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太陽發出的光,到底能傳播多遠?能不能到達宇宙的盡頭?
2021/09/04
2021/09/04

太陽發出的光只有極少數能夠被太陽系中的各種天體接收(比如說地球從太陽接收到的能量僅僅只有太陽總輻射量的大約22億分之1),而更多的太陽光則是飛向了宇宙深空。

那麼問題就來了,這些光可以在宇宙中無限傳播嗎?如果可以的話,它們能不能到達宇宙的盡頭呢?下面我們就來討論一下。

太陽發出的光,到底能傳播多遠?

光同時具有「波」和「粒子」的雙重性質(波粒二象性),從「波」的角度來看,光其實就是一種電磁波,根據麥克斯韋電磁場方程組,電磁波其實就是磁場和電場在空間中的交替變化(即變化的磁場會在空間中產生電場,而變化的電場又會在空間中產生磁場),其傳播不需要額外的能量,也不需要介質,因此可以說,電磁波在空間中是可以無限傳播的。

從「粒子」的角度來看,「光子」是光的最小單位,一束光其實就可以看成是一大堆的「光子」,由于「光子」是一種半衰期無限長的基本粒子,因此它們就可以在空間中無限傳播。

據此我們可以得出,在沒有遇到其它物質阻礙的情況下,太陽發出的光是可以在宇宙中無限傳播的,但問題是,太陽光在傳播過程中,到底有多大的機率會遇到阻礙呢?

在過去的日子裡,科學家已經根據觀測到和資料計算出,宇宙物質的平均密度大概就是每立方米6個質子,這是什麼概念呢?

質子的直徑大約為1.6 x 10^(-15)米,放大10萬億倍後,其直徑約為1.6公分,就與常見的玻璃彈珠差不多大了,我們簡單換算一下就可以得出,假設我們將質子放大到常見的玻璃彈珠那麼大,那麼同比例增大後的宇宙物質平均密度就是,每100萬億億億立方公里(10^30立方公里)的空間,存在著6個直徑為1.6公分的玻璃彈珠。

可以想象的是,太陽發出的光在物質密度如此稀疏的宇宙空間中傳播,就算不能無限傳播下去,也差不了多少了。

所以我們可以認為,太陽發出的光,除了極少數被吸收了之外,其它的絕大多數都可以在宇宙中傳播很長很長的時間,由于太陽誕生于大約46億年前,因此太陽最早發出的光已經傳播到46億光年之外,而隨著時間的流逝,它們將在未來傳播到更遠的地方去。

既然如此,那太陽發出的光,能不能到達宇宙的盡頭呢?

很遺憾,答案是否定的,原因就是科學家早已觀測到,我們所處的宇宙一直在膨脹。

想象一下,假設在一個不斷膨脹的氣球表面有兩個點,那麼這兩個點之間的距離就會因為氣球的膨脹而不斷地增加,從而造成這兩個點相互遠離,而隨著距離的不斷增加,這兩個點相互遠離的速度就會越來越快。

宇宙的膨脹也與之類似,觀測資料顯示,宇宙中兩個點的距離每增加1百萬秒差距離(約為326萬光年),它們因為宇宙膨脹而互相遠離的速度就會增加大約68公里/秒,根據這個資料我們就可以計算出,當宇宙中兩個點之間的距離為大約144億光年的時候,它們互相遠離的速度就達到了光速。

這就意味著,假如現在就有一顆恒星剛好位于距離太陽144億光年的位置上,那麼它向太陽發出的光將在以光速向太陽前進的同時,又因為宇宙的膨脹而以光速遠離太陽,兩種速度相互抵消之後就為零(相對于太陽),在這種情況下,這顆恒星發出的光就永遠無法到達太陽。

反過來講,太陽發出的光也會因為同樣的原因而永遠無法到達這顆恒星。

上圖標示的這個暗淡的星系是「已知最遠星系」的候選者之一,它被稱為「MACS0647-JD」,與地球的距離約為133億光年,由于光速的限制,它發出的光經歷了漫長的時間才會到達地球,進而被我們觀測到,也就是說,我們看到的其實是這個星系很久很久之前的樣子。

根據科學家的計算,在宇宙膨脹的推動下,現在「MACS0647-JD」星系與我們的實際距離大約為322億光年。

至此我們就知道了兩條資訊:1、太陽發出的光永遠無法到達距離我們144億光年之外的天體;2、至少在距離太陽322億光年的位置上還有其它的星系(我們地球與太陽的距離在此可以忽略不計)。

根據這兩條資訊我們就可以得出,就算宇宙是有盡頭的(其實我們並不知道宇宙有沒有盡頭),並且光還可以在宇宙中無限傳播,太陽發出的光也會因為宇宙的膨脹而永遠無法到達宇宙的盡頭。

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