手电筒射出的光子有多少，能飞多远，会因地球引力而拐弯吗？

本文基于回答网友类似的问题，见截图：

简单回答：光会以无限接近直线的方式射出。

光线会受到引力拉扯而弯曲，但引力源必须非常巨大，地球的引力太小了，对每秒约30万千米的光来说基本可以忽略不计。

这是因为地球引力对光来说太小了

万有引力对一切带有电磁作用力的物质都起作用，光是电磁作用力范畴，而且光子是电磁辐射的媒介，当然也受到引力影响了。而且光子虽然没有静质量，却有动质量，引力是质量对时空扭曲导致的现象，因此光受到引力所用就顺理成章了。

爱因斯坦广义相对论认为，任何有质量的物体，都会扭曲周边时空，小质量小扭曲，大质量大扭曲，由于物体的运动，形成的时空曲率方式多种多样，但总体上就像在自身周围形成一个漩涡或陷阱，任何物体经过这个漩涡或陷阱就会受到影响。

越大的天体形成的曲率越大，漩涡或陷阱就越深越强烈，接近的小天体就有掉落到这个陷阱或漩涡的趋势，如果速度不快，就会掉入深渊，表现出来就是被引力拉拽，最终掉落到大天体上。

前面提到的速度，是指速度越快的物体，逃脱引力漩涡或陷阱的概率就越大，逃出一个天体引力陷阱的速度叫逃逸速度。计算逃逸速度的公式表达为：v=√（2GM/R），这里的v就是逃逸速度，G为引力常量，M为天体质量，R为逃离物体与天体质心距离。

地球质量约6*10^24kg，半径约6371km，根据公式我们可以计算出，地球表面的逃逸速度约11.2km/s。也就是说，在地球表面，只要达到每秒11.2公里的速度，就能够逃离地球引力。而光速是每秒30万公里，是11.2公里约2.7万倍，地球这点引力对光来说几乎可以忽略不计。

太阳质量是地球的33万倍，表面逃逸速度为617km/s，对每秒30万公里的光也影响甚微，否则太阳的光芒岂不就一直围着太阳转圈了，怎么能够来到地球呢？但太阳引力毕竟比地球大多了，因此许多科学家在日全食时观测经过太阳附近的星光，发现偏转约1.66"，与爱因斯坦广义相对论的计算基本吻合。

因此，手电筒射向天空的光会基本接近完全直线。在量子力学里面，可见光是由光量子组成，而光量子具有波粒二象性。光子的寿命没有定论，但多数人认为，寿命无限长，那么这束电筒射出的光，理论上就会永远在宇宙中飘荡。

事实果真如此吗？非也。实际上，这束光射出去后，仅需几秒钟，就完全消散了，不见了。导致这束光消散的原因大致有三个：1、光子与其他粒子碰撞，发生相互作用改变了轨迹；2、电筒光的散射，光子被稀释分散了；3、随着距离拉远和宇宙膨胀效应，光波逐渐被拉长，成为不可见的电磁波。

下面我们就这三个方面原因讨论一下：

光子遇到其他粒子会发生散射、衍射、吸收和转化

理论上，光射出去后，即便你关闭了手电筒，这束光也会像射出的炮弹一样，如果没有任何阻挡的话，就会一直飞下去。炮弹因为速度很低，在地球上会被重力拉扯，还会被空气阻力阻挡，因此其飞行轨迹是一个抛物线，飞不了多远就落下来。

但光子速度为每秒30万千米，地球引力几乎可以忽略不计，因此会一直飞下去，除非遇到阻挡。事实上，光射出去后，一路上的确有许多障碍。在大气层里，主要是大气分子、尘埃的阻挡。

当光子遇到各种物质粒子时，就会发生反射、衍射、散射或吸收，一束光就会不断衰减。

手电筒向天空射出的光，首先要经过稠密的大气层，地表大气密度为1.293kg/m^3，每立方厘米含有大气分子约2.6875*10^19个，也就是约17亿亿个，光子在这样浓密的大气中穿行，当然会被吸收消减得很快。

当遇到反射、折射、衍射时，光就改变了方向，自然就不会顺着原定路线走了，这样光就减弱了；当光子撞击到大气分子或任何原子的电子时，能量就会被电子吸收，电子得到了额外的能量就会处于激发态，跃迁到更高能级，之后没有更多的能量补充，又会跃迁回到原来的能级，同时释放出一个光子。

但这个光子已经不是原来的光子了，发射的方向也不是过去的线路了，因此我们就可以认为这个过去的光子消散了。

即便到达太空，也不是绝对真空，也还有稀少的粒子存在，光子还会与这些粒子发生相互作用而转化。由此，这束光最终会消失殆尽。

光子还会由于电筒光斑扩散而被稀释

手电筒虽然有聚光装置，但聚光能力较弱，射出的光是不断扩散的，而且与距离成正比。不同的手电筒发光能量不一样，聚光能力不一样，我们以一个发光功率为10瓦，聚光射角为10°的手电筒为例来计算一下。

一个10瓦功率的灯泡，产生的能量为10J/s（焦耳/秒）。光子能量E=hc/λ，也就是等于普朗克常数乘以光速除以波长。

可见光是电磁波谱里面一个很狭窄的波段，波长约在380nm（纳米）到760nm之间，我们取一个平均值为570nm。根据光子能量公式计算，得到每个波长为570nm的光子能量约为3.5*10^-19J。这样这束手电筒射出的10J/秒能量的光，光子总量约为2.86*10^19个，就是28.6亿亿个光子。

手电筒射出的光以10度角不断扩散，光斑就会不断扩大，光子就会被稀释。射出30米时光斑半径约2.5米，3公里时光斑半径就有250米；300公里时光斑半径就有25公里；3000公里时光斑直径就有250公里了。

这时，即便所有的光子都没有衰减，每平方米还有多少光子呢？我们按圆面积公式计算一下，得知在距离手电筒3000公里时，光斑面积已经有约196349540849平方米，每平方米光子数还有约1.46亿个。如果人眼捕捉光斑面积为1厘米的话，那么每秒钟就还有145个光子进入视网膜，虽然已经很微弱了，但还是能看到。

但在地球上，手电筒光走这么远是不可能的，稠密的空气早就会将这束光衰减没了，即便留下个别光子，人眼也很难感知到。

但即便在太空，这束光也传播不了1秒钟，因为光速是1秒30万公里，在30万公里的地方，这束光的扩散半径就达到了25000公里了，光斑面积就有1963495408493621平方米，每平方米的光子数就只有14566个，1平方厘米的光子数就只有不到0.015个光子了。

实际上，在手电筒光传播0.1秒，行程3万公里时，每秒能够进入人眼的光子只有不到1.5个了。对于人眼来说，一般要有6个光子才能感光，特别好的视力也需要3个光子，1.5个光子已经看不到了。

普通光源本身性质就是向四面八方发散的，人们给光源装上一个聚光装置，才能让光向一个方向传递，手电筒光源一般都是普通光源，因此无法传播更远。激光则是天生向一个方向传播的光源，发散度很小，大约只有0.001弧度，因此就能够射得更远。

上世纪登月时宇航员们在月球上安置了几个激光反射装置，科学家们在地球上将激光发射到这个反射装置上，再接收反射回来的激光，根据发射和返回花去的时间，就能够精准测量出地球与月球的表面距离。

当然，发射和接收装置都必须采用望远镜，依靠人眼是无法完成的。理论上，望远镜的主镜面积越大，聚焦得到的光子就越多，就能够看得越远。这里就不展开说了。

光速远离和宇宙膨胀导致光波拉长成不可见光

我们知道宇宙在膨胀，距离越远则膨胀越快，光速在远离我们以及宇宙膨胀过程中，波长会发生多普勒效应。所谓光的多普勒效应，就是光源向着我们运动，就会被压缩频率和波长，而与我们背道而驰时，就会降低频率和拉伸波长。

可见光是复合光，也就是由多种颜色组成的光，且可以通过棱镜形成色散，波长从长到短大约分成红橙黄绿青蓝紫等颜色，波长拉长就是往红端移动，波长缩短就会向蓝端移动。

这样，远离我们而去的光就会形成红移，加上宇宙膨胀，这种红移量就会越来越大，最后移出人眼能看到的760nm波长范围，成为红外线或无线电波，红外线以上波长的电磁波，人眼是看不到的。

这也是人们制造望远镜除了有光学结构的，还有无线电、红外、紫外和X射线、伽马射线等不同电磁波波段的望远镜，这样观测远方暗弱天体，就可以弥补人类眼睛感光的不足。

因此，电筒射出的光在宇宙中会很快消失，理论上虽然有部分光子可能永久存在，但人们要捕捉到它就很难了，在很远的地方，即便捕捉到一个光子，也难以分辨是从哪里来的，是什么物体发出的了。

但如果一个巨大的恒星或星系，由于其发出的光子量实在太大了，且其中包含能量很强的X射线、γ射线，因此即便距离我们100多亿光年，也会被人类看到。不过不是仅凭肉眼，而是依靠各种大型精密的望远镜，还需要利用宇宙中的引力透镜，才能够观测到。

宇宙微波背景的光子，就是在宇宙大爆炸38万年后发出的，已经走了138亿年，虽然很微弱，还是被科学家们捕捉到，这说明光子的寿命是超长的。

就说到这吧，欢迎讨论，感谢阅读。

时空通讯原创版权，侵权抄袭是不道德的行为，敬请理解合作。

本文链接：https://www.bjjcc.cn/kepu/44101.html，文章来源：科普之家，作者：时空通讯，版权归作者所有，如需转载请注明来源和作者，否则将追究法律责任！