手电筒发出的光，去了哪里？是一灭，就消失了，还是像一列开出的火车，开向了宇宙深处？

笑看风云

手电筒发出的光，去了哪里？是一灭，就消失了，还是像一列开出的火车，开向了宇宙深处？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/22050097

队长是我

关灯之后，灯熄光灭，房间内的这些光究竟去哪儿了？
光是电磁波，而电磁波本质上是以波动形式在空间中传播的电磁场。电磁波能与物质相互作用，既能够被物体反射，可以被物体吸收。热辐射就是通过电磁波进行传播的。当然，由于光存在波粒二象性，它也可以被看作是光子。
这些光在灯熄灭的瞬间，大部分都被房间内的物质吸收了，仅有一小部分，被反射到了外界，但仍然也逃不过被吸收的命运。




光的传播速度高达30万千米每秒，在关灯后的那一瞬间，灯泡发出的光在灯熄灭后的不到一秒钟内，会与房间内的物体发生很多次的碰撞，并在此过程中被吸收殆尽。
我们能够看见这个世界，不是因为我们眼睛能够发出目光，而是因为我们的眼睛能够接收外界的反射光或者光源发出的光。灯熄灭后，没有了足够的反射光映入我们的眼睛，所以我们感觉灯光突然消失了。
照向天空的手电筒，电源熄灭后，手电筒的光束之所以会瞬间消失，也是因为它们几乎都被空气分子吸收了，没有足够的光线映入眼中，我们当然看不见。




当然，在少云晴朗的天气下，手电筒熄灭后，在这之前发出的部分光仍然会继续传播，并射向太空深处，直到被宇宙中的各种物质吸收殆尽。
光具有能量，被物体吸收后会转化为内能或者其它的能量形式。比如，太阳光照射在物体表面，其中有一部分就会被物体吸收，转化为物体内部分子的内能，使物体温度升高。太阳能发电则是将部分光能转化成了电能。普通的灯光照在人身上几乎感觉不到温暖，是因为功率太小的缘故。




物体除了能够吸收电磁波，还会向外界发射电磁波。
凡是温度在绝对零度，也就是零下273.15摄氏度以上的物体，都会无时无刻向外界辐射出电磁波，通常是红外光，只有那些温度较高的物质才会辐射出比红外光频率更高的可见光、紫外光，甚至X射线。
这种辐射现象是自发的，只要构成物体的粒子不处于绝对静止状态，就会永远存在。




物体辐射出的红外光来源于原子内电子的运动，当电子受激时，就会向外界辐射出电磁波。
实际上，电磁波的反射过程，本质上是一种吸收再辐射的过程，并且这种过程会导致反射光出现衰减。因此，这个世界上不存在反射率100%的物体。




而这个世界之所以色彩缤纷，并不只是因为我们的视觉系统能够对不同频段的可见光赋予不同的色彩含义，还因为不同材质的物体具有特定的反射光谱和发射光谱。地球表面各类物体的反射光谱就是遥感成像的基础。
关注我，带你长知识。

清风寡欲

高票答案 @Luyao Zou 有点复杂难懂，建议用公式说明符号代表什么，不过估计大部分人都没耐心看吧。
简化的说一下。
在绝对真空，无重力场作用中的理想状态确可以一直运动到宇宙深处。但是如Luyao Zou所说的1、光线会发散。2、即使是激光，由于光的波粒二象性光斑的大小也会变大。在很远的地方强度已经很小以至于无法看到。
然后在非理想状态下可能性就多了：可能被黑洞吸走。多数情况下被多次散射之后被吸收。吸收的话又有可能是光电效应（比如太阳能电池，转化为电子动能，或者说电能），荧光效应（转化为能量更低的光子+热能，比如钞票上的紫外线防伪标识，把紫外线转化为可见光），光合作用（比如叶绿素，转化成化学能），转化为热能（比如光波炉）。总之转化成了其他的能量。
答案结束，欢迎指正，接下来吐槽一下几个答案。
1、光子并不会湮灭，因为光子不存在反粒子，或者说它就是自身的反粒子。湮灭的过程是正物质和反物质产生光子。何况即使有反粒子(比如你往宇宙射质子)也并没有证据证明宇宙中存在如此多的反物质，以至于大部分都湮灭了。
2、泡利不相容原理并不是原子有序排列的原因。原子核（中的质子）带正电荷，互相之间存在电磁力作用才是。泡利不相容指的是相同自旋的费米子不能占据同一个态，或者说同一个能量态最多有两个自旋不同的费米子占据。能量不同的费米子完全可以在同一个空间。
3、大气层是完全透光的？先不说空气中存在的雾气尘埃等等，光在空气中的透射率不是100%,尤其非可见光。对于不同频率透射率也不同。能拍到卫星照片只能说明透过的光强度足够拍照。更何况卫星照片也不是每天都能拍的。



4、物体既能放出光子也能吸收光子，这并不能说明光子的数量是守恒的。

检验医师

如果考虑实际情况，在地球上打一个手电筒，很快就被尘埃和水汽吸收大半了。
如果在近期北京打个手电筒，可能连五米都照不出去。
当然答住问的不是这个，而是问如果在月球上向黑暗的夜空打一个手电筒，光会怎么跑。
答案（很可能）是：
绝大部分光（子）都（永远）奔向了宇宙深处。
因为宇宙在膨胀，且（边缘）膨胀速度远大于光速，因此只要这束光在一定距离内照不到什么东西，它就永远都照不到什么东西了。 会无限【奔】下去。
@Luyao Zou 答案中的：当距离足够远的时候，这个光斑将会暗淡到相当于消失。
说法必须精确限定在单纯【这个光斑】，确实可以理解为非常黯淡，但是整个宇宙中的光在不断膨胀的宇宙空间中不断奔跑，并没有消失，而是稀释成为了2.7k的宇宙背景辐射。
大概就是一滴盐水滴到海里的概念。

清风寡欲

--- 有更新，我发现我熬夜写的回答没写完。更新请看倒数第二段 ---
@魏新礼 的回答没有错，但是太抽象了，缺少很多细节。而楼下有一些信口雌黄的，懒得跟你撕逼。
题主的问题涉及光与物质作用的很多方面。先说简单的情形（手电筒发出的光，去了哪里？是一灭，就消失了，还是像一列开出的火车，开向了宇宙深处？ - 魏新礼的回答 - 知乎）里面说到的抵达眼睛里的光。眼睛之所以能看到手电亮，要么是直接看到来自灯泡的光，要么是光被大气中的尘埃散射，从而形成肉眼可见的“光柱”。手电一灭，光源不再发出光子，自然也就没有光继续到达眼睛。严格来说，这个“消失”的时间并不是 0，而是“手电的灯泡—尘埃—眼睛”总的光程除以光速。但是光速那么快，区区数十米的距离（目视范围），撑死了消失时间在 100 纳秒以内。
再来说大头：那些指向宇宙空间的光，会像“一列火车”一样一直朝宇宙深处进发吗？会，也不会。我们先从理想状况开始，再考虑实际情况。
1.理想状况：绝对真空

因为没有任何物质阻挡住光的去路，光会一直飞行下去。当然，如果时空够弯曲，光线是可以在三维空间中走弯路的。不过我们这里就假设普通情形，光走直线好了。
问题是，光束会发散。哪怕发散角非常非常小，在经过长长的旅程之后，光斑也会变得巨大无比。这是一个简单的几何题：我们假设射出手电的光斑是一个直径 d 的圆，发散角为 θ. 距离手电 z 的地方，光斑将会放大到直径
——当 远大于 d 的时候


我们可以计算一下 radiosity ——单位面积上通过的光辐射总功率

很明显的，单位面积上的辐射功率随距离的平方衰减——这其实跟球面波是一样的，差距只不过是系数而已。那么，当距离足够远的时候，这个光斑将会黯淡到相当于消失。这个消失的含义，在于随机取某一个瞬间，这个巨大光斑上的辐射功率密度已经无法保证一定有光子通过。
【下面这一段不喜欢可以跳过，不影响后续】
我们可以粗略估算一下这个量级。从微观层面来看，光源的辐射功率就是光源发射的光子流量乘以光子携带的能量。如果是老式的钨丝灯泡的话，还是可以套一下黑体辐射模型

而黑体的绝对辐射功率，由 Stefan-Boltzmann 定律

钨丝灯泡的总功率就是 j* 乘上钨丝的实际发光面积，注意不是上文的光斑面积 A。
假设手电功率有 1W，灯丝温度 3000 K，可以得到钨丝的发光面积 a

光子的能量是 hν，所以光子的流量就是

假设发散角为 1°，当 z 大于 1.09 亿公里（2/3个日地距离|天文单位）的时候，每平方米光斑每秒都不一定有一个来自手电的光子通过。所以：

如果光走得不够远，那是你的手电不够亮 （套用罗伯特卡帕）

2.发散角能严格为 0 吗？

答案是做不到。且不说手电这种仅仅靠一面抛物面镜汇聚而成的杂乱光束。就是方向性最好的激光，也不可能永远保持汇聚。这是因为高斯波束存在一个共聚焦长度极限：

这个长度极限之外，高斯波束的光斑半径退化成远场形式

也就是说——退化成了一个圆锥。
这个圆锥的发散角 ，即光的波长越短，发散角越小。
对于手电来说，发散角比上段估算的 1° 要大多了。而对于激光来说，可以做得好得多。比如可见光的激光，如果假设波长 500 nm， =1 mm，发散角的正切就是 0.009°，或者说 0.5 角分。
3.光与物质的相互作用：辐射转移

现实中宇宙中存在物质。光与物质肯定会发生作用。


从光源出发，光线路过的光程 l 不断增加，直到抵达观测者（可以是虚拟的，也可以是实际的）。而光学深度 τ 则是逆向而行，从观测者算起是 0，不断增加。
辐射转移中，最最基本的，是基尔霍夫定律

它说的是，光在介质中传播，每走一步，其谱线辐射强度（spectral intensity）的变化，等于（负的）吸收的强度，加上（正的）辐射的强度。
这句话看上去是废话，多退少补，不是很自然的事情么？但是介质的吸收和辐射，存在一个非常重要的关系。如果介质处在局域热力学平衡（Local Thermodynamic Equilibrium）状态，那么
【式1】
为黑体辐射的光谱强度 。
【式1】 说明辐射和吸收系数的比值等于黑体辐射强度，也即，介质不但会吸收光线，介质还会自发辐射光线。光子挟带的能量被介质吸收，会加热介质，然后这些能量再以黑体辐射的形式释放出来。其极限情况，就是介质变得和光源一样热，而这个时候，，光线在沿途强度不变——这个时候介质其实变成了新的光源！
我想起了一个相关问题为什么不能利用凸透镜使被照射物的温度高于光源？ - 黄小狼的回答 - 知乎
其中有与此相关的形象阐述。
至于被散射、反射的光，最终还是会被某些物质吸收。这些能量，还是会以黑体辐射的形式释放出来——只要体系是热力学平衡态。@魏新礼所说的光子彻底消失了，见他回答下的更新：

物体之间的电磁相互作用就是在不断地来回发射接受光子的过程中完成的。旧的光子和新的光子之间没什么关系，所以说旧的光子完全消失没有错。当然光子作为一种基本粒子的类型是永远不会消失

我也是这个意思。如果对光子标号，那发出的新光子和吸收的旧光子肯定不是同一个。不过要说一点关系也没有，也不一定哦，譬如受激辐射。但是微观粒子有全同性，如果仅从宏观角度看，光经过介质不一定会消失，取决于具体的辐射转移情况。
4.光学深度（optical depth）

我昨天竟然忘了写了！好，从上一段辐射转移模型中可以看到，介质会吸收光，也会再辐射光。尽管极限的情况是介质变得和光源一样热，但是这个极限的条件其实很苛刻，它要求介质非常稠密、加热时间足够长、体系处于热力学平衡态。实际情况下，很少能有这样的介质（或者说这样的介质自己也变成了光源，就不能算介质了）。那实际情况下，光束通过介质，能量究竟衰减了多少呢？这个量就由光学深度（optical depth），又叫不透明度（opacity）， τ 来衡量。
τ 的定义很简单

τ 越大，能够透过介质的光就越少，入射光和出射光的强度比值就越大。通常，习惯把 τ<1 的情况叫做“光学薄（optical thin）”，而把 τ>1 的情况叫做“光学厚（optical thick）”。“光学薄”的时候就可以认为介质大体是透明的，大部分光线可以穿过；而“光学厚”的时候，介质基本就不透明了，绝大部分光都被吸收。总的来说，τ 和介质中的物质总量（气体、尘埃）成正比。这是很直白的关系：阻挡、吸收光的粒子越多，介质当然就越不透明（联想墨水）
不过，不管是光谱强度 I，还是 κ, j 和 τ，都是光频率 ν 的函数。某个介质，在某些频率上可能是光学厚，但在另一些频率上就是光学薄。这正是光谱学研究的核心内容：介质在给定的物理条件下，在给定频率的光学深度会有多少？微观上光和介质经过怎样的机制，才产生这样的结果？坑太大，这里就不展开了。Elsevier 专门有一本学术期刊，叫《定量光谱学和辐射转移》（Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer）



这里只定性讨论一下理想情况：热力学平衡态，光源和介质都只有黑体辐射，光源热力学温度是 ，介质热力学温度是 。，就比如恒星（数千到数万 K）和星际云（<100 K）；或者白炽灯泡的手电（3000 K）和大气（300 K）。此外，介质的体量比光源大很多个数量级。
套用基尔霍夫定律【式1】，可以得到
  【式2】
而黑体辐射的光谱，大家知道，温度越高，高频段的辐射强度就越强。



在短波区（可见光、近红外），，【式2】右侧第一项主导，因为有一个负号，表现出来就是介质在吸收光。
在长波区（毫米波、微波），，【式2】右侧第一项主导，因为有一个正号，表现出来就是介质在辐射光。
这正是天文中所观测到的星际云的情况。下图是一个星云的照片，左侧是红外，右侧是 1.22 mm 长的电波（CS 谱线）。可以看到，红外下黑暗的星云，在电波段反而明亮。



图片来源：UEC/NAOJ ALMA Discovers Large "Hot" Cocoon around a Small Baby Star

我们的地球也一样，白天接受太阳光的照耀，地表和大气都得到加热，而夜间又将这些能量以红外波的形式发射出去。所以，你的手电微弱的光芒，如果被大气中的尘埃和分子吸收了的话，最终也会变成更长波长的光，再次向宇宙深处前进。
5.综上

只要光源足够亮，发散角足够小，它就有能力在宇宙中行走很长的距离。如果突然熄灭光源，之前发出去的光本身也不会立刻消失。当年阿波罗计划在月球表面放置的镜子，就是为了反射激光来测量地月距离的。一束脉冲激光打出去，要等待约 2.5 秒才能受到回音。可以想象，如果故意让激光不打中月球，而是像太空射去，那么它肯定能够前进更久，直到变得过于黯淡。
此外，以上的理想化模型处理，并不关心光源是什么，无论它是手电，还是遥远的星光。只要够明亮，就能划破黑暗。
以上。



阿波罗15号在月面放置的反射镜阵列。图片来源：NASA

继续前进

光子是电磁相互作用的中间玻色子，在带电荷的粒子之间传递能量和动量，例如电子和质子之间的电磁作用，以及正负电子或正负质子的湮灭。鉴于日常生活中反物质比较少见，绝大部分光子都是由电子发射被质子接收，或是由质子发射被电子吸收。发射和吸收光子的过程会改变粒子的能量和动量，从而体现了电磁相互作用，而光子本身在传递完相互作用之后，就被吸收并彻底消失了。
具体到手电筒发出的光，那些你看到的就被你眼睛吸收了，那些没看到的或者被其他物体吸收了，或者一直到达宇宙中的某个物体，并让这一物体和手电筒发生电磁相互作用。当然这是真空无介质的情况。
-
关于
@Luyao Zou 高票答案所说的“光子消失并不确切”，事实上物体在吸收光子之后在一些条件下肯定会重新释放出新的光子，从而再一次改变自己的动量和能量。物体之间的电磁相互作用就是在不断地来回发射接受光子的过程中完成的。旧的光子和新的光子之间没什么关系，所以说旧的光子完全消失没有错。当然光子作为一种基本粒子的类型是永远不会消失的，所以我觉得高票答案和我的答案之间存在的只是一个语言学上的分歧。