在许多网友眼里,光速是个神奇的事物,有许多想象空间,甚至认为通过光的某些特性,可以追溯过去。比如常常有人问:在足够远的距离,能够看到秦始皇登基大典的场景吗?
这个问题很有趣,是有一定科学道理的。由于物体对不同波段颜色的光吸收度不同,人眼才能够看到物体通过反射光而产生的彩色图案。现代科学已经证明了光也有速度,而且是宇宙中物质运动速度的天花板,即c=299792458m/s,这个c就是真空光速,每秒约为3亿米,或者说约30万公里。
既然光有速度,那么照射到物体,又将物体的图像传送到人眼就需要时间,也就是人眼看到的物体都不是即时图像,而是过去式了。比如看到相隔一米的物体,就是三亿分之一秒前的样子;一公里远的物体,就是三十万分之一秒前的样子。由于光速极快,这种短距离传递延迟时间极短,人眼和人脑都很难觉察,在日常生活中就基本被忽略。
但在天文观测中,这种延迟不但不能忽略,还是计算建模的重要量纲。比如月球距离我们38万公里,我们看到的月球就是1秒前的月球;太阳距离我们1.5亿公里,我们看到的太阳就是8分钟前的太阳。同理,如果月球消失了,我们要1秒钟后才能看到;太阳熄灭了,我们要8分钟后才能看到。
引申到更遥远的天体,如1光年距离的天体,我就是1年前的样子;1亿光年的天体,就是1亿年前的样子;韦伯空间望远镜看到135亿光年的星系,就是宇宙诞生3亿年的样子。人们幻想能看到秦始皇登基样子的念头,就是基于这种原理得来的。
秦始皇是中国历史上最著名的君王,被认为是从地理上和文化上最早统一中国的皇帝,据记载,他于公元前247年13岁时即王位,公元前238年22岁时正式登基,并举行了加冕仪式。现在是2026年,公元前238年就是2264年前。那么,根据上述理论,如果有人站在距离地球2264光年的位置,就能看到秦始皇登基的样子了。
理论上是这样的,但这只是理想的结果,在现实中能做到吗?我想,要想看到秦始皇登基的样子,至少有两个困难需要克服:第一,在那么远的地方能看到地球,甚至能看清人物以及各种细节吗?第二,如何得到距离2264光年处的观测信息,让地球上的人们能及时共享秦始皇登基的盛况?
先说第一个困难:在那么远的地方能看清地球上的人物吗?
或许许多朋友会说,现在的科学观测手段已经很先进了,比如韦伯太空望远镜最远已经看到距离135亿光年的天体,区区2264光年算什么,看清那里应该是小儿科吧。
是的,哈勃、韦伯等太空望远镜极大的延伸了人类的视野,让人类对宇宙有了越来越深刻的认识。但是,能看到135亿光年距离的天体,并不等于看清楚了那里的细节状况。比如韦伯望远镜看到135亿光年的天体,只是看到了宇宙诞生早期的星系,而且只是看到了这个星系发出的光。
一个星系动辄有千百亿颗恒星,与一颗恒星之光相差太大了,地球还只是一颗行星,相对恒星有完全不在一个层次上,就更无法比了。
事实上,所有的望远镜观测天体,除了太阳系以内,都只是看到这些天体发出的光。这些光有肉眼能看到的可见光,也有肉眼看不见但望远镜能接收并解析的不可见光,即红外线、紫外线、X射线、γ射线等。
迄今为止,对太阳系以外的所有天体,无论多大多先进的望远镜,看到的恒星都还是一个光点,连最大恒星的圆面也无法看到,更别说看清上面的细节了。有些资料介绍有几颗巨大的红超巨星能够看到圆面,其实都是误传,只有为数极少的几颗距离我们较近的红超巨星,通过干涉测量法可以间接测算出其直径,并没有真正看到圆面,更无法看清细节。
这是因为不管这个物体有多大,如果距离太远到达人眼就无法形成能够辨识的张角了,也就是无法区分两个点之间的衍射。人类眼睛能够分辨的张角约为1角分或60角秒,1度(符号°)为60分(或称角分,符号′),1分为60秒(或称角秒,符号″)。
这是因为人眼生理特性限制的。正常视力的人眼成像时,必须刺激两个相邻的视锥细胞,且中间还要间隔一个被激活的细胞,才能被大脑识别为两个独立的点,从而区分出物体的最小视角,这种成像机制与视网膜的视锥细胞结构正好相符。
光学系统分辨极限有一个理论叫瑞利判据,计算这个极限的公式为:θ ≈ 1.22*(λ / D)。这里的θ表示最小分辨角(弧度);λ为光的波长(人员最敏感的黄绿光波长约为550纳米);D为人眼瞳孔直径(明亮环境下约为2~3毫米)。
根据这个公式计算,人眼的分辨极限约为1角分,就是物体到达人眼的张角需大于1角分
望远镜以及天文望远镜乃至空间望远镜的发明和不断提升,可以拉近放大物体,不断突破了人类的视野范围。哈勃空间望远镜最大分辨率达到了0.05角秒,韦伯空间望远镜的红外波段分辨率达到了0.03角秒,也就是比人眼最大分辨率60角秒分别放大了1200倍和2000倍。
天体到达人眼的张角也可称为视直径/当距离大于天体本身直径时,到达人眼的视直径计算公式为:θ≈(D/d),这里的θ表示视直径,D表示天体直径,d表示天体与人眼的距离。也可以表述为弧度单位,1弧度约为57.3度,或3437.75角分,或206265角秒。
根据这个公式,我们可以计算出太阳系内一些天体的视直径:太阳约为0.53度;月球约为0.5度;金星和木星是最亮的行星,根据与地球的距离远近,视直径有一个变化范围,前者约在9~66角秒之间,后者在30~50角秒之间。
除此之外,太阳系的其他天体视直径就更小了,水星在4.5~13角秒之间;火星在3.5~25角秒之间;木星本体在14~20角秒之间;天王星在3.4~4.1角秒之间,海王星在2.0~2.4角秒之间。冥王星就更小了,只有0.06~0.18角秒。
由此可见,太阳系除了太阳和月亮,几乎没有一颗天体人眼能够直接看到圆面,更别说看清细节了。那么,依靠望远镜能够看清天体细节吗?理论与天文观测的实践证明,迄今为止最好最专业的望远镜,也只能看到地球附近的几颗天体模糊表面,比如最近的月球,也只能分辨约100米以上的环形山。
所以,任何望远镜都无法看清太阳系外任何天体,就是最大的恒星也只能看到一个光点。如已知最大体积的红超巨星~盾牌座uy,直径约为太阳的1700多倍,视直径只有0.01角秒,放大1000倍也只10角秒;被认为最有可能看到圆面的红超巨星参宿四,直径约为太阳的1000倍,视直径为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过如此,何况本身不发光,体积相比恒星相差若干数量级的行星呢?所以,在2264光年的地方,要想看到地球,甚至看清地球细节是完全不可能的。那么有人会问,在遥远的将来,科学高度发达时,有没有可能在如此距离看清地球呢?
我的回答是,这种发达也太难做到了。据计算,如果要在2264光年的距离看到地球细节,这台望远镜的分辨率至少要达到10的负17次方角分,放大倍数需达到约6亿亿倍,望远镜的口径需要达到960AU,约一千四百四十亿公里。
即便能够制造出如此规模的望远镜,观测条件也是极其苛刻的,至少需要达到如下条件:需完全消除星际介质消光、散射、引力透镜畸变等干扰;需在绝对真空且无背景噪声的超理想环境中观测。
更大的问题是,在如此距离,地球与太阳混为一体,会完全隐没在太阳的强光里,根本无法分开。且浩瀚星空,千亿颗恒星背景下,太阳和地球之光2264年反射折射散射衍射,已经很难被望远镜捕捉到了。
再说说第二个困难:如何能够到达距离我们2264光年的位置,看到秦始皇登基的景象后再把信息传送回来,让地球人共享?
假定在那种距离具备了能够观测地球细节的技术,那么人们如何能够到那里去观测呢?
迄今为止,人类还只有12个人踏足过月球。载人飞行器的最高速度还只接近第二宇宙速度,也就是每秒约11公里。
人类飞得最远的无人探测器是旅行者1号,飞了快49年,现在距离我们253亿多公里。按现在每秒约17公里的飞行速度,飞出太阳1光年的引力半径还需要一万七千多年;飞到距离我们最近的恒星比邻星,4.3光年需要飞七万多年;如果这样飞到2264光年的位置,需要飞4000万年。
借助天体引力弹弓效应实现速度最快的无人探测器,是帕克号太阳探测器,当它在距离太阳表面只有600万公里的日冕中飞掠时,经历了千度高温炙烤,速度达到惊人的每秒200公里。如果按这个速度飞到2264光年距离的深空,需要飞340万年。
即便人类未来发明了极端接近光速的飞船,飞到2264光年的位置,也需要至少2264年。
所以,当一群在太空中世世代代繁衍不息,跋涉了至少数千年乃至百万年,其后代传人终于到达那个位置时,地球上早已沧海桑田,不知道成了什么样子,人类是否存在都还是未知数,更别说看秦始皇了。
而且要把那里看到的消息传递回来,即便有能力精准发送和精准接收,电波也要走2264年,当初有这种兴趣的人们早已作古,如果还有人幸存,这些人恐怕早已经对诸如此类的玩意失去兴趣了,或许正在为生存而苦苦挣扎呢。
当然,或许有一种可能,就是科幻电影星际迷航描述的曲速航行实现了,通过折叠时空实现比光速快一万倍到达那个地方,只需要八十多天,拍摄了秦始皇登基大典的宏大场景后,再高速返航,八十多天后人们就能够分享了。
或许在猴年马月,这个梦幻场景真的能够实现,让我们期待。
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