光斑 手电筒的光去了哪?是熄灭就消失,还是像一列火车驶向宇宙尽头?

小时候,拿着手电筒在夜色中挥舞,应该是许多人都曾有过的举动,那随着手臂摆动的手电筒光柱仿佛是星球大战中的“光剑”,一挥一刺煞是好看。


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长大后,夜色中挥舞的手臂已经在记忆中变得模糊,唯有那耀眼的手电筒光柱仍在心中留有深刻的印象,而这也带来了一些让许多人感到疑惑的问题:手电筒发出的光去了哪里?是灯一灭就瞬间消失了,还是像一列飞驰的火车驶入了宇宙深处呢?如果驶入了宇宙深处,那它们能到达宇宙尽头吗?
可能很多人不知道,眼睛之所以能够看到手电筒亮,要么是因为灯泡发出的光子进入了人的眼睛,要么就是灯泡发出的光子被大气中的尘埃散射,形成了肉眼可见的“光柱”(灰尘越多的环境下光柱越明显)。


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而当手电筒关闭,灯泡不在发出光子,人眼也就自然看不到光亮。但严格来说,从手电筒关闭到人眼看不到光亮这一过程的时间并不是0,而是“手电的灯泡—尘埃—眼睛”总的光程除以光速。
由于光速极快,通常消失的时间小于100纳秒,如此短暂的时间肉眼根本无法察觉,所以才会给人一种光瞬间就消失了的错觉。


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既然手电筒关闭后,光并不是瞬间就消失了,那么那些指向宇宙的光,会如同一列火车朝宇宙深处前进吗?答案是:会,也不会。
在理想状态也就是绝对真空中,因为没有任何物质阻挡光的传播,光能够一直飞行下去。当然了,如果时空是弯曲的,那么光也是能够在其中走弯路的。


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光斑|手电筒的光去了哪?是熄灭就消失,还是像一列火车驶向宇宙尽头?】而一直飞就需要考虑一个非常关键的问题——光束会发散。哪怕发散的角度极小,在漫长的距离下,飞行的光也会变成一个极为巨大的光斑。
当距离足够远之后,光斑会越来越大直至暗淡到相当于消失。值得一提的是,“消失”的含义并不是完全不存在,而是在于随机取某个瞬间,这个巨大光斑上的辐射功率密度已经无法保证有一定的光子通过。


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就像一个商场,当任选一天对其人流量进行统计时,人流量已经无法达到最低维持限度,我们就能够说这个商场已经没人了。
可能有人会问,光线的发散角能够为“0”吗?也就是说一点也不发散,绝对笔直的向前飞。答案是:不可能。


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不要说手电筒这种单靠一面抛物面镜汇聚的杂乱光束,就是目前方向性极佳的激光,都无法保持永远的汇聚,而这主要是因为高斯光束存在共聚焦长度极限,一旦超出这个极限,原本约束的光线会退化成一个圆锥,重新出现发散角。
以上是理想状态下的情况,即宇宙是绝对真空的。而现实世界中宇宙充斥着各种各样的物质,在其中飞行的光必然会与这些物质发生作用。


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我们都知道,光遇到反光的物质会被反射,遇到透明的物体会直接穿透过去,而在这个过程中光始终会有能量被吸收。
经过反复的透射或反射,光和物质会发生作用(辐射转移),光线就会变得黯淡直至“消失”(波长更长的不可见光)。


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所以说,只要光源足够的亮、发散角度足够的小,这束光就能够在宇宙中飞行很长一段距离,就算突然将光源熄灭,之前发出去的光也并不会直接消失。
当年阿波罗计划中就是在月球表面放置了镜子,然后通过激光反射来测量地球和月球之间的精确距离。在测试中,一束脉冲激光打出去过了2.5秒左右才收到了回应。


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可以想象一下,如果将束激光直接射入茫茫宇宙,那么它肯定能够在宇宙中前进很远的距离,直到黯淡的再也没有办法观察。

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