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光的传播方式及引力对其的影响:从直线到弯曲

2024-08-07 21:47:20信息公告13

本文根据回答网友的类似问题写成,见截图:bMD物理好资源网(原物理ok网)

简单的答案:光将以无限接近直线的方式发射。 #图文万粉刺激计划#bMD物理好资源网(原物理ok网)

光会因为引力的拉扯而弯曲,但引力的来源一定非常巨大,对于速度大约为每秒30万公里的光来说,地球的引力太小,基本可以忽略不计。bMD物理好资源网(原物理ok网)

这是因为地球引力太小,光无法到达它。bMD物理好资源网(原物理ok网)

引力作用于所有具有电磁力的物质。光属于电磁力的范畴,而光子是电磁辐射的媒介,因此也会受到引力的影响。光子虽然没有静态质量,但具有动态质量。引力是质量扭曲时空而产生的现象,因此光自然会受到引力的影响。bMD物理好资源网(原物理ok网)

爱因斯坦的广义相对论认为,任何有质量的物体都会扭曲周围的时空。质量小的扭曲程度小,质量大的扭曲程度大。由于物体的运动,时空的曲率以各种方式形成,但总体上就像在自身周围形成了一个漩涡或陷阱。任何穿过这个漩涡或陷阱的物体都会受到影响。bMD物理好资源网(原物理ok网)

天体越大,形成的曲率越大,漩涡或陷阱就越深越强烈,靠近的小天体往往会落入这种陷阱或漩涡中,如果速度不够快,就会坠入深渊,表现为受到引力的牵引,最终坠落到大天体上。bMD物理好资源网(原物理ok网)

上面提到的速度是指物体速度越快,逃离引力漩涡或陷阱的概率越大。逃离天体引力陷阱的速度称为逃逸速度。逃逸速度的计算公式为:v=√(2GM/R),其中v为逃逸速度,G为引力常数,M为天体质量,R为逃逸物体与天体质心之间的距离。bMD物理好资源网(原物理ok网)

地球的质量约为6*10^24kg,半径约为。根据公式,我们可以算出地球表面的脱离速度约为11.2km/s。也就是说,在地球表面,只要速度达到11.2公里/秒,就能摆脱地球引力。光速是30万公里/秒地球的逃逸速度是多少,大约是11.2公里/秒的2.7万倍。地球引力对于光来说几乎可以忽略不计。bMD物理好资源网(原物理ok网)

太阳的质量是地球的33万倍,表面逃逸速度为617公里/秒,对每秒30万公里的光几乎没什么影响。否则太阳光就一直在绕着太阳转,怎么可能到达地球呢?但太阳的引力比地球的引力强得多。因此,不少科学家在日全食时观测星光经过太阳附近,发现偏转约1.66英寸,与爱因斯坦广义相对论的计算基本一致。bMD物理好资源网(原物理ok网)

因此,手电筒发出的光如果指向天空,几乎是完全笔直的。在量子力学中,可见光是由光子组成的,光子具有波和粒子的双重性质。光子的寿命目前还没有定论,但大多数人认为,如果寿命是无限的,那么从理论上讲,这束光将永远漂浮在宇宙中。bMD物理好资源网(原物理ok网)

真的是这样吗?不是的。事实上,这束光发射出去之后,在短短的几秒内就彻底消散消失了。这束光消散的原因大致有三点:1、光子与其他粒子碰撞,相互作用,改变了运动轨迹;2、光子发生散射,将光子稀释、散射;3、随着距离的增加,宇宙的膨胀,光波逐渐被拉长,变成了看不见的电磁波。bMD物理好资源网(原物理ok网)

让我们来讨论一下这三个原因:bMD物理好资源网(原物理ok网)

当光子遇到其他粒子时,它们会发生散射、衍射、吸收和变换。bMD物理好资源网(原物理ok网)

地球的逃逸速度是多少bMD物理好资源网(原物理ok网)

理论上来说,光线发出之后,即使你关掉电筒,如果没有遮挡,光线还是会像炮弹一样继续飞行,因为炮弹的速度很低,在地球上会受到重力的牵引,加上受到空气阻力的阻挡,所以它的飞行轨迹是一条抛物线,飞不远就会掉下来。bMD物理好资源网(原物理ok网)

但光子的速度是每秒30万公里,地球引力几乎可以忽略不计,所以除非遇到障碍物,否则它们会一直飞下去。事实上,光发射出去之后,一路上确实会遇到很多障碍物,在大气层中,主要就是被大气分子和尘埃阻挡。bMD物理好资源网(原物理ok网)

当光子遇到各种物质粒子时,会发生反射、衍射、散射或吸收,光束就会不断衰减。bMD物理好资源网(原物理ok网)

手电筒发射到天空的光线首先要穿过稠密的大气层。地表大气层的密度为 1.293kg/m^3,每立方厘米约有 2.6875*10^19 个大气分子,约合 1.7 万亿个。光子在如此稠密的大气层中穿行时,当然会被快速吸收和消散。bMD物理好资源网(原物理ok网)

当遇到反射、折射或衍射时,光会改变方向,自然不会按照原来的路线传播,因此光会减弱;当光子击中大气分子或任何原子的电子时,能量会被电子吸收。电子会因多余能量而处于激发态,并跃迁到更高的能级。如果没有更多的能量来补充,它就会跃迁回原来的能级,同时释放出一个光子。bMD物理好资源网(原物理ok网)

但这个光子已经不再是原来的光子了,发射的方向也不再和过去的路线一致了,所以我们可以认为过去的光子已经消散了。bMD物理好资源网(原物理ok网)

就算到了太空,也不是绝对真空,还是有稀有粒子存在的,光子会跟这些粒子发生相互作用,发生转化,结果这束光最终会消失。bMD物理好资源网(原物理ok网)

由于手电筒光斑的扩散,光子也会被稀释。bMD物理好资源网(原物理ok网)

手电筒虽然有调焦装置,但是调焦能力较弱,发出的光线不断散射,与距离成正比,不同的手电筒发光能量不同,调焦能力也不同,我们以发光功率10瓦,调焦角度10°的手电筒为例来计算。bMD物理好资源网(原物理ok网)

10瓦的灯泡产生10 J/s(焦耳每秒)的能量。光子能量E = hc/λ,等于普朗克常数乘以光速除以波长。bMD物理好资源网(原物理ok网)

可见光是电磁波谱中很窄的一个波段,波长大概在380nm(纳米)到760nm之间,我们取平均值570nm,根据光子能量公式,波长570nm的每个光子的能量大概是3.5*10^-19J,所以手电筒发出的这束能量10J/秒的光子,光子总数大概是2.86*10^19,也就是28.6万亿个光子。bMD物理好资源网(原物理ok网)

手电筒发出的光线以10度角继续扩散,光斑会不断扩大,光子会被稀释。当光线发射30米时,光斑半径约为2.5米;3公里时,光斑半径为250米;300公里时,光斑半径为25公里;300公里时,光斑直径为250公里。bMD物理好资源网(原物理ok网)

此时,即便所有光子还未衰减,每平方米又有多少个光子呢?我们按照圆面积公式计算发现,当手电筒距离 3000 公里时,光斑面积约为 9 平方米,每平方米的光子数量约为 1.46 亿个。如果人眼捕捉到的光斑面积为 1 厘米,那么每秒钟仍有 145 个光子进入视网膜。虽然很微弱,但依然可见。bMD物理好资源网(原物理ok网)

但在地球上,手电筒不可能传播这么远。稠密的空气早已将光线衰减。即使留下单个光子,人眼也难以察觉。bMD物理好资源网(原物理ok网)

但即便在太空中,这束光也不可能传播1秒钟,因为光速是30万公里每秒。在30万公里的时候,这束光的扩散半径就达到2.5万公里,光斑面积达到93621平方米。而每平方米的光子数量只有14566个,1平方厘米内光子数量不足0.015个光子。bMD物理好资源网(原物理ok网)

事实上,当手电筒光线以0.1秒的时间,传播3万公里时,每秒能进入人眼的光子不足1.5个,而人眼一般需要6个光子才能对光线敏感,即使是最好的视力也需要3个光子,1.5个光子就无法再看见了。bMD物理好资源网(原物理ok网)

普通光源天生就向四面八方发散,人们在光源上加装聚焦装置,使光线向一个方向传播。手电筒一般都是普通光源,所以无法传播得更远。激光天生就向一个方向传播,发散度非常小,只有0.001弧度左右,所以可以传播得更远。bMD物理好资源网(原物理ok网)

上个世纪登月时,宇航员在月球上放置了多台激光反射装置,地球上的科学家向这些反射装置发射激光,然后接收反射回来的激光,根据发射和返回的时间,就能精确测量出地球与月球表面的距离。bMD物理好资源网(原物理ok网)

当然,发射和接收设备都必须用望远镜,这是人眼无法完成的。理论上,望远镜主镜面积越大,能聚焦的光子越多,能看得越远。这里就不细说了。bMD物理好资源网(原物理ok网)

光速的远离和宇宙的膨胀导致光波拉伸成看不见的光。bMD物理好资源网(原物理ok网)

我们知道宇宙在膨胀,距离越远膨胀越快。随着光速远离我们,宇宙膨胀,波长就会发生多普勒效应。所谓光的多普勒效应,就是当光源靠近我们时,频率和波长会被压缩,而当光源远离我们时留学之路,频率就会降低,波长就会被拉长。bMD物理好资源网(原物理ok网)

可见光是复合光,也就是由多种颜色组成的光,可透过棱镜进行色散。波长由长到短大致分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。若波长加长则往红端移动,若波长缩短则往蓝端移动。bMD物理好资源网(原物理ok网)

这样,远离我们的光就会形成红移,而随着宇宙的膨胀,这个红移的量会越来越大,最后移出了人眼能看到的760nm波长范围,变成了红外线或者无线电波。而波长在红外线以上的电磁波,人眼是看不见的。bMD物理好资源网(原物理ok网)

因此,人们除了制造光学结构之外,还制造了能覆盖射电、红外、紫外、X射线、伽马射线等不同电磁波段的望远镜,以观察遥远而暗淡的天体,弥补人眼对光敏感度的不足。bMD物理好资源网(原物理ok网)

因此,手电筒发出的光会很快消失在宇宙中。虽然理论上有些光子可能永远存在,但人们很难捕捉到它们。在很远的距离,即使捕捉到光子,也很难分辨它来自哪里,是什么物体发射的。bMD物理好资源网(原物理ok网)

但如果一颗巨大的恒星或星系距离我们超过100亿光年,人类是可以看到它的,因为它发射的光子数量太大,含有能量非常高的X射线和伽马射线。但光靠肉眼是无法观测到的,需要借助各种大型精密的望远镜,以及宇宙中的引力透镜。bMD物理好资源网(原物理ok网)

宇宙微波背景的光子是在宇宙大爆炸后38万年发射出来的,至今已存在了138亿年,虽然非常微弱,但都被科学家捕捉到了,可见光子的寿命是极长的。bMD物理好资源网(原物理ok网)

暂时就这么多,欢迎讨论地球的逃逸速度是多少,感谢阅读。bMD物理好资源网(原物理ok网)