激光能傳多遠(yuǎn)呢？

jimimiluo 2018-07-15

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作者：Yuen Yiu

編譯（翻譯）：稻尾

對于便攜激光筆想必大家都不陌生，那你有沒有好奇過，這種激光能傳播多遠(yuǎn)？讓我們想象一下，如果你在地球上，而你的老師不小心因為時空錯位的原因飄落到火星，在這樣的超級宇宙課堂上，調(diào)皮的你還能不能用激光筆惹惱他呢？

地球發(fā)射的激光傳播模擬圖。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學(xué)會

好吧，不賣關(guān)子。

答案是，不能。

原因是激光在遠(yuǎn)距離的傳播過程中會發(fā)散，當(dāng)激光筆發(fā)出的光線到達(dá)火星時，光斑的亮度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于肉眼可見范圍，比人能分辨的最弱光線暗了一百萬倍，這個調(diào)皮的操作當(dāng)然不會引起老師的任何注意。

不相信我們結(jié)論的話，不妨進(jìn)行一些簡單的計算，自己推出一些結(jié)果來。

在近期的一次天文學(xué)會議上，科學(xué)家們討論了能否探測到系外外星人（銀河系外的外星生命）發(fā)出的光子。Inside Science的工作人員從這個討論受到啟發(fā)，做了一些推算，想看看外星的“伽利略”能不能發(fā)現(xiàn)來自地球的光子。

要判斷一個激光器發(fā)出的光能否被看到，我們需要借助一些簡單的方程。首先要計算出激光在空間傳播的過程中，它的發(fā)散程度隨著距離變化的關(guān)系。緊接著，根據(jù)前面計算出的發(fā)散度，再借助簡單的幾何方法，就可以得到在目標(biāo)點激光形成的光斑大小。最后，用激光的功率除以光斑的面積，這樣就得到了目標(biāo)點的激光強度。盡管人類或者外星人感知光線的能力不是簡單的依靠光強度，但就推算而言，可以把光的強度和亮度視為同一事物。

計算過程參考：

本文所進(jìn)行的計算，只需要三個比較簡單的公式即可。首先，假設(shè)激光器均被優(yōu)化到其擴展角為理論最小值，那么我們就可以使用下面的方程計算其光束發(fā)散度（以弧度為單位）。

（激光器的波長）/（π×激光器的孔徑）

然后，借助幾何知識得到目標(biāo)點處光斑的大小。

π×（光束發(fā)散度×距離）2

最后，將激光器的輸出功率除以光斑面積來得到亮度的表達(dá)式。

（激光的功率）/（光斑的面積）

如果在計算時沒有出錯，而且數(shù)據(jù)分別是以弧度，瓦特和米為單位的話，最終得到的結(jié)果應(yīng)以瓦特/平方米為單位。

在絕對黑暗中肉眼可見的最低亮度大約是每平方米一百億分之一瓦。然而，由于存在城市光污染等原因，人們通常看不到比北極星更暗的星星，北極星的亮度是每平方米四十億分之一瓦。相比之下，滿月是每平方米千分之一瓦，比北極星亮了將近一百萬倍。正午的太陽亮度高達(dá)每平方米1000瓦，比月亮亮了大約50萬倍。

在本文中，我們將使用這些數(shù)字作為參考。

你的便攜激光筆

常用的便攜式激光筆發(fā)出的光，功率在0.005瓦。這看起來很小，但由于激光的波束很窄，它的能量聚集在一起，最終會形成一個很亮的光點。打個比方，在手臂遠(yuǎn)近的位置用它去照射人的眼睛，激光在眼球上形成的亮點要比正午的太陽還要亮30倍。這是一件極其危險的事，所以不要嘗試將激光指向眼睛。

在飛機上看見激光筆發(fā)出的光。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學(xué)會

窄波束的激光在長距離的傳播后會產(chǎn)生發(fā)散也是不可避免的。所以在越遠(yuǎn)的地方看到光源的亮度就越暗淡。

我們拿紅色激光筆來舉例：距離它100米的地方，波束變大了約100倍，此時它看上去就像在0.91米外看一個100瓦的燈泡；離遠(yuǎn)一些，在約一萬兩千米高空中飛行的飛機上觀察它發(fā)出的光，并且假定沒有云霧的干擾，那激光筆的光點將和月亮一樣明亮；在更遠(yuǎn)的地方，比如國際空間站，激光筆的亮度會降到和夜空中最亮的星星——和“天狼星”差不多。

對于最近被Speace X送入太空的Starman來說，紅色激光筆發(fā)出的光實在是太暗了，他根本無法察覺。如果我們想要引起Starman的注意，就需要更亮的激光。

海軍的導(dǎo)彈殺手

美國海軍可能有我們需要的激光——導(dǎo)彈殺手。根據(jù)最近的一些報道，美國海軍在研發(fā)一種實用性強而且能夠摧毀來犯導(dǎo)彈的激光。為了符合導(dǎo)彈殺手的本色，這種激光要達(dá)到50萬瓦的功率，比前面提到的便攜激光筆強出1億倍?？雌饋硭坪醴衔覀兊囊?，但這種激光器發(fā)射的是紅外線，而紅外線對人來說是看不見的。

為了將推算進(jìn)行下去，就假設(shè)Starman和火星人能夠看到紅外線吧，誰能保證他們一定看不到呢？

武器級別的激光器往往擁有更大的開口或者孔徑。這樣做會使得激光束發(fā)散現(xiàn)象減弱，從而將激光可以傳播到更遠(yuǎn)的地方。

當(dāng)我們將導(dǎo)彈殺手激光束瞄準(zhǔn)月球，由于大孔徑的原因，在月球表面會形成直徑約2.41千米的紅外線光斑。作為對比，便攜激光筆發(fā)出的光到達(dá)月球時，將形成直徑為12.87千米的斑點。

如果你能看到紅外線，并站在導(dǎo)彈殺手激光束照射下的月球上，你將發(fā)現(xiàn)它的光芒比地球明亮大約30倍?？瓷先ニ坪跻呀?jīng)很亮了，但如果拿它和太陽比，這一亮度僅為正午時分太陽亮度的千分之一。

外星人眼里導(dǎo)彈殺手發(fā)出的激光。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學(xué)會

如果我們以地球和火星之間的最短距離（約為5.47×10^10米）為參考，在這個距離下，激光到達(dá)火星表面時的光斑直徑在321.87千米左右。這樣的亮度是可以被觀察到的，它大約是天空中最亮恒星——太陽的一半，但仍然不足以引人注目。

看來我們需要更高能量的激光。

有史以來最強大的激光器

全世界有多家科學(xué)機構(gòu)都擁有巨大的強激光器，部分設(shè)備發(fā)射的功率甚至達(dá)到了千兆瓦。想要用便攜激光筆來達(dá)到這個功率，需要約10^18支，若將它們平分給全世界的人，每人能分到近10億支！

如果連續(xù)工作，這種激光器將在短短的幾秒鐘時間里耗盡全世界的電力。

但幸運的是，這些激光器可以瞬間將能量釋放（通常時間不到萬億分之一秒），然后把極短的激光脈沖聚焦到幾千分之一毫米的點上，以此得到比太陽表面亮10萬億倍的光。按照這個方法能得到極高能量的激光，科學(xué)家們正利用它去撕裂空間，以探尋更多宇宙的基本規(guī)律。

如果我們只是想拿激光取樂并射向太空的入侵者，看起來似乎沒什么不妥，但這樣做有一個嚴(yán)重的缺點：太強烈的激光會激發(fā)出紫外線，而紫外線將會被地球的大氣吸收，這會增加地球大氣層的負(fù)擔(dān)。要是我們不想造成這種后果，那就要考慮在太空中建造出房子般大小的超級激光炮，以此完成后續(xù)的探索。

在極短的時間內(nèi)，人類是可以承擔(dān)起向火星發(fā)射此類激光的。如果這么做的話，發(fā)出的光線將在火星表面形成直徑約241.40千米的光斑，隨之會產(chǎn)生出比地球正午強1000倍的紫外線。

好吧，要是真這么做了，那就讓我們祝愿火星人也會有SPF-1000的防曬霜吧。

外星人受到強烈紫外線的烘烤。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學(xué)會

令人遺憾的是，我們都知道沒有火星人，甚至在太陽系中除了地球都沒有發(fā)現(xiàn)任何生命。然而，宇宙中的系外行星不計其數(shù)，僅是被發(fā)現(xiàn)的就數(shù)以千計，這些行星繞著太陽系外的恒星運轉(zhuǎn)，就像地球圍繞著太陽一樣。那么在這些系外行星中很可能出現(xiàn)生命體。如果我們想要試圖引起他們的注意，高能量的激光也許會成為最佳的信使。

距離我們大約四光年的“比鄰星”是離地球最近的一顆恒星，它有幾顆自己的行星。如果將最強大的激光器瞄準(zhǔn)這些系外行星，那么在激光到達(dá)的時候，光線會比人在晴朗夜空中看到的最亮星星還要耀眼。

因此，在我們發(fā)射激光四年后，如果這個星系的“伽利略”們恰好在夜空中觀察著對應(yīng)的位置，他們很可能會注意到納秒級的紫外線閃爍，然后發(fā)出疑問：“這是什么？”

新的故事將由此開啟……