存在。我們生活中的光可以是夜晚冰冷的寒光,也可以是白天溫暖的太陽光,當然還有人造的高能激光。而宇宙中最暴力的光則是伽馬射線,單個伽馬光子攜帶的能量是普通光子能量的百萬倍。伽馬射線暴可以瞬間摧毀整個太陽系。

光有不同的波長和振動頻率,一般來講,波長越短,振動頻率越高,能量就越大。宇宙誕生初期的光由於時間久遠,能量損失嚴重,到現在已演變成波長很長的不可見光"微波",所以科學家都是通過宇宙微波背景輻射來確定各種天文數據。

在光子的世界裡是不存在時間和空間的,譬如比鄰星的光到達地球,以地球或地球上的人作為參考系是經歷了4.2年,而對光子本身來講則是瞬間到達,不存在時間和空間這個體系。聽起來有些匪夷所思,但用愛因斯坦相對論的公式,就可以算出當物體速度無限趨向光速,時間則無限趨向零。

所以時間和空間只相對於速度緩慢的物體或人類而存在,對光子本身而言則是瞬間就能跑完百億光年。





科學的奧秘


小村姑灰過來:我們要想將自來水輸送得更遠,就必須加大水泵的壓力,光也是如此!

首先,光是一種波,既然是波,就會被反射、折射、干涉、衍射,進而衰減或者被其他物質阻擋或者吸收。

其次,光的傳播和光源的激發能量有關係,比如,我們想湖面扔一個石子,只能夠激起漣漪,範圍可能只有半米,如果我們投入一個鉛球10kg,這個漣漪就會傳播的很遠,可能是二十米,哪怕湖面有水草、樹枝等等障礙物,它也能夠繞過去,如果投入的是1000公斤TNT炸藥,爆炸機器的 波浪,可以傳播幾公里遠,如果在海邊中爆炸一枚200萬噸當量的原子彈,激起的波浪可以是幾十米高,傳播幾百公里。

宇宙中的光也是如此,手電筒的光能量太小,衝不出大氣層,就被耗散殆盡,激光的能量稍高,也只能夠照射到月球那麼遠罷了,而恆星的光,是手電筒的幾萬億億倍,這個距離傳播的就遠多了,那麼多的光能量,在廣袤的宇宙中跋涉幾百億年,穿過大氣層,衰減到可以讓人類眼捕捉到而不損壞我們的眼睛。

而我們直視晴朗天空正午的太陽,估計用不了20秒,脆弱的視網膜就會被燒灼,造成永久失明,就因為太陽距離我們太近了,大量光能量衝擊了我們的光感細胞,造成破壞。

其實,我們的眼睛能夠看到的只是光譜中的狹窄一段,叫做可見光,大量的紅外光、紫外光、X射線甚至伽馬射線,才是更致命的。


最後,極其遙遠的距離(光年計)是一種雙面性質的物理量,既保護了我們不受強光的危害,也妨礙了我們星際航行。


諸葛小村姑


在上中學學物理的時候,感到比較奇怪的一個定理是物體的慣性定律,即運動的物體在沒有外力的情況下,可以始終保持其運動的狀態。這與我們日常生活中的經驗,是相違背的。其原因在於,空氣或地面對日常的宏觀物體,有著較為明顯的阻力。

因此,我們對於光之所以能夠傳播上百億年時間的疑問,可以反問,即在宇宙中有哪些物體會對光子的運動產生阻礙。

根據有機的量子宇宙觀,離散的基態量子構成空間,受到激發的量子成為光子屬於能量的範疇,由高能量子組成的封閉體系就是各種基本粒子即物質。

於是,作為激發量子,光子在量子空間傳播,其運動會受到另外兩種量子狀態的影響,即受到基態量子和由高能量子組成的封閉體系的影響。

基態量子對光子的影響,主要表現在通過兩者的彈性碰撞,會有部分光子的能量轉移給了量子空間,表現為光的耗散紅移。只是,由於量子的半徑約為10-21釐米,非常小,以至於光子與量子的碰撞概率很低。而且,光子的能量遠高於基態量子的能量,因而每一次碰撞產生的能量轉移也是非常小的。

至於作為封閉體系的物質對光子能量的吸收,主要是太空中基本粒子的所為。然而,在宇宙中,基本粒子的密度實在是太小了,每立方厘米連一個質子都攤不上。因此,物質對光子的阻礙是可以忽略不計的。

此外,我們之所以能夠觀察到遙遠的星光🌟,還有一個極為重要的因素,就是遠方星系發出的光芒是非常強烈的,而實際到達我們視野中的光線卻是既微弱又低能,說明已經有大量的光子,或擴散到更為廣闊的空間,或為基本粒子所吸收,或已有很多的能量被耗散到了量子空間。

總之,光之所以能夠傳播至很遠的地方,是由多種原因造成的。與光自身的強度及其能量的大小,與空間的量子密度及其能量的大小,與基本粒子的密度等,都有著很大的關係。

實際上,光的傳播,並不是一成不變的。我們所看到的星光,只是原有星光中極小的一部分,而且該星光的能量也已下降了許多。


淡漠乾坤


我們手電筒發出的光也沒有距離限制,只不過手電筒亮度太小,而且光是發散的,所以到一定距離你就看不到了,但不代表沒有。反之太陽亮度大,體積大,所以太陽光是很明顯的。任何光在沒有阻礙的時候都會一直走下去。


在20世紀初,奧地利物理學家勝者hess發現從外層空間的微粒持續不斷地炮擊地球大氣,生產到達表面次要微粒的陣雨。 在其中一個科學了不起的錯誤的名稱中,這些微粒叫作“宇宙光”。 但是實際上,他們與光線無關。 反而,他們是幾乎加速了對光速被精力充沛的天體物理學的過程來源依然是奧秘的亞原子粒子。

光不會衰減,但是會被反射、折射、吸收等等。



這是因為光其實是一種肉眼可見的電磁波,主要由一種稱為光子的粒子組成,具有粒子性和波動性。目前光的速度是已知的最快的速度。當光遇到光滑的物體就會產生反射,當然還有折射。有的物體能吸收一部分光,反射一部分光,它反射出的光的顏色就是我們觀察到的顏色。

光子只是傳播粒子沒有質量。沒有了重力加速度的問題。速度是恆定不變的。


河北薛之謙


光擁有兩種形態,也就是我們所說的波粒兩象性!光速是宇宙中已知最快的速度,物理學的極限,甚至是宇宙學的極限。當任何物質含有質量的時候,它就無法達到光速。而光不同,它的靜態質量為0,它的動態質量為無限大,並且動態質量的光是波,它蘊含著質能和動能,這也解釋了,為啥太陽光到地球,我們獲取到了光和熱。

但是光並不是一成不變的,宇宙是一個非常神奇的世界,任何東西都會受到約束,而光也不例外。它會受到質量和重力的因素,當光經過質量越大的物體時,所在的時空會被扭曲,那你肯定會說光在傳播的過程,已經扭曲時空了。但是和黑洞相比,光還是太弱了!黑洞這樣的超大總質量天體,當光經過一些星系團和中子星時,會發生引力透鏡折射和反射的這種奇特的現象,當光到達宇宙絕對低溫的時候,它甚至會被靜止。

目前,人類觀測到最遠的天體是131億光年外的類星體,可觀測宇宙的直徑約為920億光年,取半徑為460億光年,而我們的觀測只看到了宇宙三分之一的範圍,其餘範圍都無法觀測到,是因為我們的技術不夠先進,還是因為光本身就無法傳播到131億光年之外呢?這個問題沒人能解答,或許當韋伯望遠鏡發射的那天,這個秘密就揭曉了!、

我是宇宙V空間,一個科普天文愛好者!


宇宙V空間


從宏觀角度去談這個話題必須具備星系級別的巨大天體,論單個恆星它所發射的光子傳輸的距離很難達到這一目標,就拿我們的太陽本身來說它從誕生之日到現在為止經天文學家和數學家們的研究發現大約有五六十億年的時間歷史,如果在距離七十億光年距離之外可以說我們的太陽光仍然走在路上,這些太陽光子也基本上混雜在銀河系所有恆星發射的光子群中,在地球上人類的科學技術以經充分證明能夠接收到一百多億光年距離之外的星系所發射的光子信號這就足以證明那些星系的恆星壽命和它們的距離是相等的,在一百多億光年距離之外的星系假如有我們一樣的高級智能生命接收到了銀河系的恆星發出的光子的話,這些光子極有可能就不包括我們的太陽所發射的光子,都是比太陽更古老的恆星所發射的光子。


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