手電筒射出的光子有多少，能飛多遠(yuǎn)，會(huì)因地球引力而拐彎嗎？

本文基于回答網(wǎng)友類似的問(wèn)題，見(jiàn)截圖：

簡(jiǎn)單回答：光會(huì)以無(wú)限接近直線的方式射出。

光線會(huì)受到引力拉扯而彎曲，但引力源必須非常巨大，地球的引力太小了，對(duì)每秒約30萬(wàn)千米的光來(lái)說(shuō)基本可以忽略不計(jì)。

這是因?yàn)榈厍蛞?duì)光來(lái)說(shuō)太小了

萬(wàn)有引力對(duì)一切帶有電磁作用力的物質(zhì)都起作用，光是電磁作用力范疇，而且光子是電磁輻射的媒介，當(dāng)然也受到引力影響了。而且光子雖然沒(méi)有靜質(zhì)量，卻有動(dòng)質(zhì)量，引力是質(zhì)量對(duì)時(shí)空扭曲導(dǎo)致的現(xiàn)象，因此光受到引力所用就順理成章了。

愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論認(rèn)為，任何有質(zhì)量的物體，都會(huì)扭曲周邊時(shí)空，小質(zhì)量小扭曲，大質(zhì)量大扭曲，由于物體的運(yùn)動(dòng)，形成的時(shí)空曲率方式多種多樣，但總體上就像在自身周圍形成一個(gè)漩渦或陷阱，任何物體經(jīng)過(guò)這個(gè)漩渦或陷阱就會(huì)受到影響。

越大的天體形成的曲率越大，漩渦或陷阱就越深越強(qiáng)烈，接近的小天體就有掉落到這個(gè)陷阱或漩渦的趨勢(shì)，如果速度不快，就會(huì)掉入深淵，表現(xiàn)出來(lái)就是被引力拉拽，最終掉落到大天體上。

前面提到的速度，是指速度越快的物體，逃脫引力漩渦或陷阱的概率就越大，逃出一個(gè)天體引力陷阱的速度叫逃逸速度。計(jì)算逃逸速度的公式表達(dá)為：v=√（2GM/R），這里的v就是逃逸速度，G為引力常量，M為天體質(zhì)量，R為逃離物體與天體質(zhì)心距離。

地球質(zhì)量約6*10^24kg，半徑約6371km，根據(jù)公式我們可以計(jì)算出，地球表面的逃逸速度約11.2km/s。也就是說(shuō)，在地球表面，只要達(dá)到每秒11.2公里的速度，就能夠逃離地球引力。而光速是每秒30萬(wàn)公里，是11.2公里約2.7萬(wàn)倍，地球這點(diǎn)引力對(duì)光來(lái)說(shuō)幾乎可以忽略不計(jì)。

太陽(yáng)質(zhì)量是地球的33萬(wàn)倍，表面逃逸速度為617km/s，對(duì)每秒30萬(wàn)公里的光也影響甚微，否則太陽(yáng)的光芒豈不就一直圍著太陽(yáng)轉(zhuǎn)圈了，怎么能夠來(lái)到地球呢？但太陽(yáng)引力畢竟比地球大多了，因此許多科學(xué)家在日全食時(shí)觀測(cè)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近的星光，發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)約1.66"，與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的計(jì)算基本吻合。

因此，手電筒射向天空的光會(huì)基本接近完全直線。在量子力學(xué)里面，可見(jiàn)光是由光量子組成，而光量子具有波粒二象性。光子的壽命沒(méi)有定論，但多數(shù)人認(rèn)為，壽命無(wú)限長(zhǎng)，那么這束電筒射出的光，理論上就會(huì)永遠(yuǎn)在宇宙中飄蕩。

事實(shí)果真如此嗎？非也。實(shí)際上，這束光射出去后，僅需幾秒鐘，就完全消散了，不見(jiàn)了。導(dǎo)致這束光消散的原因大致有三個(gè)：1、光子與其他粒子碰撞，發(fā)生相互作用改變了軌跡；2、電筒光的散射，光子被稀釋分散了；3、隨著距離拉遠(yuǎn)和宇宙膨脹效應(yīng)，光波逐漸被拉長(zhǎng)，成為不可見(jiàn)的電磁波。

下面我們就這三個(gè)方面原因討論一下：

光子遇到其他粒子會(huì)發(fā)生散射、衍射、吸收和轉(zhuǎn)化

理論上，光射出去后，即便你關(guān)閉了手電筒，這束光也會(huì)像射出的炮彈一樣，如果沒(méi)有任何阻擋的話，就會(huì)一直飛下去。炮彈因?yàn)樗俣群艿停诘厍蛏蠒?huì)被重力拉扯，還會(huì)被空氣阻力阻擋，因此其飛行軌跡是一個(gè)拋物線，飛不了多遠(yuǎn)就落下來(lái)。

但光子速度為每秒30萬(wàn)千米，地球引力幾乎可以忽略不計(jì)，因此會(huì)一直飛下去，除非遇到阻擋。事實(shí)上，光射出去后，一路上的確有許多障礙。在大氣層里，主要是大氣分子、塵埃的阻擋。

當(dāng)光子遇到各種物質(zhì)粒子時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、衍射、散射或吸收，一束光就會(huì)不斷衰減。

手電筒向天空射出的光，首先要經(jīng)過(guò)稠密的大氣層，地表大氣密度為1.293kg/m^3，每立方厘米含有大氣分子約2.6875*10^19個(gè)，也就是約17億億個(gè)，光子在這樣濃密的大氣中穿行，當(dāng)然會(huì)被吸收消減得很快。

當(dāng)遇到反射、折射、衍射時(shí)，光就改變了方向，自然就不會(huì)順著原定路線走了，這樣光就減弱了；當(dāng)光子撞擊到大氣分子或任何原子的電子時(shí)，能量就會(huì)被電子吸收，電子得到了額外的能量就會(huì)處于激發(fā)態(tài)，躍遷到更高能級(jí)，之后沒(méi)有更多的能量補(bǔ)充，又會(huì)躍遷回到原來(lái)的能級(jí)，同時(shí)釋放出一個(gè)光子。

但這個(gè)光子已經(jīng)不是原來(lái)的光子了，發(fā)射的方向也不是過(guò)去的線路了，因此我們就可以認(rèn)為這個(gè)過(guò)去的光子消散了。

即便到達(dá)太空，也不是絕對(duì)真空，也還有稀少的粒子存在，光子還會(huì)與這些粒子發(fā)生相互作用而轉(zhuǎn)化。由此，這束光最終會(huì)消失殆盡。

光子還會(huì)由于電筒光斑擴(kuò)散而被稀釋

手電筒雖然有聚光裝置，但聚光能力較弱，射出的光是不斷擴(kuò)散的，而且與距離成正比。不同的手電筒發(fā)光能量不一樣，聚光能力不一樣，我們以一個(gè)發(fā)光功率為10瓦，聚光射角為10°的手電筒為例來(lái)計(jì)算一下。

一個(gè)10瓦功率的燈泡，產(chǎn)生的能量為10J/s（焦耳/秒）。光子能量E=hc/λ，也就是等于普朗克常數(shù)乘以光速除以波長(zhǎng)。

可見(jiàn)光是電磁波譜里面一個(gè)很狹窄的波段，波長(zhǎng)約在380nm（納米）到760nm之間，我們?nèi)∫粋€(gè)平均值為570nm。根據(jù)光子能量公式計(jì)算，得到每個(gè)波長(zhǎng)為570nm的光子能量約為3.5*10^-19J。這樣這束手電筒射出的10J/秒能量的光，光子總量約為2.86*10^19個(gè)，就是28.6億億個(gè)光子。

手電筒射出的光以10度角不斷擴(kuò)散，光斑就會(huì)不斷擴(kuò)大，光子就會(huì)被稀釋。射出30米時(shí)光斑半徑約2.5米，3公里時(shí)光斑半徑就有250米；300公里時(shí)光斑半徑就有25公里；3000公里時(shí)光斑直徑就有250公里了。

這時(shí)，即便所有的光子都沒(méi)有衰減，每平方米還有多少光子呢？我們按圓面積公式計(jì)算一下，得知在距離手電筒3000公里時(shí)，光斑面積已經(jīng)有約196349540849平方米，每平方米光子數(shù)還有約1.46億個(gè)。如果人眼捕捉光斑面積為1厘米的話，那么每秒鐘就還有145個(gè)光子進(jìn)入視網(wǎng)膜，雖然已經(jīng)很微弱了，但還是能看到。

但在地球上，手電筒光走這么遠(yuǎn)是不可能的，稠密的空氣早就會(huì)將這束光衰減沒(méi)了，即便留下個(gè)別光子，人眼也很難感知到。

但即便在太空，這束光也傳播不了1秒鐘，因?yàn)楣馑偈?秒30萬(wàn)公里，在30萬(wàn)公里的地方，這束光的擴(kuò)散半徑就達(dá)到了25000公里了，光斑面積就有1963495408493621平方米，每平方米的光子數(shù)就只有14566個(gè)，1平方厘米的光子數(shù)就只有不到0.015個(gè)光子了。

實(shí)際上，在手電筒光傳播0.1秒，行程3萬(wàn)公里時(shí)，每秒能夠進(jìn)入人眼的光子只有不到1.5個(gè)了。對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)，一般要有6個(gè)光子才能感光，特別好的視力也需要3個(gè)光子，1.5個(gè)光子已經(jīng)看不到了。

普通光源本身性質(zhì)就是向四面八方發(fā)散的，人們給光源裝上一個(gè)聚光裝置，才能讓光向一個(gè)方向傳遞，手電筒光源一般都是普通光源，因此無(wú)法傳播更遠(yuǎn)。激光則是天生向一個(gè)方向傳播的光源，發(fā)散度很小，大約只有0.001弧度，因此就能夠射得更遠(yuǎn)。

上世紀(jì)登月時(shí)宇航員們?cè)谠虑蛏习仓昧藥讉€(gè)激光反射裝置，科學(xué)家們?cè)诘厍蛏蠈⒓す獍l(fā)射到這個(gè)反射裝置上，再接收反射回來(lái)的激光，根據(jù)發(fā)射和返回花去的時(shí)間，就能夠精準(zhǔn)測(cè)量出地球與月球的表面距離。

當(dāng)然，發(fā)射和接收裝置都必須采用望遠(yuǎn)鏡，依靠人眼是無(wú)法完成的。理論上，望遠(yuǎn)鏡的主鏡面積越大，聚焦得到的光子就越多，就能夠看得越遠(yuǎn)。這里就不展開(kāi)說(shuō)了。

光速遠(yuǎn)離和宇宙膨脹導(dǎo)致光波拉長(zhǎng)成不可見(jiàn)光

我們知道宇宙在膨脹，距離越遠(yuǎn)則膨脹越快，光速在遠(yuǎn)離我們以及宇宙膨脹過(guò)程中，波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)。所謂光的多普勒效應(yīng)，就是光源向著我們運(yùn)動(dòng)，就會(huì)被壓縮頻率和波長(zhǎng)，而與我們背道而馳時(shí)，就會(huì)降低頻率和拉伸波長(zhǎng)。

可見(jiàn)光是復(fù)合光，也就是由多種顏色組成的光，且可以通過(guò)棱鏡形成色散，波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短大約分成紅橙黃綠青藍(lán)紫等顏色，波長(zhǎng)拉長(zhǎng)就是往紅端移動(dòng)，波長(zhǎng)縮短就會(huì)向藍(lán)端移動(dòng)。

這樣，遠(yuǎn)離我們而去的光就會(huì)形成紅移，加上宇宙膨脹，這種紅移量就會(huì)越來(lái)越大，最后移出人眼能看到的760nm波長(zhǎng)范圍，成為紅外線或無(wú)線電波，紅外線以上波長(zhǎng)的電磁波，人眼是看不到的。

這也是人們制造望遠(yuǎn)鏡除了有光學(xué)結(jié)構(gòu)的，還有無(wú)線電、紅外、紫外和X射線、伽馬射線等不同電磁波波段的望遠(yuǎn)鏡，這樣觀測(cè)遠(yuǎn)方暗弱天體，就可以彌補(bǔ)人類眼睛感光的不足。

因此，電筒射出的光在宇宙中會(huì)很快消失，理論上雖然有部分光子可能永久存在，但人們要捕捉到它就很難了，在很遠(yuǎn)的地方，即便捕捉到一個(gè)光子，也難以分辨是從哪里來(lái)的，是什么物體發(fā)出的了。

但如果一個(gè)巨大的恒星或星系，由于其發(fā)出的光子量實(shí)在太大了，且其中包含能量很強(qiáng)的X射線、γ射線，因此即便距離我們100多億光年，也會(huì)被人類看到。不過(guò)不是僅憑肉眼，而是依靠各種大型精密的望遠(yuǎn)鏡，還需要利用宇宙中的引力透鏡，才能夠觀測(cè)到。

宇宙微波背景的光子，就是在宇宙大爆炸38萬(wàn)年后發(fā)出的，已經(jīng)走了138億年，雖然很微弱，還是被科學(xué)家們捕捉到，這說(shuō)明光子的壽命是超長(zhǎng)的。

就說(shuō)到這吧，歡迎討論，感謝閱讀。

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