光在宇宙中传播而不会损失能量。但是怎么做呢？

我的望远镜安装在光线污染的圣地亚哥后院，用于天文摄影，它对准了一个离地球深不可测的星系。我的妻子 Cristina 走了过来，这时第一张太空照片流到了我的平板电脑上。它在我们面前的屏幕上闪闪发光。

“那就是风车星系“我说。这个名字来源于它的形状——尽管这个风车包含大约一万亿颗星星。

风车发出的光在宇宙中传播了 2500 万年——大约 150 万亿英里——才到达我的望远镜。

我妻子想：“在这么长的路上，光不会让人感到疲倦吗？

她的好奇心引发了一场关于光的发人深省的对话。归根结底，为什么灯不会随着时间的推移而磨损和失去能量？

让我们谈谈光

我是天体物理学家，我在学习中学到的第一件事是，光的行为方式经常违背我们的直觉。

光是电磁辐射：基本上，电波和磁波耦合在一起并通过时空.它没有质量.这一点很关键，因为物体的质量，无论是一粒尘埃还是一艘宇宙飞船，都会限制它在太空中飞行的最高速度。

但是，由于光是无质量的，因此它能够在真空中达到最大速度限制——大约每秒 186,000 英里（300,000 公里），或者每年近 6 万亿英里（9.6 万亿公里）。在太空中旅行没有比这更快的了。从这个角度来看：在你眨眼的时间里，一个光粒子绕地球一周传播了两倍以上。

尽管速度非常快，但空间却非常分散。来自距离地球 9300 万英里（约 1.5 亿公里）的太阳的光刚刚接管8 分钟即可到达我们.换句话说，你看到的阳光是八分钟的。

半人马座阿尔法是仅次于太阳离我们最近的恒星，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，它的光芒才刚刚过去四年多。或者，正如天文学家所说，它是四光年之外.

考虑到这些巨大的距离，请考虑 Cristina 的问题：光如何穿越宇宙而不缓慢地损失能量？

实际上，一些光确实会损失能量。发生这种情况它会从某物上反弹，如星际尘埃，并散落在各处。

但大多数光就是来来去去，不会与任何东西发生碰撞。这几乎总是如此，因为空间大部分是空的–无。所以没有什么阻碍。

当光畅通无阻地传播时，它不会损失任何能量。它可以永远保持每秒 186,000 英里的速度。

是时候了

这是另一个概念：想象自己是一名宇航员在国际空间站上.您以每小时 17,000 英里（约 27,000 公里）的速度运行。与地球上的人相比，您的手表一年内会慢 0.01 秒。

这是时间膨胀– 时间移动于不同条件下的不同速度.如果你移动得非常快，或者靠近一个大的引力场，你的时钟会比你移动得慢的人或离大引力场更远的人滴答作响。简而言之，时间是相对的.

现在考虑一下光是与时间密不可分.图片 坐在光子，一种基本的光粒子;在这里，您将体验到最大时间膨胀。地球上的每个人都会以光速为你计时，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”位于两个不同的地方，以截然不同的速度移动：光子以光速移动，而地球以相对较慢的速度绕太阳运行。

更重要的是，当您以或接近光速旅行时，您所在位置和要去的地方之间的距离会变短。也就是说，空间本身在运动方向上变得更加紧凑——因此您能走得越快，您的旅程就越短。换句话说，对于光子，空间被挤压.

这让我们回到了我对风车星系的印象。从光子的角度来看，银河系中的一颗恒星发射了它，然后我后院相机中的一个像素也在同一时间吸收了它。因为空间被挤压了，所以对光子来说，旅程是无限快和无限短的，只有几分之一秒。

但从我们地球的角度来看，光子在 2500 万年前离开银河系，在太空中旅行了 2500 万光年，直到它降落在我后院的平板电脑上。

在那里，在一个凉爽的春夜，它令人惊叹的图像激发了一位书科学家和他好奇的妻子之间的愉快对话。

贾里德·罗伯茨， 项目科学家，加州大学圣地亚哥分校

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