為什麼恆星(發出的光)無論多麼遠都能被看見?
???就像某些回答,問題大概一開始就是錯的,改成一個可被觀測的恆星,距離足夠遠然後它熄滅了隨後閃爍一下,可否在任意不熄滅時能觀測的地方觀測到這次閃爍。這樣大概好一點……總之多謝指正。
答案都認真看了,很大部分認為空隙存在,存在盲點,如果恆星閃爍只發射了一波光子,無法構成積累,那麼如果距離足夠遠總有照不到的地方,可是這樣的話就不明白為什麼光既是粒子又是波了,因為如果是波,像水面的波紋的話應該是同時由可被監測到無法監測,如果是粒子才會出現同樣遠的地方出現不同結果。總之現實里觀測不到的星星肯定存在了,而且如答主說的深空望遠鏡一個個接受光子用於積累,那麼就是說光子以光速在宇宙中瀰漫開來然後以粒子的形式進入深空望遠鏡嘍。請原諒我這個不學無術的學渣吧(?????????)&>&>&> 我覺得題主意思是這樣的:
恆星輻射功率是有限的,那麼距離恆星越遠,單位面積接收到的輻射功率就越小。如果認為恆星發出的光是一堆光子,那麼恆星每個瞬間發出的光就是一個由分散的光子組成的球殼,就像一個由很多沙粒組成的球殼,球殼半徑以光速增長,但是「沙粒」數量不變。那麼這個球殼上一定存在空隙,使得當觀察者距離恆星足夠遠的時候(球殼半徑足夠大的時候)某些角度是不能夠接收到光子的。也就是說,這些角度是「看不到」恆星的。題主的問題是,這樣的情況存在嗎?——————分割線(原描述)——————
我們假設恆星閃爍了一下就熄滅了,把恆星發的光比喻成一個恆星大小的氣泡,這個氣泡會以光速擴大,為何無論擴大多遠都能在不同位置看到,而不會像氣泡一樣破裂,就像是面積為1密度為1擴大成了面積為10000密度缺沒有變,不知道自己說明白沒有就像一個沙子做成的球,然後爆炸了,沙子向四面八方飛射,距離變遠,沙子撞到牆上,它們之間是有間隔的,那些沙子碰不到的地方就是盲區,為什麼光沒有這個盲區
謝邀。
這是一個有趣的想法,和牛頓的光微粒假說是一致的,可惜錯了。光不是微粒,不是質點,傳播方式不是直線傳播,不會形成你提到的「空隙」。
其實波粒二象性,不足以解釋你的問題。下面的例子表明,粒子的量子力學特性,不能簡單的理解為波粒二象性。考慮這樣一種情形,光源每秒只發射一個光子,問在下一個光子產生之前,各地的觀察者看到什麼?
- 一種回答是,以光源為球心,等半徑的每個觀察者同時看到光源。如圖,
- 也有回答,以光源為球心,在以球心為起點的射線上的觀察者們逐次看到光源。如圖,
- 還有回答,當某個觀察者看到光源的時刻,其它觀察者看到黑暗。
- 更有甚者回答,在某個觀察者看到光源以後,它將成為新的光源。
你能猜到:1、2是錯的,3、4是對的,雖然不可思議。
why?
下面我們講,光子及微觀粒子獨特的運動方式——量子力學(暫不論相對論性量子力學)。
其一,三維空間中,自由粒子的波函數是平面波,而非球面波,因為自由粒子的動量、能量守恆。更準確的說,是平面波的集合。這樣等半徑上的觀察者們測量光子的機會不是等概率的。
其二,觀察者接收光子後,即相當於對光子做了一次測量,光子瞬間隨機的選擇它的動量、能量,換句話說,平面波的方向、頻率都發生變化。
短時間的話確實有可能。時間足夠長的話,總有能看到的光子。
比如哈勃超深空,這張照片上是許多100多億光年以外的星系。
根據維基百科的說法:「照片中最暗的星體只有 30 等,望遠鏡每分鐘只接收到一粒來自星體的光子。」
硬算一下比較有說服力:
太陽的輻射功率是,峰值波長大約502nm。
單個光子的能量是
也就是說,太陽每秒輻射出的光子大約是個的量級。
在100億光年遠處,單位面積上多久能接收到一個來自太陽的光子呢?
以100億光年為半徑的球殼面積大約是。
也就是說,不考慮途中的損耗,100億光年遠處,每平方米的面積上大約每秒就能接收到一個來自太陽的光子了。
秒也就是三年多時間,還好,不算很長吧?~~~~~~~~~~~~~~~~問題已修改,別看我的答案了吧~~~~~~~~~~~~~~~~~
我覺得吧,如果你看不見恆星,就不知道那兒有你沒看見的恆星啊(倖存者偏差?)
很多回答都是答非所問,其實這是題主在試圖理解波粒二向性時產生的矛盾。只要把光看作粒子,這個問題很容易解答,但當把光看成電磁波時,矛盾就突顯出來了。光子作為一種粒子只朝一個方向傳播,但光作為電磁波同時向四面八方傳播。所以,這個實際上可做如下表述:
光是電磁波,無線電波也是電磁波。 光有光子,無線電波是不是也應該有「無線電波子」?
無線電波是向四面八方傳播的,在傳播了一段足夠長的距離之後,會不會像潑出去的水一樣,開始連成一片,後來就分散為一個一個離散的水珠?
無線電波通過震蕩的電場發射,發射功率取決於電場的振幅,如果我們保持振蕩頻率,減小振幅,當發射功率小到在1秒鐘發射的能量恰好等於該頻率無線電波一個能量子(無線電波子)的能量時,無線電波仍然能夠同時向四面八方傳播嗎?
繼續減小電場的振幅,讓發射功率減小到在1分鐘發射的能量恰好等於頻率無線電波一個能量子(無線電波子)的能量時,情況又是怎樣的?
不問為什麼就問是不是都是耍流氓,呃不對,講反了不問是不是就問為什麼都是耍流氓。
來來題主你百度一下銀河系內有多少顆恆星然後再想想你晚上能看到多少顆,你就懂了
被輪子哥 @vczh 帶逛到這個問題,作為學了6年光學在美國光學協會的OE/AO發表過論文的前光學從業者,必須好好科普一下這個問題
PS 早已離開光學行業,如有筆誤請諒解
先指出題主的錯誤,其他答主也提到了,題主忽視了光的波粒二象性。把光簡單地當做「沙子」是錯誤的,因為光是電磁波,傳輸過程中也要遵守電磁波的物理規律。即便光傳播到很遠的地方,也不存在題主所說的「縫隙」,最多是光速、頻率或波長的改變,如紅移、微波背景輻射……。
也就是說,題主所假設的「沙子」同時也得是波,既在這裡,也在那裡。就像這樣
光與物質的作用
雖然光具有波粒二象性,但是光與物質的作用卻不是連續的,而是以光子為單位的。普朗克在黑體輻射的研究中發現,物質與輻射的作用是一份一份不連續的,每一份能量的單位是hv。你看到的光,至少是一個光子,不能是半個。
為什麼能看到遙遠的恆星?
現在對於光的接收,大多採用光電轉換器件,如CCD。能不能看到物體,取決於接收的光子是否達到了光敏器件的臨界值。如果光子數量不夠,光敏器件不會有任何反應。
對於宇宙中的恆星,即使再遠,只要能夠接收到足夠多的光子,都可以看見,如果光子很少,即使離的很近也看不到。好比,肉眼能看到距離220萬光年的仙女座,卻看不到距離4.2光年的比鄰星。
天文望遠鏡,恰好可以幫助我們收集更多的光子,大的放大率、大的口徑、長時間的曝光,都可以有效增加接收的光子數目。一旦光子數目累積到一定程度,就可以看到恆星。
當然,在天文研究中,「看」不僅是看光,還有其他波段的電磁波。
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光是什麼?
光本質上是一種電磁波。與生活中常見的其他電磁波的區別僅僅是波長的不同。
光的波粒二象性是什麼?
光既具有粒子性,也具有波動性。在某些時候表現出明顯的粒子性,某些時候表現出明顯的波動性。
光的粒子性
①光電效應:照射到金屬表面的光,能使金屬中的電子從表面逸出。這個現象稱為光電效應,這種電子稱為光電子。當光的頻率超過金屬的極限頻率時,無論光的強弱都能產生光電效應。在實驗中,光電子的射出方向與光照方向無關,無法用波動性解釋,證實了光的粒子性。
②康普頓效應
康普頓在研究x射線通過實物物質發生散射的實驗時,發現了一個新的現象,即散射光中除了有原波長λ0的x光外,還產生了波長λ&>λ0 的x光,其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現象無法用波動性解釋,而用粒子碰撞卻得到圓滿的解釋。
光的波動性
①干涉:
托馬斯·楊干涉實驗用兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加,在某些區域始終加強,在另一些區域則始終削弱,形成穩定的強弱分布的現象,證實了光具有波動性。
②衍射:
當單色光照射在寬度小於或等於光源波長的小圓板或圓珠時,會在之後的光屏上出現環狀的互為同心圓的衍射條紋,並且在所有同心圓的圓心處會出現一個極小的亮斑,這個亮斑就被稱為泊松亮斑。
如何理解波粒二象性?
光既體現出粒子性,也體現出波動性,那麼如何去理解呢?
電磁波的能量公式為
E = hv
其中,E表示能量,h為普朗克常量(h=6.6260755(40)×10^-34J·s),v為電磁波的頻率。
根據愛因斯坦提出的質能方程可以得到
E = mc^2 = pc
其中,p為光子的動量,c為光速。
對於光來說
pc=hv
c=vλ
其中,λ為光的波長。
可以得出,光子的動量p與波長λ的關係為
p = h /λ
1924年,德布羅意提出一切物質都具有波粒二象性,後來的電子衍射實驗證明了電子也具有波粒二象性。德布羅意對上述動量與波長的關係進行了推廣,得出德布羅意公式
λ = h / (mv)
其中,m為質量,v為運動速度。
從公式可以看出,質量小的物體德布羅意波長較大,而質量大的物體德布羅意波長較小,也就是說,具體是體現出粒子性多一些還是波動性多一些要看質量和速度。微觀粒子的質量很小,更容易體現出波動性,而光靜止質量為0更能體現出波動性。對於生活中的物體,德布羅意波長一般較小,很難體現出波動性讓人看到,所以完全可以不考慮波動性。
基於上述公式,我們可以做一下計算:
假設一個體重60Kg的人以1m/s的速度運動,他的德布羅意波長為1.1043459×10^-35m。
假設一個質量為50g的子彈以800m/s的速度運動,它的德布羅意波長為1.6565189x10^-35m。
假設質量為9.10938215(45)×10?31Kg的電子以光速運動,可以算出德布羅意波長約為2.424634x10^-12m,大約是0.002424634nm。
波在通過與其波長相近甚至更小的障礙物時才會衍射,所以電子能做衍射實驗,而人類不能。
如果人類要把自己衍射出去,需要的速度是多少呢?
衍射1m的障礙物,假設用1m的波長,速度約為1.1043459x10^-35m/s,你看,根本做不到啊。所以人類只能撞在上面,而不是「穿」過去。
首先看見是不是指人眼看見?如果是的話,問題的假設是不成立的,宇宙膨脹造成紅移,某處恆星的輻射光子到達地球時波長不知道拉到哪去了。
好,紅外感測,接受到光子就算?假設也是不成立的,首先所謂看到應該等同於成像,依賴於光子堆積,另外還有背景輻射的問題,並不是所有波長的光子都有成像的能力。
回答波粒二象性的解釋等於沒回答,波粒二象性的真實原因現在還無解。
假設你在遙遠的星空外(理想的狀況,中間沒有阻礙,比如100億光年)用打火機點了一根煙,那麼距離100億光年遠的某點上測量到打火機發出的光子的概率確實存在,只是極其低……如果測量的夠久(久到地老天荒),還是會有的(僅限宇宙不膨脹的情況)。同理,如果打火機一直點燃,概率也會增加。
宇宙微波背景輻射就是如此,只不過光源夠強,持續時間夠長,目前還能在任意地點測量的到(雖然因為宇宙膨脹,已經衰減到了2.725K微波頻段),你電視機上的雪花就是它。其實如果宇宙不膨脹,你呆在一個地方不動,遲早你會觀測到所有的光子(任然是假設沒有阻礙或者說沒有被吸收,而且它沒被黑洞吞噬)。但是目前看來宇宙是膨脹的,所以能被你觀測到的只有
1夠強2夠近3夠長時間(無論是發出還是觀測)4夠走運(碰巧)。
換句話說,一切都是概率。
你躲被窩裡就看不見了
這是個很好的關於波粒二象性的思考。我把問題抽象出來,去掉了恆星啊宇宙啊這些容易引起爭議的說法。
題主的問題簡化版:
假設有一個點光源,在距離點光源同樣距離的球面上開一系列小孔,如果距離足夠遠的話,會不會在某些小孔後面探測不到光子?
答案是這樣的:
可以把點光源做成單光子源,一次發射一個光子(現在技術是可以實現的)。如果光源只發射了一個光子,那最多只有一個小孔能看到光子。如果光源發射了足夠多的光子,那麼所有小孔後面探測到的光子數是一致的,不存在有小孔探測不到光子的現象。
把光用粒子化解釋是沒有問題的,所以題主把光源比喻成發射沙粒(光子)是可以的。但問題是光子發射出來之後並不知道光子的具體位置在哪裡,以及會打到哪個小孔上。在探測前,光子穿過所有小孔的幾率是一樣的。只有在探測時才知道具體某個光子會穿過哪個小孔。所以只發射單個或者少量光子,當然會有小孔看不到光子。如果發射了足夠多的光子,每個小孔都會有光子穿過並且光子計數趨向於一致。
不過我們也有看不見的星星的光,在極度遙遠的星光還有沒傳到地球的,不然我們的夜晚不會是黑色的,如果能傳入所有光,那夜晚星空應該是一片火海才對啊。
問題修改的很複雜,前面的回答已經從各種方面講了。按題問的意思,如果是某一瞬間的話肯定是存在接受不到光子的黑區的。
按粒子性來想很容易理解。
按波的特性講,雖然是連續的,但是距離足夠遠的情況下,觀察球殼單位面積上的能量實在太小了必然要考慮能量的最小單位(能量子),能量子不能「均勻分部」在觀察球殼上了。要是「看到」的定義是某一位置存在光子,如果球殼上每一處都有探測器,那麼必然在任何瞬間,都會存在部分探測器無法探測到光子的情況。要是「看到」可以有一個積累過程,那麼時間足夠長,任何位置都能看到。當然就像最好票計算的那樣,距離實在遠的情況下,平均三年才有一個廣義,那麼在兩個光子之間的漫長時間裡,星星閃爍多少次都「看不到」。
拿光的波動理論去解釋的都是在迴避問題。這樣提問就是要讓我們從粒子的角度去答,那我們就來一粒到底。
恆星單位時間內向四周發射出一定數量的光子,但記住光子不是經典的粒子,是要遵循不確性原理的,如果在很遠的距離用一面牆來接收這些光子,那麼從原則上是無法預測某個光子會打在哪一個點上的,我們只能預測,對於牆上的任何一點,它接收到管光子的概率是多少。而用人眼去觀察恆星時,我們所感覺到的亮度,取決於單位時間進入我們眼睛的光子數目。即使可能由於概率問題,某段時間沒有光子進入眼睛,但這段時間可能只有1納秒,皮秒,飛秒(這取決於我們與恆星的距離),這樣短暫的時間我們是無法察覺到的。
波粒二象性。
波粒二象性指的是微觀粒子顯示出的波動性與粒子性。波動所具有的波長與頻率意味著它在空間方面與時間方面都具有延伸性。而粒子總是可以被觀測到其在某時間與某空間的明確位置與動量。
沒有啊…遠到看不見的這不還沒看見嘛
因為除了能看到的恆星,就是看不到的恆星啊,你看到的並不是全部
看了原題沙球殼的類比和疑問後我只想說,不管是輻射量還是粒子,考慮時間後都是等價的。因為沙球殼是持續的,而且每個單位時間的殼中沙粒的位置是不同的。所以說考慮時間就沒有題中的疑問。這不需要什麼專業知識,在你的空間想像圖景完成後,別忘記按下播放鍵。
先問是不是再問為什麼
我們看到的星空是有限的,其中絕大部分是銀河系的一角。有些遙遠的地方,我們永遠看不見。
人類目前為止看不到銀河系外的單個恆星,用望遠鏡也看不到。
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