打開手電筒，朝着天空照射1秒後，發出的光能不能飛到宇宙邊緣？

大家都知道，光速是宇宙中的第一速度。其實在地球上，光的速度也是超越一切的存在，你們知道它的速度是多少嗎？

光速是指光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度

根據光在空氣中的折射率為1.0008，我們可以計算出光在空氣中的傳播速度為299552816m/s。

光是如何傳播的？地球上的光最遠可以傳播到哪裡？地球上的光是否可以照射到宇宙中？宇宙的邊緣在哪裡？接下來我們就來了解一下，如果將手電筒打開朝着天空照射1秒後關閉，它是否可以飛到宇宙邊緣？

它們會到達宇宙的盡頭嗎？

光的傳播

在同種均勻介質中，光可以沿着直線進行傳播。當光在傳播的過程中遇到不同且非均勻介質時，就會產生折射。其實就是光在傳播的過程中遇到阻礙，這個阻礙物反射出來的光才是我們肉眼所見的，而同時這一阻礙物還會將一部分的光子吸收。

惠更斯－菲涅耳原理：研究波傳播問題的一種分析方法

一般來說，光一旦遇到其他介質，就會出現曲線傳播的現象。但是當它經過這一介質後，仍然會以直線的方式進行傳播。根據廣義相對論的說法，光在大質量物體附近傳播時，會受到物體的引力場影響，導致光的傳播路徑出現偏折。

由於光的傳播速度極快，人眼根本無法捕捉，我們觀測到的光其實都是光在傳播的過程中，遇到不同介質的物體後折射出來的光線。

時空彎曲與光線的引力偏折

• 光的本質

我們在探討地球上的光能否傳到宇宙時，需要對光的本質探究一二。科學家早在千百年前就對其本質進行過研究，關於光到底是波子還是粒子的說法一直爭論不休，直到後來愛因斯坦提出光具有波粒二象性。

但這樣的說法也並沒有得到所有人的認可，在原子層面，光的內部具有原子核和運動電子，這些電子的排布與能量層級的遠近有關，靠近原子核越近的電子能量越小。

1905年愛因斯坦總結出著名的光電效應

當電子出現受激輻射和自發輻射時，就會從低能軌道越到高能軌道中，在這個過程中需要吸收或釋放一定的能量，也就是我們能夠看到的光子（光能量）。

所以根據我們目前的研究來說，光的形成需要能量，但其傳播並不需要能量，不過這裡的光我們更多可以指宇宙中的光，在真空狀態下，光的傳播並不會損耗太多能量。

光子（傳遞電磁相互作用的基本粒子）概述圖

我們的視線受到一定的局限，沒有辦法一直看到光的傳播，但並不代表它在傳播的過程中完全被吸收了。

手電筒的光能否達到太空

打開手電筒時產生的光子屬於一種受激輻射，它的光產生會受到開關傳輸的能量影響。

受激輻射示意圖

在理論上，根據光在空氣中的傳播速度，以及地球表面與宇宙之間的距離，光在受到空氣中的一些顆粒反射成我們所見的光線後，還會有很大一部分根本不需要1秒就可以達到宇宙中，然後就可以在真空中繼續傳播，去抵達宇宙的邊緣。

但是這隻能存在於理論中，實際上，手電筒發出的光根本沒有辦法到達宇宙邊緣，甚至連到達宇宙可能都很困難。

永遠都無法飛到宇宙邊緣的光

• 手電筒的光會被逐漸吸收並衍射

我們前面也提到了，光的傳播過程中會因為遇到不同的介質而改變傳播方向，甚至還會被障礙物吸收。從地球表面到宇宙的這個過程，看似只需要經過空氣，但是空氣中有大量的灰塵，並且在地球的大氣層中還存在大量的大氣分子。

根據計算，地表大氣中每立方厘米就含有大約17億個大氣分子，光子在穿越大氣層的時候，會被這些分子大量吸收並轉化，雖然在這個過程中它也會吸收能量，但是在大量的分子面前它就顯得尤其弱小了。

大氣的垂直分層結構示意圖

雖然我們前面提到，光子在受激輻射下，會從低能量場越到高能量場，但是在這狀態下，它就已經沒有更多的能量可以補充了，隨後就會掉回原來的能量等級，然後又會釋放出一個光子。

而這個光子早已不是原本的光子，它的前進方向已經發生變化，也就是說它可能並不會再往宇宙前進。

光的反射和折射現象

這裡也就是說，除去這些被吸收的部分，光子還會被大量反射、衍射，導致光的傳播方向發生改變，從原本的直線傳播，變成向四面八方發散。

若根據波動學來解釋，手電筒發出的光呈現出明顯的發散性。當光的亮度越強，並且離照明物越近時，光的單色性越好，反之就會有明顯的發散。當我們將手電筒朝向天空的時候，我們肉眼可見光的發散，也就是光的衍射。

光的發散現象概念圖

所以手電筒的光照射到天空中時，其消散的過程可能會比1秒更快，可能在它還沒有觸及到大氣層最外層的時候，就已經消失殆盡了。

• 如果光來到宇宙

如果我們拋開大氣中的不同介質，使得一部分的光子順利來到宇宙中，是否就能達到宇宙邊緣呢？實際上，也不可行。

在宇宙中看見光束的構想圖

我們說光在真空狀態下的傳播速度最快，但是在宇宙中並非完全處於真空，在宇宙中還存在大量的粒子。當光子來到宇宙後，還是逃不開和這些粒子發生碰撞，被吸收和轉化能量，此時的光子還是有很大可能沒有辦法繼續傳播。

如果它僥倖避開了粒子，繼續傳播呢？這裡就不得不提到宇宙膨脹理論了。在大爆炸宇宙論中，我們得知宇宙是由一個緻密的起點爆炸而來，並且根據宇宙紅移現象，我們也觀察到，宇宙仍在處於膨脹中。

通過望遠鏡觀測到的星系紅移現象yanshitu

直到現在，我們也無法得知宇宙的邊緣在哪裡。光在遠離我們的過程中，還會隨着宇宙膨脹離我們越來越遠，這時光的波長會發生多普勒效應，也就是說當光源遠離我們時，就會降低頻率並拉伸波長。

當波長被拉伸後，就會形成紅移，最後稱為紅外線或無線電波，但是這些我們用肉眼都無法觀測。即便是我們用一些電子設備進行觀測，最終也很難得知這個光子來自於何處，要去哪裡，是否是我們手電筒發出的那一束光。

宇宙紅移現象演示圖

況且就手電筒發出的光子，我們能否觀測到也是一個問題。目前我們能夠用望遠鏡觀測到的有無線電、紅外線、紫外線、X射線和伽瑪射線等，觀測到它們的前提就是其產生的能量要足夠我們觀測到。

比如我們之所以能夠觀測到上億光年之外的星體，就是因為它發出的光子量巨大，並且還有大量的X射線或伽馬射線等。而像手電筒能夠發出的光，即便是僥倖來到宇宙中也可以被忽略不計。

宇宙中739個強伽瑪射線源——耀變體發出的光

宇宙邊緣遙不可及

而且我們現在幾乎沒有辦法談論宇宙的邊緣究竟位於何處，因為宇宙一直處於膨脹狀態。在早期奇點爆炸時，宇宙膨脹的速度甚至超越光速。我們現在觀測到的最遙遠的光，已經經過100多億光年，由此可見大質量星體發射出的光子壽命很長。

但是根據現代宇宙模型，我們可觀測的宇宙直徑達到930億光年，這個直徑的中心就是地球，手電筒的光要如何經過漫長的時光去觸碰宇宙的邊緣？

奇點爆炸產生宇宙示意圖

且不說這個宇宙還在不停地擴張中，即便是現在，我們也無法保證，那些具有超大能量的光能夠在並非完全真空狀態下的宇宙中持續傳播。那麼從地球上射出的一點手電筒的光更是沒有辦法到達宇宙邊緣了。

在現在所處的宇宙空間中，可以說我們站在哪裡，宇宙的空間就在哪裡。而我們最終抵達的宇宙的最遠地方，我們也可以說那是宇宙的邊緣。

宇宙中的光構想圖

但是我們都知道，宇宙的廣闊，我們難以想像，其中有很多現象和事實我們的科學還沒有得出準確的答案，所以這並不是一束光就能夠做到的。