Если посветить фонариком в ночное небо, то будет ли свет распространяться бесконечно?

Представьте себе интересный и простой эксперимент. Вы взяли обычный фонарик и направили его луч в ночное небо. Скорее всего вы увидите, что этот луч начнёт рассеиваться примерно на высоте облаков или даже ниже. В туманный же день вам покажется, что луч света поглотился окружением ещё раньше. Вот только в этом опыте есть неожиданный результат — согласно статистическим расчётом далеко не все фотоны от луча света фонарика окажутся рассеяны и поглощены. Некоторые вполне способны дойти до края Вселенной (а поскольку такового, похоже, нет — будут путешествовать очень и очень далеко). Однако, на это уйдут миллиарды лет.

Обычно люди полагают, что если свет фонарика объективно не очень яркий, то он должен полностью поглотиться, прежде чем покинет атмосферу. Масла в огонь подливают учителя физики в школе, которые используют такие задачки якобы чтобы засыпать ученика и влепить двойку за непонимание основ предмета. Ведь свету, вроде как, очень многое мешает и рассматриваемый сценарий просто невозможен. Но это как раз тот случай, когда змея ест свой хвост. Задача намного сложнее, чем оно кажется.

Если исходить из математики, то для более яркого внешнего источника доля фотонов, выходящих из атмосферы, будет равна доле фотонов, попадающих внутрь. Например, в верхних слоях земной атмосферы энергия Солнца составляет около 1400 Вт/м2. В нижних слоях атмосферы она составляет около 1000 Вт/м2.

Около 35% поглощается атмосферой. То же самое будет и с вашим фонариком, даже при учёте того, что свет не самый яркий. Нам следует, как это часто бывает, не опираться тут на интуицию. Физика отталкивается от холодного расчёта и это во многом противоречит реальному жизненному опыту, который мы имеем. Особенно ярко это проявляется в квантовых системах, которые совсем не похожи на макрообъекты. Фотон есть представитель квантового диапазона. Потому и для прохождения фотона через атмосферу мы используем логику не «тусклый свет», а «математическая вероятность» и статистика распределения.

Если лампочка фонарика, мощностью 1,4 Вт (которая довольно тусклая на первый взгляд) будет светить в небо, то около 1 Вт покинет атмосферу. Длина волны тоже имеет значение. Некоторые длины волн поглощаются сильнее, чем другие. Но мы говорим о видимом свете. Множество других факторов, которые нам и подбрасывала интуиция, тоже скажутся. Но не на всём объёме потока.

Как только наши фотоны покидают атмосферу, они имеют все шансы достигнуть края галактики. Однако, это не означает, что мы исключаем самые разные влияния на эти фотоны. Солнечный ветер, различный мусор и рассуждения на тему «Вселенная не терпит пустоты» тут тоже более, чем уместны. Но мы вновь обратимся к логике и статистике.

Например, космический телескоп «Хаббл» увидел галактику на расстоянии 13,4 миллиарда световых лет. Часть света от этой галактики прошла именно такое расстояние, о котором мы сейчас беседуем. Конечно, какая-то часть была поглощена по пути, но не все.

Даже если 999 999 фотонов из каждых 1 000 000 поглощаются, это все равно означает, что 1 из миллиона достигает цели. Эта доля далеко не так мала, но даже если бы это было так, одна миллионная часть фотонов вашего фонарика добралась бы до края Вселенной. И да, один на миллион — это мало по сравнению с числом фотонов, испускаемых вашим фонариком.