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顺着手电筒的光柱往上爬,关掉开关后,人会掉下来吗?|张双南专栏

subtitle 果壳科学人11-15 07:48 跟贴 71 条

  作者:张双南,中科院高能所研究员

  编辑:婉珺

  相声大师侯宝林有一个著名的相声段子《醉酒》,讲的是两个人喝醉了互相吹牛,一个老兄挑衅:看,我的手电棒一摁电门,出来一个光柱,你不是厉害吗,你顺着我这柱子爬上去呀!另一位老兄说:你别来这一套,我能爬上去,可是我爬到半道,你一关电门我掉下来怎么办?

  相声《醉酒》的演员,相声大师侯宝林和郭全宝。

  其实这里面的科学问题是值得讨论一下子的。

  首先,能不能顺着手电棒的光柱爬上去?大家肯定回答不能。那为什么呢?

  光子虽然静止质量为零(所以不能静止),但是带有能量和动量,不管是被物体吸收还是反射,都会对物体产生压力。所以当光柱照到人身上的时候,是会产生一定的压力的,这个压力被称为“光压”。当然,手电筒的光压太小了,以至于我们感受不到,但如果换作是强激光那就不一样了。比如霍金的摄星计划就是想利用激光的光压给他的那些微型飞行器施加压力加速,最终达到极高的速度(比如光速的四分之一)。

  突破摄星计划官网发布的设计图。图片来源:breakthroughinitiatives.org

  如此说来,如果手电筒的光柱足够强,使得光压能够和那位老兄的重量平衡,同时他又穿着合适的衣服做好防护保证光压不至于伤害到自己的话,那他是有可能顺着光柱爬上去的。

  相声里涉及到的第二个问题是:电门关掉,往上爬的那位老兄会不会掉下来?

  当然会,但是不会立刻掉下来。比如,如果他已经爬到了离地面30万千米的高度(就是一个假设啊,不要问我他怎么爬了那么高),那就要等电门关闭一秒钟之后他才会掉下来。这是因为电门关了之后,光源最后发出的光需要一秒钟才能到达那位老兄所在的位置(光速是每秒30万千米),在这段时间之中这一高度的光压是持续存在的。然而当一秒钟结束后光压就会消失,这位老兄也就会掉下来了——看来拒绝爬光柱是正确的选择!

  同样的道理,如果一个离我们13亿光年(光年是距离单位,是光在一年跑过的距离)远的天体毁灭了,那我们要等13亿年才能感觉到,因为它在毁灭之前那一瞬间发出的光会继续传播,经过13亿年才到达我们这里。光是如此,任何辐射、信息和信号的传播也是如此,离开产生的源之后,和源就不再有关系,也不会因为源毁灭而灭掉。当然,在传播的过程中这些信号有可能被吸收掉,甚至通过各种过程转换成为其他形式的物质或者能量,这就是另外的问题了。

  我之所以专门提到“13亿光年”,是因为2016年2月11日美国的LIGO项目宣布的人类第一次直接探测到的引力波事件中,两个产生这一引力波信号的黑洞距离地球就是13亿光年远,而LIGO探测到的引力波信号就是经过13亿年的旅行之后到达地球的。这个引力波信号产生的过程只持续了不到一秒钟,当两个黑洞并合成一个黑洞之后就不再产生引力波,也就相当于产生引力波的源毁灭了。

  电脑模拟的黑洞相互旋转产生引力波示意图。图片来源:Ligo.org

  其实,大部分情况下,当天文学家观测到的远处天体的信号时,那个产生信号的天体源已经毁灭(比如超新星爆发和伽马射线暴),或者不再产生这种信号(比如恒星变成白矮星了),又或者产生的信号已经改变了(比如当天体的温度产生了变化,其辐射也会变化)。所以,虽然宇宙大爆炸早就发生了(大约137亿年之前),但是我们今天仍然可以接收到大爆炸发生不久之后就产生的信号——这就是宇宙微波背景辐射

  可以说,天文学家永远是在进行宇宙考古。

  由于光的传播速度是有限的(也就是光速,光速是常数,不会改变),当一个天体发出信号后,需要一定的时间才能到达地球,所以天文学家们能“看”到的天体中,离我们越远的,其信号也就越古老。因此,原则上我们没有办法“知道”远处宇宙“现在”的情况,但是我们可以建立宇宙演化的模型,通过观测和理论计算检验模型的正确性,然后使用模型推测远处宇宙“现在”的情况。

  但是有两种情况可能是例外,一种是量子纠缠,另一种就是虫洞

  假如宇宙远处的天体产生了处于纠缠态的光子,一部分留在那个天体附近(比如被囚禁在弯曲的时空里面),一部分逃出来到达了地球,那么当我们测量到到达地球的光子时、知道了这些光子的状态,同时有理论告诉我们这个纠缠态的性质,那么原则上我们就知道了远处天体附近的光子的状态,从而知道那里“现在”的情况——仿佛发生了时空穿越;如果宇宙中真的存在虫洞,那么通过虫洞也可以“瞬时”知道远处宇宙“现在”的情况。

  实际上,有些学者推测,虫洞和量子纠缠本质上就是一回事,只不过这仍然是科学假说,尚未被证实。

  最后提一下,量子纠缠和虫洞的概念最早都源于爱因斯坦

  作者名片

  排版:晓岚

  题图来源:123rf.com.cn正版图库

  科学人问答

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