宇宙中任意位置的一点(恒星)所发出的光,为什么在宇宙中任何位置都能看到?难道光子与光子之间没有“失之毫厘,差之千里”的现象?

问:假设有一颗恒星(简称x星)在距离地球100亿光年之外,我们能在地球上看到它传来的光线(用望远镜)。这里就有个问题了:

我们都知道“失之毫厘,差之千里”的道理,就如同在地球上发射探测器到火星,(假设没有方向自动校正功能的话)稍微角度有微毫偏差,经过遥远的飞行距离后,就会造成与目的地越来越大的偏离。

那么,很自然,从恒星中发出的光是不会自我矫正方向的,它们是直线飞行的(宇宙中大引力物质对光线的扭曲,对我们这个问题没有影响,所以可以不考虑)。那么100亿光年外的x恒星,就算是在它边缘圆周上的两颗相邻的光子,经过100亿光年这么遥远的距离飞行后,难道不会造成这两颗光子的大距离分开么?如果是的话,那么当地球处在某一位置时,我们是看不到x星的光的,因为我们处在它两个光子的中间分开部分。光子并没有照到地球上。

但现实却不是如此,而是在地球上,地球在公转中的任何位置上,我们都能看到x星发出的光线,这是为什么?

进一步说,就算是在宇宙中的任何空间位置上,不管远近,事实上都能看到从x 恒星发出的光线,这不合理呀??这不就意味着x 恒星的光子与光子之间,不是一个一个相邻排列的,而是无缝平滑的吗?

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6个答案
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傅里叶变黄油猫软件工程师,应用数学专业

2013-02-19 18:17

你的想法是有道理的,如果计算得每秒进入你眼睛的光子数太少,你是看不到的,那不妨算算有多少光子进入你的眼睛。

太阳每秒发射光子数=太阳辐射功率/每个光子的平均能量
每个光子的平均能量=普朗克常数×光子平均频率


太阳辐射功率:3.8×10^26W
光子平均频率(太阳光谱最亮部分):5.5×10^14Hz
普朗克常数:6.6×10^-34J·s

估算得太阳发射光子数:1×10^45 /s

人眼最大瞳孔面积:5×10^-5 m^2
半径1000光年的球体的表面积:(1000*365*86400*300000000)^2 * 4 * pi = 1.12×10^39 m^2

1000光年外进入人瞳孔的光子数:约45 /s 。

有理论说,在漆黑的环境只需要进入人眼的光子数达到5个你就可能有感受,所以理论上人眼能看到1000光年外的太阳,不过实际上我们不可能在完全漆黑的环境看星,而且我们和星星之间还隔了个讨厌的大气层。太阳在1000光年外大约只有11等,要亮100倍,或者在100光年范围内,达到6等才能让人眼看到,这时进入瞳孔并打在视网膜同一点的光子数约每秒几千这个数量级。

如果是你说的100亿光年外一颗星,那人眼肯定是无能为力。但这不代表我们没有办法观察100亿光年外:
(1)较大的天文光学望远镜可达10米,相当于将人眼瞳孔扩大4百万倍。
(2)我们看远处的不是看一颗星,而是星系,那样光子数会多得多。
(3)我用作计算的太阳只是很小的星,变成红巨星后表面积和亮度可增加几万倍。
(4)一些超新星爆炸时发出的能量可和整个星系比,可以在100亿光年外也探测到。
(5)采用超长曝光时间,积累更多的光子。

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因為我們看到的是正好射向我們的光,假設那個恒星上的某一點發射光子(這個說法不嚴謹,不過姑且一用),又假設你眼睛的某一點可以接受這個光子并且產生神經信號,那么可以說你看到了這個光子,從數學上我們知道任何兩點之間有且只有一條直線,所以你就看到這個恒星了
以上說法完全沒有符合現代物理學,只是反駁了樓主的觀點,事實上你的確處在那兩顆光子的中間分開部分,不過這部分還是存在其他光子的,或者說從那個恒星發出許多光子總有一個會到你的眼睛

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支持者: priest2

恒星发光自然是向四面八方发出光线的,你可以想象不计其数的光子向四面八方发出,因为恒星极高的能量释放使光子密度是如此之大,以至于数千光年之外的任何地方在一定的面积上仍然可以接收到可观测的光子数目。
其实光子不需要填满全空间,因为你的瞳孔大小不是零,而是一个非零的面积,只要在如此大小的面积上通过的光子数目能引起你的视觉反射,你就可以看见了。

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我也在想,为什么不用波动性来解释。

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我觉得楼主想表达的意思是光子如果是可以计数的,就会有不连续性,相邻俩个光子发射的角度会有差别,然后乘以半径会造成相邻两个光子之间有很大间隔以至于地球接受不到
所以这个问题演变成了光子发射时能不能完全覆盖720度的立体角或者有限大小个数能否覆盖无限大的数轴,这个显然不能
所以这个问题不能简单认为光是离子了
但是我没想出怎么用波动论和这个问题扯上关系呀。。。~~~~(>_<)~~~~

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马褂力争成为天文老司机的中级厨师

2013-02-20 22:14

我可以弱弱地说一句“光也是波”吗?

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