太阳光是由太阳发射出的电磁波,分为可见光和不可见光。可见光是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫绚丽的七色光;不可见光是指肉眼看不到的,如紫外线、红外线等。
在自然界种以波形成传播有两种,一种是电磁波(阳光),一种是机械波(声)。这是两种本质不同的波。电磁波是由于快速变化的电流产生一种变化的磁场,因此电磁波伴随的电场方向,磁场方向,传播方向三者互相垂直,因此电磁波是横波,它可以在真空里传播。机械波由机械振动产生,机械波的传播需要特定的介质,在不同介质中的传播速度也不同,在真空中根本不能传播,机械波可以是横波和纵波,但电磁波只能是横波;机械波与电磁波的许多物理性质,如:折射、反射等是一致的,描述它们的物理量也是相同的。常见的机械波有:水波、声波、地震波。
我们知道,波速是波传播过程中速度,等于波长除于周期,因为f=1/f,因此c=λ·f。因为光的速度太快,我们很难感觉它存在。在回答太阳光能照射多远问题时,我们先看感受太阳光到达地球所用的时间。
太阳与地球之间的距离事实上满长的, 达一亿五千万公里. 每天看着太阳照耀着大地, 你是否会想到, 太阳所发出的光线,
需要在太空中旅行多久, 才会到达地球呢?光的速度大约为每秒30万公里,
因此我们可以利用国中所学会的运动学公式来计算出太阳光由太阳到地球所需要的时间。公式: T=S/V
因此我们得到15000000km/(300000km/s)=500秒=8分20秒。我们见到太阳光,已经是八分钟一起从太阳发出来的。
太阳光究竟能照射多远呢?一般人以为在宇宙中是真空,从理论上光的照射范围是能达到整个宇宙的,但是其实,这是一个极其荒谬的事情。
首先,按照现在科学普通观念,宇宙是无穷远的。但是太阳从诞生那一刻起到最终由于膨胀变成红巨星后熄灭也仅仅80亿年。在宇宙中的传播速度是光速,1年的时间只能传播1光年的距离,而太阳形成于大约46亿年前,这意味着太阳通过核聚变反应发出的光只在宇宙中传播了46亿光年,也就说太阳初期发出光,就是没有任何损失,也才刚刚到达了46亿光年的距离,一直到太阳光熄灭,太阳光也刚刚达到80亿年距离。当然,太阳光还继续在传播,不过此时太阳已经熄灭了。我们现在通过天文望远镜观察到某些恒星,就可能早已经不发光了。
光传播距离由介质决定,因为介质会吸收一部分的光.所以,可以传播多久或多远,只在于介质吸收的速度,例如:在水中,光很快被吸收,所以海底的生活一般见不到光。太阳光的传播会受到这些介质的影响,介质会将太阳光阻挡或散射出去,因而影响光的传播距离。介质越多,越密,太阳光传播就越短。很多人宇宙中是真空,其实宇宙中有大量的尘埃、星体、黑洞。这些都能够阻碍光在宇宙中的传播,至少让太阳光的强度慢慢减弱。有一个现象可以帮助大家理解这点,银河系中就存在许多浓密的气体云,最著名的是南十字座的煤袋星云。这一暗星云的存在遮挡了其后天体的光芒,于是在银河上留下了一片暗淡(其中还是有几颗恒星的,不过他们距离我们更近些)。因为太阳光在传播过程中也可能由于某些气体云或者大的星体挡住,至少在这个方向太阳光就戛然而止了。
1930年,瑞士天文学家特朗普勒首次发现了星际消光现象:
遥远天体(恒星、星系)发出的电磁波被星际弥漫物质(气体或尘埃)部分吸收、散射,造成光度减弱的现象。同样的原因也会导致星际红化现象:由于星际物质对不同波长的星光吸收、散射的程度不同,对长波散射小,对短波散射大,因此接受到的星光比没有散射吸收的星光要偏红。正是这种现象存在,只是一颗中等恒星的太阳,他发出的光的强度不是特别大,因此在传播一段距离以后会因为强度减弱观察不到了。即使它依然存在,由于观察不到,实际上此时太阳光可以从某种程度上已经不存在了。
有很多同学可能对这种宏观解释不服气,书上不是说光是一种电磁波,有波粒二象性。当然太阳光在宇宙中传播确实以光子形式进行的。下面我们从微观角度来看看太阳光传播距离。
首先光子从太阳内部核心发生热核反应的地方产生出来,光子产生后,用大约2秒钟的时间就通过了太阳内部的辐射层.但进入对流层后,速度就慢下来了(不是说光速变慢了,而是在对流层中,光子时刻都在改变运动方向).要通过这层对流层,平均要花费大约1000万年的时间.当光子到达太阳表面后,又是没有任何阻挡的宇宙空间,光子只需要8分钟多一点的时间,就可以到达地球了。
根据量子力学观点,光子的能量E=nhν,其中n是光子数量,相当于光强度;h是普郎克常量,ν是光频率。光子在宇宙中运动,肯定会遇到一些物体,完全不遇到任何物质概率是极地的。当光照到一个物体上的时候,是分很多中情况的,有光电效应、康普顿效应、电子对效应、光共振、光致核反应、维恩散射等等。其中,像光电效应这样的作用,光子直接把能量全部传递给介质原子核外电子,电子激发或电离,自身消失。这种情况,相当于是减少了n,光子数目减少了,光束的能量自然就减少了!而还有像康普顿效应一类的散射碰撞,光子把一部分能量传递给了核外电子,自身损失一部分能量后散射而出,频率降低,这种情况就是降低了ν。
因此,光子遵守一个自然界普通规律平方反比定律。平方反比定律是一个物理学定律,又称反平方定律、逆平方律、反平方律;如果任何一个物理定律中,某种物理量的分布或强度,会按照距离源的远近的平方反比而下降,那么这个定律就可以称为是一个平方反比定律。
构成太阳光的光子是光线中携带能量的粒子,一个光子能量的多少正比于光波的频率大小,频率越高,
能量越高。但是,光子在运动过程中过程能量取决于介质,根据这个逻辑光在太空中的传导距离问题就只剩下太空介质了。也就是说在太空环境中最后决定光能传多远的是介质而不是光源的能量。如果宇宙都是真空,那么就不会呈现出平方反比定律,光子会一直运动下去。
同时,太阳光作为波的属性,声波和电磁波的运动距离取决于动能与介质之响应比。响应越好传得越远,响应越差传得越近,甚至不能传导。
因此在太阳光的传导距离问题上,如果时空网友认为仅靠“光子在宇宙真空中,不被吸收,没有损耗,当然能传播很远”
就能一言以蔽之,恐怕难以服人。笔者以为,光不可能永远走下去,并肯定有终结距离。但是局于我们目前理论限制,也只能是一种猜想了。
2019年妇女节于宜昌夷陵吾同斋