如果我们打开手电筒向夜空照一秒再关掉,我们将会看到,在关掉手电筒的一瞬间,手电筒发出的光束也会消失,那么,它发出的光哪去了呢?下面我们就来聊一下这个话题。实际上,我们看到的光束,其实是手电筒发出的光子遇到空气中的微粒(如尘埃、烟雾、微小水滴等等)所发生的散射现象,而在手电筒关掉之后,由于没有光子继续进入我们的眼睛,所以在我们看来,手电筒发出的光束就消失了。也就是说,在手电筒关掉之后,其之前发出的大部分光子仍然在沿着原有的路径继续传播,由于地球大气层中的主要气体(氮气和氧气)对可见光是透明的,而手电筒发出的光线主要集中在可见光波段,因此在较为理想的情况下(晴朗少云,空气中杂质少、透明度高),一部分光子就有可能直接穿过地球的大气层,进入到茫茫的宇宙空间。我们知道,光子是具备波粒二象性的,也就是说,它们既具备“波动性”,也具备“粒子性”。
从“波动性”这方面来讲,光子其实就是量子化的电磁波,根据麦克斯韦电磁场方程组,变化的电场会在空间中激发出磁场,变化的磁场又会在空间中激发出电场,如此反复地交替变换,就形成了电磁波。由于这种交替变换是不会消耗能量的,而电磁场也可以存在于真空,并且其建立速度为光速,因此光子就可以一直在宇宙空间中以光速传播,不需要额外的动力。
从“粒子性”这方面来讲,光子其实是一种静止质量为零的基本粒子,根据狭义相对论,静止质量为零的粒子只能以光速运动,在此基础上,再加上光子的半衰期是无限长的,因此光子就可以一直在宇宙空间中以光速传播,不需要额外的动力。由此可见,无论是从“波动性”还是“粒子性”来分析,我们都可以得出这样一个结论,即:对于手电筒发出的那些已经进入宇宙空间的光子而言,只要没有受到阻碍,它们就可以一直在宇宙空间以光速传播下去。需要知道的是,宇宙的空旷程度远超我们的想象,根据科学家的估算,从整体上来讲,宇宙中物质的平均密度大概相当于每立方米存在着6个质子,而这也就意味着,当光子在宇宙空间中传播时,其遇到障碍的概率其实是非常非常低的。
科学家早已发现,宇宙是处于一种持续膨胀的状态,这种现象就会使那些遥远的天体都会具备一个远离我们而去的速度。这种速度被称为“退行速度”,从理论上来讲,一个天体与我们的距离越远,其“退行速度”就越快,这可以用一个简单的公式“v = Hr”来进行描述,其中的r代表天体与我们的距离,H代表一个常数。这个常数被称为“哈勃常数”,它描述的是宇宙的膨胀速率,在过去的日子里,科学家已经估算出“哈勃常数”的数值约为67.80(±0.77)公里/秒/百万秒差距,这里的“百万秒差距”是一个距离单位,换算下来大约是326万光年。需要知道的是,“退行速度”的本质其实就是天体在空间扩张的带动下远离我们的速度,而不是天体在空间中的运动速度,因此“退行速度”并不会受到狭义相对论的限制,而这也就意味着,当距离超过一个临界距离时,天体的“退行速度”就可以超过光速,根据上述公式我们可以计算出,这个临界距离大约为144亿光年。正如前文所言,光子是以光速传播的,显而易见的是,光速是无法追上超光速的,而这也就意味着,即使手电筒发出的一部分光子能够在宇宙空间中无休无止地传播,它们也永远“追”不上144亿光年之外的天体,在这种情况下,它们就永远无法飞到宇宙的尽头,毕竟仅仅是可观测宇宙,其半径就有大约460亿光年。