手电筒射出的光子有多少能飞多远会因地球引力而拐弯吗？.docx

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1、手电筒射出的光子有多少，能飞多远，会因地球引力而拐弯吗？本文基于回答网友类似的问题，见截图: 一个人硼球上拿着手电筒照向前方没有遮鼬的情况E 士会怎么射出?一个人在地球上拿着手电筒照向前方,假设没有鳄物，由于螭的引力原因,光线是卿流转还是切线射出？还是曲线射出?简单回答：光会以无限接近直线的方式射出。光线会受到引力拉扯而弯曲，但引力源必须非常巨大，地球的引力太小了,对每秒约30万千米的光来说基本可以忽略不计。这是因为地球引力对光来说太小了万有引力对一切带有电磁作用力的物质都起作用，光是电磁作用力范畴，而且光子是电磁辐射的媒介，当然也受到引力影响了。而且光子虽然没有静质量,却有动质量，引力是质量

2、对时空扭曲导致的现象，因此光受到引力所用就顺理成章了。爱因斯坦广义相对论认为，任何有质量的物体，都会扭曲周边时空，小质量小扭曲，大质量大扭曲，由于物体的运动，形成的时空曲率方式多种多样，但总体上就像在自身周围形成一个漩涡或陷阱，任何物体经过这个漩涡或陷阱就会受到影响。越大的天体形成的曲率越大，漩涡或陷阱就越深越强烈，接近的小天体就有掉落到这个陷阱或漩涡的趋势，如果速度不快，就会掉入深渊，表现出来就是被引力拉拽，最终掉落到大天体上。前面提到的速度，是指速度越快的物体,逃脱引力漩涡或陷阱的概率就越大,逃出一个天体引力陷阱的速度叫逃逸速度。计算逃逸速度的公式表达为：v=V(2GM/R ),这里的v就

3、是逃逸速度,G为引力常量,M为天体质量，R为逃离物体与天体质心距离。-f -7 $Tdn2C5I8 ：一日矮星 Stein2051 B哈勃望远镜Weltraumteleskop HubUe地球质量约6*10八24kg ,半径约6371km ,根据公式我们可以计算出,地球表面的逃逸速度约11.2km/s。也就是说，在地球表面，只要达到每秒11.2公里的速度，就能够逃离地球引力。而光速是每秒30万公里，是11.2公里约2.7万倍，地球这点引力对光来说几乎可以忽略不计。太阳质量是地球的33万倍,表面逃逸速度为617km/s ,对每秒30万公里的光也影响甚微，否则太阳的光芒岂不就一直围着太阳转圈了，怎

4、么能够来到地球呢？但太阳引力毕竟比地球大多了，因此许多科学家在日全食时观测经过太阳附近的星光，发现偏转约1.66 z与爱因斯坦广义相对论的计算基本吻合。因此，手电筒射向天空的光会基本接近完全直线。在量子力学里面，可见光是由光量子组成，而光量子具有波粒二象性。光子的寿命没有定论，但多数人认为，寿命无限长，那么这束电筒射出的光，理论上就会永远在宇宙中飘荡。事实果真如此吗？非也。实际上，这束光射出去后，仅需几秒钟，就完全消散了，不见了。导致这束光消散的原因大致有三个：L光子与其他粒子碰撞，发生相互作用改变了轨迹；2、电筒光的散射，光子被稀释分散了 ； 3、随着距离拉远和宇宙膨胀效应，光波逐渐被拉长，

5、成为不可见的电彳下面我们就这三个方面原因讨论一下：光子遇到其他粒子会发生散射、衍射、吸收和转化理论上，光射出去后，即便你关闭了手电筒，这束光也会像射出的炮弹一样，如果没有任何阻挡的话，就会一直飞下去。炮弹因为速度很低，在地球上会被重力拉扯，还会被空气阻力阻挡，因此其飞行轨迹是一个抛物线，飞不了多远就落F来。但光子速度为每秒30万千米，地球引力几乎可以忽略不计，因此会一直飞下去，除非遇到阻挡。事实上，光射出去后，一路上的确有许多障碍。在大气层里，主要是大气分子、尘埃的阻挡。当光子遇到各种物质粒子时，就会发生反射、衍射、散射或吸收，一束光就会不断衰减。手电筒向天空射出的光，首先要经过稠密的大气层，

6、地表大气密度为L293kg/m八3每立方厘米含有大气分子约2.6875*10八19个也就是约17亿亿个,光子在这样浓密的大气中穿行，当然会被吸收消减得很快。当遇到反射、折射、衍射时，光就改变了方向，自然就不会顺着原定路线走了，这样光就减弱了 ；当光子撞击到大气分子或任何原子的电子时，能量就会被电子吸收，电子得到了额外的能量就会处于激发态，跃迁到更高能级，之后没有更多的能量补充，又会跃迁回到原来的能级，同时释放出一个光子。我们就可以认为这个过去的光子消散了。即便到达太空，也不是绝对真空，也还有稀少的粒子存在，光子还会与这些粒子发生相互作用而转化。由此，这束光最终会消失殆尽。光子还会由于电筒光斑扩

7、散而被稀释手电筒虽然有聚光装置，但聚光能力较弱，射出的光是不断扩散的，而且与距离成正比。不同的手电筒发光能量不一样，聚光能力不一样，我们以一个发光功率为10瓦,聚光射角为10。的手电筒为例来计算一下。LED光源光斑白炽灯光源光斑一个10瓦功率的灯泡,产生的能量为10J/S （焦耳/秒）。光子能量E=hc/人，也就是等于普朗克常数乘以光速除以波长。可见光是电磁波谱里面一个很狭窄的波段,波长约在380nm （纳米）到760nm之间，我们取一个平均值为570nmo根据光子能量公式计算，得到每个波长为570nm的光子能量约为3.5*10八-19J。这样这束手电筒射出的10J/秒能量的光,光子总量约为2

8、.86*10人19个，就是28.6亿亿个光子。手电筒射出的光以10度角不断扩散洸斑就会不断扩大洸子就会被稀释。射出30米时光斑半径约2.5米，3公里时光斑半径就有250米；300公里时光斑半径就有25公里；3000公里时光斑直径就有250公里了。这时，即便所有的光子都没有衰减，每平方米还有多少光子呢？我们按圆面积公式计算一下,得知在距离手电筒3000公里时,光斑面积已经有约196349540849平方米，每平方米光子数还有约1.46亿个。如果人眼捕捉光斑面积为1厘米的话，那么每秒钟就还有145个光子进入视网膜，虽然已经很微弱了，但还是能看到。但在地球上，手电筒光走这么远是不可能的，稠密的空气早

9、就会将这束光衰减没了，即便留下个别光子，人眼也很难感知到。但即便在太空，这束光也传播不了 1秒钟，因为光速是1秒30万公里，在30万公里的地方,这束光的扩散半径就达到了 25000公里了 ,光斑面积就有1963495408493621平方米，每平方米的光子数就只有14566个，1平方厘米的光子数就只有不到0.015个光子了。实际上，在手电筒光传播0.1秒，行程3万公里时，每秒能够进入人眼的光子只有不到1.5个了。对于人眼来说,一般要有6个光子才能感光，特别好的视力也需要3个光子，1.5个光子已经看不到了。普通光源本身性质就是向四面八方发散的，人们给光源装上一个聚光装置,才能让光向一个方向传递，

10、手电筒光源一般都是普通光源，因此无法传播更远。激光则是天生向一个方向传播的光源，发散度很小，大约只有0.001弧度，因此就能够射得更远。上世纪登月时宇航员们在月球上安置了几个激光反射装置，科学家们在地球上将激光发射到这个反射装置上，再接收反射回来的激光，根据发射和返回花去的时间，就能够精准测量出地球与月球的表面距离。当然，发射和接收装置都必须采用望远镜依靠人眼是无法完成的。理论上,望远镜的主镜面积越大，聚焦得到的光子就越多，就能够看得越远。这里就不/开说了。光速远离和宇宙膨胀导致光波拉长成不可见光我们知道宇宙在膨胀，距离越远则膨胀越快，光速在远离我们以及宇宙膨胀过程中，波长会发生多普勒效应。所

11、谓光的多普勒效应，就是光源向着我们运动，就会被压缩频率和波长，而与我们背道而驰时，就会降低频率和拉伸波长。可见光是复合光，也就是由多种颜色组成的光，且可以通过棱镜形成色散,波长从长到短大约分成红橙黄绿青蓝紫等颜色，波长拉长就是往红端移动，波长缩短就会向蓝端移动。这样，远离我们而去的光就会形成红移，加上宇宙膨胀，这种红移量就会越来越大,最后移出人眼能看到的760nm波长范围,成为红外线或无线电波,红外线以上波长的电磁波，人眼是看不到的。这也是人们制造望远镜除了有光学结构的，还有无线电、红外、紫外和X射线、伽马射线等不同电磁波波段的望远镜，这样观测远方暗弱天体，就可以弥补人类眼睛感光的不足。因此，

12、电筒射出的光在宇宙中会很快消失，理论上虽然有部分光子可能永久存在，但人们要捕捉到它就很难了，在很远的地方，即便捕捉到一个光子，也难以分辨是从哪里来的，是什么物体发出的了。恒星相背地球运动使波长拉伸暗色吸收线移16）光南图红诫怕星相背于地球运动的红居但如果一个巨大的恒星或星系，由于其发出的光子量实在太大了，目其中包含能量很强的X射线、丫射线，因此即便距离我们100多亿光年，也会被人类看到。不过不是仅凭肉眼，而是依靠各种大型精密的望远镜，还需要利用宇宙中的引力透镜，才能够观测到。宇宙微波背景的光子，就是在宇宙大爆炸38万年后发出的，已经走了 138亿年，虽然很微弱，还是被科学家们捕捉到，这说明光子的寿命是超长的。