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简单回答:光会以无限接近直线的方式射出 。
光线会受到引力拉扯而弯曲,但引力源必须非常巨大,地球的引力太小了,对每秒约30万千米的光来说基本可以忽略不计 。
这是因为地球引力对光来说太小了万有引力对一切带有电磁作用力的物质都起作用,光是电磁作用力范畴,而且光子是电磁辐射的媒介,当然也受到引力影响了 。而且光子虽然没有静质量,却有动质量,引力是质量对时空扭曲导致的现象,因此光受到引力所用就顺理成章了 。
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爱因斯坦广义相对论认为,任何有质量的物体,都会扭曲周边时空,小质量小扭曲,大质量大扭曲,由于物体的运动,形成的时空曲率方式多种多样,但总体上就像在自身周围形成一个漩涡或陷阱,任何物体经过这个漩涡或陷阱就会受到影响 。
越大的天体形成的曲率越大,漩涡或陷阱就越深越强烈,接近的小天体就有掉落到这个陷阱或漩涡的趋势,如果速度不快,就会掉入深渊,表现出来就是被引力拉拽,最终掉落到大天体上 。
前面提到的速度,是指速度越快的物体,逃脱引力漩涡或陷阱的概率就越大,逃出一个天体引力陷阱的速度叫逃逸速度 。计算逃逸速度的公式表达为:v=√(2GM/R),这里的v就是逃逸速度,G为引力常量,M为天体质量,R为逃离物体与天体质心距离 。
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地球质量约6*10^24kg,半径约6371km,根据公式我们可以计算出,地球表面的逃逸速度约11.2km/s 。也就是说,在地球表面,只要达到每秒11.2公里的速度,就能够逃离地球引力 。而光速是每秒30万公里,是11.2公里约2.7万倍,地球这点引力对光来说几乎可以忽略不计 。
太阳质量是地球的33万倍,表面逃逸速度为617km/s,对每秒30万公里的光也影响甚微,否则太阳的光芒岂不就一直围着太阳转圈了,怎么能够来到地球呢?但太阳引力毕竟比地球大多了,因此许多科学家在日全食时观测经过太阳附近的星光,发现偏转约1.66",与爱因斯坦广义相对论的计算基本吻合 。
因此,手电筒射向天空的光会基本接近完全直线 。在量子力学里面,可见光是由光量子组成,而光量子具有波粒二象性 。光子的寿命没有定论,但多数人认为,寿命无限长,那么这束电筒射出的光,理论上就会永远在宇宙中飘荡 。
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事实果真如此吗?非也 。实际上,这束光射出去后,仅需几秒钟,就完全消散了,不见了 。导致这束光消散的原因大致有三个:1、光子与其他粒子碰撞,发生相互作用改变了轨迹;2、电筒光的散射,光子被稀释分散了;3、随着距离拉远和宇宙膨胀效应,光波逐渐被拉长,成为不可见的电磁波 。
下面我们就这三个方面原因讨论一下:
光子遇到其他粒子会发生散射、衍射、吸收和转化理论上,光射出去后,即便你关闭了手电筒,这束光也会像射出的炮弹一样,如果没有任何阻挡的话,就会一直飞下去 。炮弹因为速度很低,在地球上会被重力拉扯,还会被空气阻力阻挡,因此其飞行轨迹是一个抛物线,飞不了多远就落下来 。
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但光子速度为每秒30万千米,地球引力几乎可以忽略不计,因此会一直飞下去,除非遇到阻挡 。事实上,光射出去后,一路上的确有许多障碍 。在大气层里,主要是大气分子、尘埃的阻挡 。
当光子遇到各种物质粒子时,就会发生反射、衍射、散射或吸收,一束光就会不断衰减 。
手电筒向天空射出的光,首先要经过稠密的大气层,地表大气密度为1.293kg/m^3,每立方厘米含有大气分子约2.6875*10^19个,也就是约17亿亿个,光子在这样浓密的大气中穿行,当然会被吸收消减得很快 。
当遇到反射、折射、衍射时,光就改变了方向,自然就不会顺着原定路线走了,这样光就减弱了;当光子撞击到大气分子或任何原子的电子时,能量就会被电子吸收,电子得到了额外的能量就会处于激发态,跃迁到更高能级,之后没有更多的能量补充,又会跃迁回到原来的能级,同时释放出一个光子 。
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