一個(gè)有趣的問(wèn)題引發(fā)了對(duì)光為何永不疲倦的深入探索 —— 即使它已在太空中穿行了2500萬(wàn)年。

加州大學(xué)圣地亞哥分校項(xiàng)目科學(xué)家賈里德·羅伯茨的望遠(yuǎn)鏡架設(shè)在光污染嚴(yán)重的圣地亞哥后院，正對(duì)準(zhǔn)一個(gè)距離地球極其遙遠(yuǎn)的星系進(jìn)行天體攝影。第一張?zhí)照掌瑐鬏數(shù)剿钠桨咫娔X時(shí)，他的妻子克里斯蒂娜恰好走來(lái)。眼前的畫面在屏幕上熠熠生輝。

"這是風(fēng)車星系"，羅伯茨介紹道。這個(gè)命名源于其獨(dú)特的旋渦形態(tài) —— 盡管這個(gè)"風(fēng)車"由約一萬(wàn)億顆恒星構(gòu)成。來(lái)自該星系的光穿越宇宙2500萬(wàn)年（約1500萬(wàn)億億英里）才抵達(dá)我的望遠(yuǎn)鏡。

妻子不禁發(fā)問(wèn)："經(jīng)歷如此漫長(zhǎng)的旅程，光不會(huì)疲憊嗎？"

這個(gè)充滿童真的疑問(wèn)引發(fā)了一場(chǎng)關(guān)于光的深刻對(duì)話。最終極的問(wèn)題是：為何光在漫長(zhǎng)時(shí)空穿行中不會(huì)損耗能量？

光的本質(zhì)解析

作為天體物理學(xué)家，羅伯茨接受專業(yè)訓(xùn)練時(shí)最先領(lǐng)悟到的，就是光的行為模式常常突破日常直覺(jué)。光本質(zhì)上是電磁輻射 —— 由相互耦合的電場(chǎng)與磁場(chǎng)波動(dòng)構(gòu)成，在時(shí)空結(jié)構(gòu)中傳播。它沒(méi)有靜止質(zhì)量，這一特性至關(guān)重要，因?yàn)槲矬w的質(zhì)量（無(wú)論是塵埃微粒還是宇宙飛船）決定了其運(yùn)動(dòng)速度的上限。

但光因無(wú)質(zhì)量特性，得以在真空中達(dá)到極限速度 —— 每秒約186000英里（300000公里），即每年近6萬(wàn)億英里（9.6萬(wàn)億公里）。這是宇宙間物質(zhì)傳播的終極速度。形象地說(shuō)：在人類眨眼瞬間，光子已繞地球赤道飛行兩圈有余。

盡管光速驚人，宇宙空間的廣袤仍超乎想象。距離地球9300萬(wàn)英里（約1.5億公里）的太陽(yáng)光需8分多鐘才能抵達(dá)地球，這意味著我們看到的陽(yáng)光其實(shí)是8分鐘前的"歷史影像"。離太陽(yáng)系最近的恒星比鄰星遠(yuǎn)在26萬(wàn)億英里（約41萬(wàn)億公里）之外，其星光到達(dá)地球需要四年多時(shí)間 —— 天文學(xué)稱之為四光年距離。

時(shí)空相對(duì)論視角

設(shè)想作為國(guó)際空間站的宇航員，以每小時(shí)17000英里（約27000公里）的速度繞地飛行。相較于地面人員，你的手表每年將慢0.01秒。這就是時(shí)間膨脹現(xiàn)象 —— 不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)間流速產(chǎn)生差異。當(dāng)物體高速運(yùn)動(dòng)或處于強(qiáng)引力場(chǎng)附近時(shí)，其時(shí)間流逝會(huì)相對(duì)更慢。簡(jiǎn)言之，時(shí)間是相對(duì)的。

現(xiàn)在將這一原理延伸至光子：假設(shè)置身于這個(gè)基本光粒子之上，你將經(jīng)歷極致的時(shí)間膨脹效應(yīng)。地球觀測(cè)者會(huì)記錄你以光速行進(jìn)，但在你的參照系中，時(shí)間將完全靜止。這是因?yàn)闇y(cè)量時(shí)間的"時(shí)鐘"處于迥異的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) —— 以光速飛馳的光子與繞日緩行的地球形成鮮明對(duì)比。

更關(guān)鍵的是，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，起點(diǎn)與終點(diǎn)間的空間距離會(huì)縮短。換言之，運(yùn)動(dòng)方向上的空間本身發(fā)生壓縮 —— 速度越快，旅程越短。對(duì)光子而言，空間被極致壓縮。

回歸風(fēng)車星系的影像：從光子視角看，星系的恒星發(fā)出光子與后院相機(jī)感光元件接收光子這兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生的。由于空間壓縮效應(yīng)，光子感知的旅程是瞬時(shí)的。但在地球觀測(cè)者眼中，這個(gè)光子經(jīng)歷了2500萬(wàn)年的時(shí)空穿越，最終化作平板電腦上的一抹星光。

在這個(gè)星光熠熠的夜晚，這縷遠(yuǎn)古星光不僅成就了一張?zhí)煳挠跋瘢l(fā)了一位科學(xué)工作者與其充滿好奇心的伴侶之間妙趣橫生的對(duì)話。

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