顺着⼿电筒的光柱往上爬,关掉开关后,⼈会掉下来吗?
相声⼤师侯宝林有⼀个著名的相声段⼦《醉酒》,讲的是两个⼈喝醉了互相吹⽜,⼀个⽼兄挑衅:看,我的⼿电棒⼀摁电⻔,出来⼀个光柱,你不是厉害吗,你顺着我这柱⼦爬上去呀!另⼀位⽼兄说:你别来这⼀套,我能爬上去,可是我爬到半道,你⼀关电⻔我掉下来怎么办?
其实这⾥⾯的科学问题是值得讨论⼀下⼦的。⾸先,能不能顺着⼿电棒的光柱爬上去?⼤家肯定回答不能。
那为什么呢?光⼦虽然静⽌质量为零(所以不能静⽌),但是带有能量和动量,不管是被物体吸收还是反射,都会对物体产⽣压⼒。所以当光柱照到⼈身上的时候,是会产⽣⼀定的压⼒的,这个压⼒被称为“光压”。当然,⼿电筒的光压太⼩了,以⾄于我们感受不到,但如果换作是强激光那就不⼀样了。⽐如霍⾦的摄星计划就是想利⽤激光的光压给他的那些微型⻜⾏器施加压⼒加速,最终达到极⾼的速度(⽐如光速的四分之⼀)。
如此说来,如果⼿电筒的光柱⾜够强,使得光压能够和那位⽼兄的重量平衡,同时他⼜穿着合适的⾐服做好防护保证光压不⾄于伤害到⾃⼰的话,那他是有可能顺着光柱爬上去的。
相声⾥涉及到的第⼆个问题是:电⻔关掉,往上爬的那位⽼兄会不会掉下来?当然会,但是不会⽴刻掉下来。⽐如,如果他已经爬到了离地⾯30万千⽶的⾼度(就是⼀个假设啊,不要问我他怎么爬了那么⾼),那就要等电⻔关闭⼀秒钟之后他才会掉下来。
这是因为电⻔关了之后,光源最后发出的光需要⼀秒钟才能到达那位⽼兄所在的位置(光速是每秒30万千⽶),在这段时间之中这⼀⾼度的光压是持续存在的。然⽽当⼀秒钟结束后光压就会消失,这位⽼兄也就会掉下来了——看来拒绝爬光柱是正确的选择!
同样的道理,如果⼀个离我们13亿光年(光年是距离单位,是光在⼀年跑过的距离)远的天体毁灭了,那我们要等13亿年才能感觉到,因为它在毁灭之前那⼀瞬间发出的光会继续传播,经过13亿年才到达我们这⾥。光是如此,任何辐射、信息和信号的传播也是如此,离开产⽣的源之后,和源就不再有关系,也不会因为源毁灭⽽灭掉。
当然,在传播的过程中这些信号有可能被吸收掉,甚⾄通过各种过程转换成为其他形式的物质或者能量,这就是另外的问题了。
我之所以专⻔提到“13亿光年”,是因为2016年2⽉11⽇美国的LIGO项⽬宣布的⼈类第⼀次直接探测到的引⼒波事件中,两个产⽣这⼀引⼒波信号的⿊洞距离地球就是13亿光年远,⽽LIGO探测到的引⼒波信号就是经过13亿年的旅⾏之后到达地球的。这个引⼒波信号产⽣的过程只持续了不到⼀秒钟,当两个⿊洞并合成⼀个⿊洞之后就不再产⽣引⼒波,也就相当于产⽣引⼒波的源毁灭了。
其实,⼤部分情况下,当天⽂学家观测到的远处天体的信号时,那个产⽣信号的天体源已经毁灭(⽐如超新星爆发和伽⻢射线暴),或者不再产⽣这种信号(⽐如恒星变成⽩矮星了),⼜或者产⽣的信号已经改变了(⽐如当天体的温度产⽣了变化,其辐射也会变化)。所以,虽然宇宙⼤爆炸早就发⽣了(⼤约137亿年之前),但是我们今天仍然可以接收到⼤爆炸发⽣不久之后就产⽣的信号——这就是宇宙微波背景辐射。
可以说,天⽂学家永远是在进⾏宇宙考古。由于光的传播速度是有限的(也就是光速,光速是常数,不会改变),当⼀个天体发出信号后,需要⼀定的时间才能到达地球,所以天⽂学家们能“看”到的天体中,离我们越远的,其信号也就越古⽼。因此,原则上我们没有办法“知道”远处宇宙“现在”的情况,但是我们可以建⽴宇宙演化的模型,通过观测和理论计算检验模型的正确性,然后使⽤模型推测远处宇宙“现在”的情况。
但是有两种情况可能是例外,⼀种是量⼦纠缠,另⼀种就是⾍洞。
假如宇宙远处的天体产⽣了处于纠缠态的光⼦,⼀部分留在那个天体附近(⽐如被囚禁在弯曲的时空⾥⾯),⼀部分逃出来到达了地球,那么当我们测量到到达地球的光⼦时、知道了这些光⼦的状态,同时有理论告诉我们这个纠缠态的性质,那么原则上我们就知道了远处天体附近的光⼦的状态,从⽽知道那⾥“现在”的情况——仿佛发⽣了时空穿越;如果宇宙中真的存在⾍洞,那么通过⾍洞也可以“瞬时”知道远处宇宙“现在”的情况。
实际上,有些学者推测,⾍洞和量⼦纠缠本质上就是⼀回事,只不过这仍然是科学假说,尚未被证实。最后提⼀下,量⼦纠缠和⾍洞的概念最早都源于爱因斯坦!