你怎么知道一个光子的年龄?

时间:2021-09-10 08:50:57   作者:
我们不可能知道单个光子的年龄,也不可能知道它来自多远的地方。

幸运的是,望远镜并没有观察到单个光子,它们观察到的是来自望远镜所观察到的任何东西的整个光子流。恒星和星系以一定的频率发射光子,天文学家可以将望远镜聚焦在一个遥远的物体上,通过棱镜将光线分离出不同的频率。当他们这样做的时候,他们会看到这样的东西:

你怎么知道一个光子的年龄

光谱中的每种颜色对应着不同频率的光。那些暗间隙是缺失的光频率。你看,每个频率(颜色)对应于光子携带的特定能量量。在所有可见光中,红色光子的能量最低,蓝色光子的能量最高。

当恒星内部产生的光穿过恒星的外层时,特定频率的光刚好有足够的能量将外层原子中的电子踢到更高的能量状态。当一个光子以这样的频率撞击一个原子,它就会被吸收。当光进入星际空间时,大多数具有这些特殊能量的光子都被吸收了。结果,当光线到达我们时,我们看到光谱中的暗间隙。这些被称为吸收线。我们在观察任何恒星时都能看到它们,包括我们的太阳。当我们观察整个星系时,由于大多数恒星都是由几乎相同的元素混合而成,我们看到了相同的吸收线。

现在,当我们观察一个遥远的星系时,我们在它的光谱中看到的吸收线和我们在太阳和附近恒星中看到的吸收线是一样的。但关键是:这些线并不总是出现在光谱的同一个地方。当我们观察离我们很远的物体时,这些线总是向光谱的红端移动。

这个谜题困扰了天文学家几十年,埃德温·哈勃对此进行了研究。他仔细地测量了到各种邻近星系的距离(我就不细说他是怎么做到的),并观察了它们吸收线的位移,他发现了一个简单的规则:光谱线的位移与到我们的距离成正比。星系离我们越远,其光谱红移越多。所以我们可以通过测量光谱吸收线的红移来测量一个遥远的星系有多远。为了纪念这一发现,哈勃望远镜以他的名字命名。

科学家们仍然对为什么会这样感到困惑,直到Georges Lemaître提出了一个解释。他的理论是,自宇宙诞生以来,空间一直在以恒定的速率膨胀。这意味着宇宙中的一切都在远离其他一切,它们离得越远,它们离得越快!(请注意,这并不适用于一个星系,甚至是一个局域星系团,因为引力使它们稳定地结合在一起。它只适用于当我们看的东西离我们太远,无法受到引力束缚的时候。)尽管这项工作彻底改变了宇宙学,并为哈勃的观测提供了一个可靠的解释,Lemaître还没有被授予以他命名的主要科学仪器的荣誉,这可能是因为他是一个理论学家而不是一个实验学家。

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不管怎样,当我们观察一个遥远的物体时,我们观察的是一个快速远离我们的物体。这意味着每个光子的观测频率降低,导致所有光子都显得更红。这和“多普勒频移”是一样的,当火车远离你时,它会使火车汽笛的音调变低。整个光谱的光都向红色移动,包括任何缝隙。由于宇宙膨胀而产生的相对速度差与光到达这里的距离成正比,而且由于光以恒定的速度传播,它也与光到达这里的时间成正比。(注:宇宙学家已经通过其他的观测证实了空间的膨胀,并且还发现膨胀实际上不是恒定的,而是随着时间的推移而加速的,这就需要对我们计算出的最远观测星系的距离进行调整。)

因此,通过测量来自遥远星系的光吸收线的红移,我们可以在一定程度上准确地计算出该星系远离我们的速度,因此(假设我们模拟的宇宙随时间膨胀的曲线是正确的)它离我们有多远以及光发出的时间有多长。我们无法从单个光子中看出任何东西,但当我们观察整个光子流时,这些信息可以从光谱中间隔的测量频率中推断出来。
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