光在宇宙中傳播而不會損失能量。但是怎么做呢？

我的望遠鏡安裝在光線污染的圣地亞哥后院，用于天文攝影，它對準了一個離地球深不可測的星系。我的妻子 Cristina 走了過來，這時第一張太空照片流到了我的平板電腦上。它在我們面前的屏幕上閃閃發光。

“那就是風車星系“我說。這個名字來源于它的形狀——盡管這個風車包含大約一萬億顆星星。

風車發出的光在宇宙中傳播了 2500 萬年——大約 150 萬億英里——才到達我的望遠鏡。

我妻子想：“在這么長的路上，光不會讓人感到疲倦嗎？

她的好奇心引發了一場關于光的發人深省的對話。歸根結底，為什么燈不會隨著時間的推移而磨損和失去能量？

讓我們談談光

我是天體物理學家，我在學習中學到的第一件事是，光的行為方式經常違背我們的直覺。

光是電磁輻射：基本上，電波和磁波耦合在一起并通過時空.它沒有質量.這一點很關鍵，因為物體的質量，無論是一粒塵埃還是一艘宇宙飛船，都會限制它在太空中飛行的最高速度。

但是，由于光是無質量的，因此它能夠在真空中達到最大速度限制——大約每秒 186,000 英里（300,000 公里），或者每年近 6 萬億英里（9.6 萬億公里）。在太空中旅行沒有比這更快的了。從這個角度來看：在你眨眼的時間里，一個光粒子繞地球一周傳播了兩倍以上。

盡管速度非常快，但空間卻非常分散。來自距離地球 9300 萬英里（約 1.5 億公里）的太陽的光剛剛接管8 分鐘即可到達我們.換句話說，你看到的陽光是八分鐘的。

半人馬座阿爾法是僅次于太陽離我們最近的恒星，距離我們 26 萬億英里（約 41 萬億公里）。所以當你在夜空中看到它時，它的光芒才剛剛過去四年多。或者，正如天文學家所說，它是四光年之外.

考慮到這些巨大的距離，請考慮 Cristina 的問題：光如何穿越宇宙而不緩慢地損失能量？

實際上，一些光確實會損失能量。發生這種情況它會從某物上反彈，如星際塵埃，并散落在各處。

但大多數光就是來來去去，不會與任何東西發生碰撞。這幾乎總是如此，因為空間大部分是空的–無。所以沒有什么阻礙。

當光暢通無阻地傳播時，它不會損失任何能量。它可以永遠保持每秒 186,000 英里的速度。

是時候了

這是另一個概念：想象自己是一名宇航員在國際空間站上.您以每小時 17,000 英里（約 27,000 公里）的速度運行。與地球上的人相比，您的手表一年內會慢 0.01 秒。

這是時間膨脹– 時間移動于不同條件下的不同速度.如果你移動得非常快，或者靠近一個大的引力場，你的時鐘會比你移動得慢的人或離大引力場更遠的人滴答作響。簡而言之，時間是相對的.

現在考慮一下光是與時間密不可分.圖片 坐在光子，一種基本的光粒子;在這里，您將體驗到最大時間膨脹。地球上的每個人都會以光速為你計時，但從你的參考系來看，時間會完全停止。

這是因為測量時間的“時鐘”位于兩個不同的地方，以截然不同的速度移動：光子以光速移動，而地球以相對較慢的速度繞太陽運行。

更重要的是，當您以或接近光速旅行時，您所在位置和要去的地方之間的距離會變短。也就是說，空間本身在運動方向上變得更加緊湊——因此您能走得越快，您的旅程就越短。換句話說，對于光子，空間被擠壓.

這讓我們回到了我對風車星系的印象。從光子的角度來看，銀河系中的一顆恒星發射了它，然后我后院相機中的一個像素也在同一時間吸收了它。因為空間被擠壓了，所以對光子來說，旅程是無限快和無限短的，只有幾分之一秒。

但從我們地球的角度來看，光子在 2500 萬年前離開銀河系，在太空中旅行了 2500 萬光年，直到它降落在我后院的平板電腦上。

在那里，在一個涼爽的春夜，它令人驚嘆的圖像激發了一位書科學家和他好奇的妻子之間的愉快對話。

賈里德·羅伯茨， 項目科學家，加州大學圣地亞哥分校

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