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  • 你能用无限光线的反射镜把光传送到宇宙的边缘吗?

    网友:我是一名六年级的科学老师。目前我正在教授天文/太空探索单元。在课堂上,一个学生问了一个这样的问题:如果你在太空中建立了一个有无尽光线的反光镜,光是否可以贯穿整个宇宙被反射并以初始传播同等程度的光能回到地球上?

    你能用无限光线的反射镜把光传送到宇宙的边缘吗?

    回答:一组老师认为“可以”。光可以被持续地反射,并且以与初始传播的相同的能量水平被反射。这个过程之所以能够完成,是因为反射器会精确地反射出与初始射入光线光强等级一致的光线。这种捕获及反射原始光能的过程有可能会在外层空间穿越数百万光年的距离永远持续下去。

    你能用无限光线的反射镜把光传送到宇宙的边缘吗?

    另一组老师认为“不可以”。由于光线在传播时产生的膨胀圆锥体形状,导致没有反射器能“捕捉”所有的光线。因此,经过大量的反射和潜在的熵过程,最终传输的总的光能强度将减小。最后,虽然反射的光线得以穿越数百万光年,但是光线会消失在外层空间。

    你能用无限光线的反射镜把光传送到宇宙的边缘吗?

    这是个好问题!两组老师都给出了很好的观点。然而有几件事情需要考虑:

    1.虽然我们把日常用到的镜子看作是“完美的”反射器,但其实并不是:每一次反射就有一些光线被吸收,因而导致光的损失。光透过玻璃这样的透明材料也是如此:在这种情况下,射向玻璃的光线有一些实际上是被反射了而不是透射(我们都看到过玻璃窗户上微弱的反光, 这正是这种影响的证明)。由于利用普通镜子进行的每一次反射都会损失一些光线,因此我们不能将光“反射”到宇宙的边缘。

    你能用无限光线的反射镜把光传送到宇宙的边缘吗?

    但谁说我们必须用现实生活中的镜子?假设我们可以使用“完美”的镜子,这种镜子能反射射向它们的所有光。 同时,假设我们可以无限精确地将这些镜子放置在宇宙中的任何地方、宇宙中的其他物体(或者这些物体发出的光)不会污染我们的实验并且我们可以在每个阶段无限精确地测量我们发出光线中每个光子的能量。 现在,我们能像第一组老师们所想的那样无限地反射它吗?

    2. 第二组老师提出了一个很好的关于光进行运动时波前膨胀的观点:我们距离发光的光源越远时,我们就需要建造越大的表面来进行反射。事实证明,即便是像激光那样的高度准直的光束也是一样的:他们在太空中传播的时候也会发生“扩散”。因此,如果光在传播时发生扩散,你就需要不断地建造一个更大的理想化的镜子,那么你就不能无限地传播光,因为最终你必须建造出一个无限地镜子(这样的镜子哪怕在理想化的世界中,我们仍然会认为是不可能的)。

    你能用无限光线的反射镜把光传送到宇宙的边缘吗?

    但是如果我们利用理想的弧形镜子而非平面镜呢?我们可以使镜子弯曲,让他们具有足够的凹度来抵消光线从一面镜子向另一面镜子传播时发生的扩散。由于我们会经常“聚焦”光线来避免使用大镜子,因此镜子的尺寸永远都可以是有限的。所以我们也许可以无限地反射一个信号并且保留它所有的能量。

    3. 事实证明,在这个实验中,宇宙本身也必须被考虑在内,因为它正在膨胀!宇宙的膨胀导致宇宙中传播的光发生红移(即光的波长随着宇宙中的时空而膨胀,从而导致光的能量减少)。所以即使我们使光在宇宙中传播的时候能从理想弧面镜上弹开,我们也无法避免红移的影响。这就意味着,虽然我们能够保留我们所发射的光子的数量,我们无法保留他们的能量,能量使永远在减少的。

    你能用无限光线的反射镜把光传送到宇宙的边缘吗?

    综上考虑所有因素,我认为对于您学生提出的这个问题的合理答案如下:如果利用理想镜子并且至少弯曲其中的一部分镜子来抵消光束在传播时的扩散,你就能够无限制的反射每一个你发出的光子,那么当然就可以将光反射至宇宙边缘再返回。然而,每一个光子都会因为宇宙的膨胀而损失能量,因此你永远不能保留相同量的能量,能保留的仅仅是光子的数量。

    我希望这能解释这个问题!如果你还有任何其他问题,请写信给我。很高兴能够帮助老师们让学生们能对物理和天文有更好的了解。

    参考资料

    1.Wikipedia百科全书

    2.天文学名词

    3. Shilin-Christopher Springob- astro

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