在許多網友眼里,光速是個神奇的事物,有許多想象空間,甚至認為通過光的某些特性,可以追溯過去。比如常常有人問:在足夠遠的距離,能夠看到秦始皇登基大典的場景嗎?
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這個問題很有趣,是有一定科學道理的。由于物體對不同波段顏色的光吸收度不同,人眼才能夠看到物體通過反射光而產生的彩色圖案。現代科學已經證明了光也有速度,而且是宇宙中物質運動速度的天花板,即c=299792458m/s,這個c就是真空光速,每秒約為3億米,或者說約30萬公里。
既然光有速度,那么照射到物體,又將物體的圖像傳送到人眼就需要時間,也就是人眼看到的物體都不是即時圖像,而是過去式了。比如看到相隔一米的物體,就是三億分之一秒前的樣子;一公里遠的物體,就是三十萬分之一秒前的樣子。由于光速極快,這種短距離傳遞延遲時間極短,人眼和人腦都很難覺察,在日常生活中就基本被忽略。
但在天文觀測中,這種延遲不但不能忽略,還是計算建模的重要量綱。比如月球距離我們38萬公里,我們看到的月球就是1秒前的月球;太陽距離我們1.5億公里,我們看到的太陽就是8分鐘前的太陽。同理,如果月球消失了,我們要1秒鐘后才能看到;太陽熄滅了,我們要8分鐘后才能看到。
引申到更遙遠的天體,如1光年距離的天體,我就是1年前的樣子;1億光年的天體,就是1億年前的樣子;韋伯空間望遠鏡看到135億光年的星系,就是宇宙誕生3億年的樣子。人們幻想能看到秦始皇登基樣子的念頭,就是基于這種原理得來的。
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秦始皇是中國歷史上最著名的君王,被認為是從地理上和文化上最早統一中國的皇帝,據記載,他于公元前247年13歲時即王位,公元前238年22歲時正式登基,并舉行了加冕儀式。現在是2026年,公元前238年就是2264年前。那么,根據上述理論,如果有人站在距離地球2264光年的位置,就能看到秦始皇登基的樣子了。
理論上是這樣的,但這只是理想的結果,在現實中能做到嗎?我想,要想看到秦始皇登基的樣子,至少有兩個困難需要克服:第一,在那么遠的地方能看到地球,甚至能看清人物以及各種細節嗎?第二,如何得到距離2264光年處的觀測信息,讓地球上的人們能及時共享秦始皇登基的盛況?
先說第一個困難:在那么遠的地方能看清地球上的人物嗎?
或許許多朋友會說,現在的科學觀測手段已經很先進了,比如韋伯太空望遠鏡最遠已經看到距離135億光年的天體,區區2264光年算什么,看清那里應該是小兒科吧。
是的,哈勃、韋伯等太空望遠鏡極大的延伸了人類的視野,讓人類對宇宙有了越來越深刻的認識。但是,能看到135億光年距離的天體,并不等于看清楚了那里的細節狀況。比如韋伯望遠鏡看到135億光年的天體,只是看到了宇宙誕生早期的星系,而且只是看到了這個星系發出的光。
一個星系動輒有千百億顆恒星,與一顆恒星之光相差太大了,地球還只是一顆行星,相對恒星有完全不在一個層次上,就更無法比了。
事實上,所有的望遠鏡觀測天體,除了太陽系以內,都只是看到這些天體發出的光。這些光有肉眼能看到的可見光,也有肉眼看不見但望遠鏡能接收并解析的不可見光,即紅外線、紫外線、X射線、γ射線等。
迄今為止,對太陽系以外的所有天體,無論多大多先進的望遠鏡,看到的恒星都還是一個光點,連最大恒星的圓面也無法看到,更別說看清上面的細節了。有些資料介紹有幾顆巨大的紅超巨星能夠看到圓面,其實都是誤傳,只有為數極少的幾顆距離我們較近的紅超巨星,通過干涉測量法可以間接測算出其直徑,并沒有真正看到圓面,更無法看清細節。
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這是因為不管這個物體有多大,如果距離太遠到達人眼就無法形成能夠辨識的張角了,也就是無法區分兩個點之間的衍射。人類眼睛能夠分辨的張角約為1角分或60角秒,1度(符號°)為60分(或稱角分,符號′),1分為60秒(或稱角秒,符號″)。
這是因為人眼生理特性限制的。正常視力的人眼成像時,必須刺激兩個相鄰的視錐細胞,且中間還要間隔一個被激活的細胞,才能被大腦識別為兩個獨立的點,從而區分出物體的最小視角,這種成像機制與視網膜的視錐細胞結構正好相符。
光學系統分辨極限有一個理論叫瑞利判據,計算這個極限的公式為:θ ≈ 1.22*(λ / D)。這里的θ表示最小分辨角(弧度);λ為光的波長(人員最敏感的黃綠光波長約為550納米);D為人眼瞳孔直徑(明亮環境下約為2~3毫米)。
根據這個公式計算,人眼的分辨極限約為1角分,就是物體到達人眼的張角需大于1角分
望遠鏡以及天文望遠鏡乃至空間望遠鏡的發明和不斷提升,可以拉近放大物體,不斷突破了人類的視野范圍。哈勃空間望遠鏡最大分辨率達到了0.05角秒,韋伯空間望遠鏡的紅外波段分辨率達到了0.03角秒,也就是比人眼最大分辨率60角秒分別放大了1200倍和2000倍。
天體到達人眼的張角也可稱為視直徑/當距離大于天體本身直徑時,到達人眼的視直徑計算公式為:θ≈(D/d),這里的θ表示視直徑,D表示天體直徑,d表示天體與人眼的距離。也可以表述為弧度單位,1弧度約為57.3度,或3437.75角分,或206265角秒。
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根據這個公式,我們可以計算出太陽系內一些天體的視直徑:太陽約為0.53度;月球約為0.5度;金星和木星是最亮的行星,根據與地球的距離遠近,視直徑有一個變化范圍,前者約在9~66角秒之間,后者在30~50角秒之間。
除此之外,太陽系的其他天體視直徑就更小了,水星在4.5~13角秒之間;火星在3.5~25角秒之間;木星本體在14~20角秒之間;天王星在3.4~4.1角秒之間,海王星在2.0~2.4角秒之間。冥王星就更小了,只有0.06~0.18角秒。
由此可見,太陽系除了太陽和月亮,幾乎沒有一顆天體人眼能夠直接看到圓面,更別說看清細節了。那么,依靠望遠鏡能夠看清天體細節嗎?理論與天文觀測的實踐證明,迄今為止最好最專業的望遠鏡,也只能看到地球附近的幾顆天體模糊表面,比如最近的月球,也只能分辨約100米以上的環形山。
所以,任何望遠鏡都無法看清太陽系外任何天體,就是最大的恒星也只能看到一個光點。如已知最大體積的紅超巨星~盾牌座uy,直徑約為太陽的1700多倍,視直徑只有0.01角秒,放大1000倍也只10角秒;被認為最有可能看到圓面的紅超巨星參宿四,直徑約為太陽的1000倍,視直徑為0.04~0.05角秒,放大1000倍只有40~50角秒。
最近最大的恒星斗不過如此,何況本身不發光,體積相比恒星相差若干數量級的行星呢?所以,在2264光年的地方,要想看到地球,甚至看清地球細節是完全不可能的。那么有人會問,在遙遠的將來,科學高度發達時,有沒有可能在如此距離看清地球呢?
我的回答是,這種發達也太難做到了。據計算,如果要在2264光年的距離看到地球細節,這臺望遠鏡的分辨率至少要達到10的負17次方角分,放大倍數需達到約6億億倍,望遠鏡的口徑需要達到960AU,約一千四百四十億公里。
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即便能夠制造出如此規模的望遠鏡,觀測條件也是極其苛刻的,至少需要達到如下條件:需完全消除星際介質消光、散射、引力透鏡畸變等干擾;需在絕對真空且無背景噪聲的超理想環境中觀測。
更大的問題是,在如此距離,地球與太陽混為一體,會完全隱沒在太陽的強光里,根本無法分開。且浩瀚星空,千億顆恒星背景下,太陽和地球之光2264年反射折射散射衍射,已經很難被望遠鏡捕捉到了。
再說說第二個困難:如何能夠到達距離我們2264光年的位置,看到秦始皇登基的景象后再把信息傳送回來,讓地球人共享?
假定在那種距離具備了能夠觀測地球細節的技術,那么人們如何能夠到那里去觀測呢?
迄今為止,人類還只有12個人踏足過月球。載人飛行器的最高速度還只接近第二宇宙速度,也就是每秒約11公里。
人類飛得最遠的無人探測器是旅行者1號,飛了快49年,現在距離我們253億多公里。按現在每秒約17公里的飛行速度,飛出太陽1光年的引力半徑還需要一萬七千多年;飛到距離我們最近的恒星比鄰星,4.3光年需要飛七萬多年;如果這樣飛到2264光年的位置,需要飛4000萬年。
借助天體引力彈弓效應實現速度最快的無人探測器,是帕克號太陽探測器,當它在距離太陽表面只有600萬公里的日冕中飛掠時,經歷了千度高溫炙烤,速度達到驚人的每秒200公里。如果按這個速度飛到2264光年距離的深空,需要飛340萬年。
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即便人類未來發明了極端接近光速的飛船,飛到2264光年的位置,也需要至少2264年。
所以,當一群在太空中世世代代繁衍不息,跋涉了至少數千年乃至百萬年,其后代傳人終于到達那個位置時,地球上早已滄海桑田,不知道成了什么樣子,人類是否存在都還是未知數,更別說看秦始皇了。
而且要把那里看到的消息傳遞回來,即便有能力精準發送和精準接收,電波也要走2264年,當初有這種興趣的人們早已作古,如果還有人幸存,這些人恐怕早已經對諸如此類的玩意失去興趣了,或許正在為生存而苦苦掙扎呢。
當然,或許有一種可能,就是科幻電影星際迷航描述的曲速航行實現了,通過折疊時空實現比光速快一萬倍到達那個地方,只需要八十多天,拍攝了秦始皇登基大典的宏大場景后,再高速返航,八十多天后人們就能夠分享了。
或許在猴年馬月,這個夢幻場景真的能夠實現,讓我們期待。
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