光子,在不遭逢物质的吸收行为时,似乎能够跨越无限的时间与空间,正如我们所见,太阳的光芒横越1.5亿公里的宇宙空间,洒向地球,为万物披上光的外衣。
然而,光子的命运究竟会如何?设想你此刻身处远离地球4000光年之外的星球,借助一台极其精密的望远镜,你或许能够目睹地球上夏商周三代的繁荣景象。
光若不受物质的吸收,是否会永无止境地行进?这关乎宇宙尺度的边界问题。
假设宇宙的最远边界位于100亿光年之外,携带着“我正在打字”的信息的光子,从地球出发,穿越星河,向整个宇宙扩散。那么在100亿年之后,这些光子将抵达宇宙的尽头。如果那里居住着生命,它们在100亿年之后才能目睹你我此时此刻的所作所为。
实际上,基于哈勃望远镜的观察和宇宙微波背景辐射等科学理论,我们得知:宇宙并不是一成不变的。它如同被吹胀的气球,不断膨胀,并且远离我们的速度与距离成正比。
我们可以观测到的宇宙直径约为930亿光年,而在这个可观测宇宙之外,还存在着更多的宇宙空间。只是由于它们所在空间的膨胀速度超越了光速,那些星球正以超光速离我们远去,信息无法传递过来。
这意味着,即便地球的信息光子没有被途中的物质吸收,也永远无法追上那些超光速远离的星球。携带信息的光子,将在宇宙中永恒地飘荡,成为永恒的记忆。
那么,当光源明亮时,房间亮起,光源熄灭后,房间陷入黑暗,那些光子究竟去了哪里?
让我们来做一个思维实验:假设你掌握着一个远程控制开关,可以操控一个封闭房间内的光源。
按下开关,光源立即释放出光子,房间内灯火通明(尽管你无法看到)。
松开开关,房间瞬间陷入黑暗(你同样无法目睹)。
尽管你没有亲眼目睹,但你对这个过程的认同是理所当然的,因为每天的日落都让我们体验着同样的过程。然而,接下来我要告诉你,你的直觉或许是错误的,原因有几点:
首先,当电源开启,房间对你来说未必明亮,这取决于光源释放的是何种光。例如,如果释放的是紫外线,即便你身处房间内,你也会觉得一片漆黑,因为你无法看到紫外线,只能看到可见光。但对能感知紫外线的蜜蜂来说,房间却灯火通明。
其次,即使释放的是可见光,光源关闭之后,房间也不一定会陷入黑暗(从理论上讲)。如果房间内的物质无法完全吸收这些可见光,那些未被吸收的光便会在物质间不断反射。
第三,理解前两点后,你应当明白,光源开启时,房间是亮是暗,取决于此刻存在于房间的光子是否能够被你的视网膜感光细胞吸收,并传递给大脑。
第四,如果你在房间内,意味着一旦光源关闭,房间必会陷入黑暗,因为你仅能感知可见光。一旦可见光消失,房间便是漆黑一片。而你的眼球本身是一个吸收体,光速每秒达3亿米。哪怕光子需要在房间内经过3亿米的距离才能进入你的视线,一旦光源关闭1秒,你便会吸收所有可见光,使房间迅速变暗。这自然是夸张的说法,光子在房间内的反射不会真的达到3亿米,但足以在你感觉上产生瞬间的黑暗。
因此,光源关闭后,房间变暗的原因是,光源释放的一部分光子被物质吸收(包括衣物、皮肤等),一部分你无法看见(例如红外线等可见光以外的波段),还有一部分被你的眼球所吸收。
那么,光子是否有可能永远留在房间内呢?
答案是,这不可能。假设存在百分百的完美反射物质,你用它来制作房间的四壁、地面、天花板,并且确保其完全密封,光子理论上能够永存其中。然而,这种物质并不存在。
即使真的存在这样的物质,你也无法判断房间是否永远亮着,因为要进行判断,你需要观察,而观察意味着你的眼球要接收那些“原本可能永远反射或留在房间内的光子”,一旦你看过去,它们就会立刻被你的“眼睛”吸收,房间再次陷入黑暗。
那么,用这种百分百反射材料制成的机器人能否进入房间进行检测呢?实际上,这与人眼无异。你想获取房间内是否有光子存在的信息,就必须用到光学仪器来接收光子。
这种检测行为会导致光子的消失,与光子可能的永存相矛盾,因此这样的实验无法实施。但基于光子的性质,我们知道光子是能够永恒存在的,正如遥远恒星发出的光可以穿越百亿光年的距离,被我们的天文望远镜所捕捉。