當你關掉手電筒,光似乎瞬間消失,無影無蹤,這光到底去哪兒了?
它會飛到宇宙的盡頭嗎?
手電筒的光由光子(光的基本粒子)組成,以光速(299,792,458米/秒)傳播。當你關閉手電筒,光源(LED或燈泡)停止激發光子,發射立即停止,光子一旦發出,以恒定光速直線傳播,直到被吸收、散射或反射,不會“滯留”或“堆積”。
關燈后,你不再看到光,因為新光子停止產生,而已有光子已離開你的視野(約10^-8秒內飛出1米),但是光子的能量不會憑空消失,而是轉移到吸收它們的物體上,轉化為熱能或其他形式。
關掉手電筒后,光子有以下幾種去向:首先是光子撞擊墻壁、地板或其他表面,被原子或分子吸收,能量轉為熱量或化學能,室內環境中,99.9%的光子在10^-6秒內被吸收,距離僅數百米,部分光子被空氣分子或塵埃散射,改變方向,最終仍被環境吸收,反射光(如鏡面)可能多彈跳幾次,但最終消散。
若手電筒光束指向窗外,少量光子可穿過玻璃進入大氣,約0.01%的光子可能逃逸到高空,但會被大氣分子(如氮、氧)散射或吸收,在地球環境中,光子極少能“逃跑”到太空。即使逃逸,距離也有限,因為地球大氣(厚度約100公里)對可見光有一定吸收率,普通手電筒光子難以穿透。
光子傳播遵循平方反比定律(強度隨距離平方減弱),手電筒的微弱光束在數公里外已不可測,理論上,光子若不受阻擋,會以光速傳播,直至到達可觀測宇宙的邊界(930億光年)但手電筒光子的命運遠沒那么壯麗。
因為暗能量使宇宙加速膨脹,遙遠光子可能因空間拉伸而“紅移”到不可見,能量逐漸耗散,光子需穿過大氣、星際塵埃和氣體云,99.9999%在數光年內被吸收,即使激光束(比手電筒強10^6倍)也無法傳播到銀河系邊緣(10萬光年),可觀測宇宙直徑930億光年,受光錐限制,光子若無障礙可達邊界,但手電筒光子遠在地球上就“夭折了”。
最重要的是,光速快到人類感知不到其傳播,光子從手電筒到墻壁(3米)僅需10^-8秒,遠超人眼反應(0.1秒),光子不像聲音(靠空氣振動)有回響,一旦光源關閉,光子不再產生,視覺立刻“斷電”。
室內光子被墻壁、家具快速吸收,無顯著反射到眼中,造成“消失”假象,即使在真空實驗室,關閉光源后,光子在10^-9秒內離開探測范圍,肉眼無法捕捉。
2023年JWST捕捉138億光年外的星系光,接近宇宙邊界,手電筒光卻連1光秒都難及,2024年FAST探測銀河系光子散射,揭示星際塵埃如何“吞噬”光,2024年麻省理工用單光子探測器,證實光子關閉后瞬間被吸收,無“殘留”。
所以關掉手電筒的瞬間,光子并未“消失”,而是被環境吸收、散射或反射,轉化為熱能或化學能,旅程在微秒內結束。
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