光穿越宇宙却不损失能量，这是如何做到的？

光穿越宇宙却不损失能量，这是如何做到的？# 光穿越宇宙却不损失能量。这是如何做到的？
– **太空** 2025年5月26日 作者：贾里德·罗伯茨（Jarred Roberts），对话网（The Conversation）

超新星气泡内的脉冲星。（美国国家航空航天局/欧洲航天局/ G. 杜布纳等人）

在我那受光污染影响的圣地亚哥后院，用于天体摄影的望远镜，正指向一个距地球极其遥远的星系。当第一张太空照片传送到我的平板电脑时，我的妻子克里斯蒂娜（Cristina）恰好走了过来。照片在我们面前的屏幕上闪耀。

“那是风车星系，” 我说。这个名字源于它的形状——尽管这个 “风车” 包含了约一万亿颗恒星。

来自风车星系的光穿越宇宙2500万年——大约1500亿亿英里——才抵达我的望远镜。

我的妻子好奇地问：“光在如此漫长的旅程中不会‘疲倦’吗？”

她的好奇引发了一场关于光的深刻探讨。说到底，为什么光不会随着时间流逝而耗尽能量呢？

## 让我们聊聊光
我是一名天体物理学家，在学习过程中最先了解到的事情之一，就是光的行为常常与我们的直觉相悖。


光是电磁辐射：基本上，它是由电波和磁波耦合在一起，在时空之中传播。它没有质量。这一点至关重要，因为无论是一粒尘埃还是一艘宇宙飞船，物体的质量会限制其在空间中所能达到的最高速度。

但由于光没有质量，它能够在真空中达到速度上限——约每秒18.6万英里（30万公里），或者说每年近6万亿英里（9.6万亿公里）。在空间中没有比光更快的东西。换个角度看：在你眨一下眼的时间里，一个光粒子就能绕地球赤道运行超过两圈。

尽管光速极快，但宇宙空间无比浩瀚。距离地球9300万英里（约1.5亿公里）的太阳，其发出的光需要8分多钟才能到达我们这里。换句话说，你看到的阳光已经 “8分钟” 大了。

半人马座阿尔法星，是除太阳之外离我们最近的恒星，距离我们26万亿英里（约41万亿公里）。所以当你在夜空中看到它时，它发出的光已经传播了四年多。或者，用天文学家的话说，它距离我们4光年。

考虑到这些巨大的距离，再想想克里斯蒂娜的问题：光如何能穿越宇宙而不慢慢损失能量呢？

实际上，一些光确实会损失能量。当光从诸如星际尘埃等物体上反弹并散射时，就会发生这种情况。

但大多数光只是不停地传播，不会与任何东西碰撞。这种情况几乎总是发生，因为宇宙空间大多是空的——一片虚无。所以没有什么能阻挡它。

当光不受阻碍地传播时，它不会损失能量。它可以永远保持每秒18.6万英里的速度。

## 这与时间有关
这里还有另一个概念：想象你是国际空间站上的一名宇航员。你正以每小时1.7万英里（约2.7万公里）的速度绕地飞行。与地球上的人相比，你的手表在一年的时间里会慢0.01秒。

这就是时间膨胀的一个例子——时间在不同条件下以不同速度流逝。如果你移动得非常快，或者靠近一个强大的引力场，你的时钟会比移动较慢或离强大引力场较远的人的时钟走得更慢。简而言之，时间是相对的。


现在想想，光与时间有着千丝万缕的联系。

想象你坐在一个光子上，光子是光的基本粒子；在这里，你会经历最大程度的时间膨胀。地球上的每个人都会认为你以光速运动，但从你的参考系来看，时间会完全停止。

这是因为测量时间的 “时钟” 处于两个不同的位置，以截然不同的速度运行：光子以光速运动，而地球绕太阳运行的速度相对较慢。

此外，当你以光速或接近光速运动时，你所在位置与你要去的位置之间的距离会变短。也就是说，空间本身在运动方向上变得更加紧凑——所以你运动得越快，你的旅程就越短。换句话说，对于光子来说，空间被 “压缩” 了。

这就又回到了我拍摄的风车星系的照片。从光子的角度来看，星系中的一颗恒星发出了它，然后我后院相机中的一个像素瞬间吸收了它。因为空间被压缩了，对光子来说，这段旅程无比迅速且无比短暂，只有一瞬间。

但从我们在地球上的角度来看，这个光子在2500万年前离开星系，穿越2500万光年的空间，直到落在我后院的平板电脑上。

在那个凉爽的春夜，这令人惊叹的图像，在一位书呆子科学家和他充满好奇的妻子之间，引发了一场愉快的对话。

贾里德·罗伯茨，加利福尼亚大学圣地亚哥分校项目科学家

本文根据知识共享许可协议从《对话》重新发布。阅读原文。