03.05 為什麼用激光筆指著月亮時沒有紅點?

suck-sun掃去陰霾


簡單地說一下就是激光筆一方面光強度太弱,另外一方面就是月地距離太遠導致從激光筆射出的激光經過長距離的傳播發散得很厲害,基本上最後能夠打到月亮上的光子微乎其微。



實際上,別說你用一支激光筆做這個實驗了,就算是用一個有著足夠強度的激光裝置,打出的一束高能激光,最終能夠打到月球上一個不大區域上的光子數目少的可憐,更別說還要從月球上再反射回地球,即使是大口徑的望遠鏡所能夠接受的光子也不多。那麼為什麼激光會發生散射呢?原因就在於我們的大氣層,大氣層裡有著不少的水蒸氣以及塵埃,這些雜質會使得光在傳播的過程中發生散射現象。


問題就出在這裡,既然對於大氣層本身的狀況我們不可改變,那麼就得從自身想辦法,這就包含了幾個方面:比如說激光的強度,用來接收反射回的光子的望遠鏡的口徑,還有一個很重要的就是要讓打在月面上的光子成功返回,這就不可能不做點什麼而直接讓月面反射,因為這基本上是不可能的,所以說得有一個裝置讓打在月球上的光子沿著原路返回啊。這個裝置的原理很簡單嘛,就和自行車的後面的反光鏡一個道理,夜晚有車燈照到上面光會沿著原路返回,這樣就讓別人知道前面有騎著自行車的人而不至於撞上了,同樣的原理,發射一個這樣的反射鏡到月球表面,只是尺寸應該大一些。


其實這個實驗美國人幾十年前就做過了,也是用這樣一個反光鏡反射從地面發射的激光,通過測定打出到反射回所用的時間乘以光速再除以二就知道月地距離了。第一次月地距離的測定是美國實施“阿波羅計劃”時完成的,他們在月球上的指定位置投放了一個幾十釐米見方的反射器,用上了高能激光裝置以及大口徑的望遠鏡,終於在收集了少量光子之後計算得出了月地距離。

當然,測定月地距離的方法不止這一種,聰明的古希臘人幾千年前就運用了數學方法得出了月地距離的粗值,與現代的數值差距僅有3%。具體方法我在這裡也不再做介紹了,有興趣的可以去了解一下。


鏡像科普


這激光筆說的是我們拿的玩具一樣的紅外線激光筆嗎?題主也太看得起這種小玩具了,雖然說光束在發出之後不受阻擋就會一直奔跑,但是激光筆發出的光亮射到月亮上,還會剩多少光子呢?這些光子再反射回來進入你的眼睛時又會有多少呢?所以一隻紅外線激光筆根本不可能在月亮上照耀出紅點。

不過在早期人類測量地球和月亮之間的距離的時候,還真就使用過激光照射月亮的方法,當然,那樣的激光要比激光筆的光束強多了。



我們都知道激光的光束很強,發射出去就像一條直線,有的直射不散的特性,其強度能夠將阻擋在它前面的一些事物洞穿,然而即便如此,把激光發射到月球上面,38萬公里的距離仍然能將激光束放大無數倍,據說在美蘇等國早期將激光束髮射到月亮上測量地月距離的時候,地球上發射的激光束到了月球上之後,直徑竟然達到了1-3公里那麼大,但是在地球上它們只是一個小點而已,可見即便是激光,發射之後也是有著很大的散射現象的,而我們用玩具一樣的激光筆照射月亮的話,光束到達月亮的位置時其直徑或比整個月亮都大,怎麼可能看到月亮上出現紅點呢?想一想一個激光筆的能量有多大,照到手上都沒什麼感覺(不可照眼睛,有可能致盲),前進的過程中又會被地球大氣層吸收一部分,又因為散射損失一部分,而月亮的面積又那麼大,所以不可能看到任何變紅的現象。



科普大世界


實際上,早就有人嘗試著拿一個超級大號的激光筆指著月亮看了。

早在1962年,美國和蘇聯都開始使用激光測量地月距離。而在1969年7月21日,美國的阿波羅11號將第一個激光反射器陣列戴上了月球的指定位置。依靠著這塊46釐米見方的反射器,我們終於進行了地月距離的準確測量。

上圖就是那塊反射器的尊容。這塊反射器陣列裡,有100個叫做“角反射器”的東西,其功能就是讓入射到反射器上的光,平行於原路返回。

這個反射器裝上之後,原理上,我們就可以向著這個反射器打一束激光,然後探測反射回來的光,記錄總共消耗了多少時間。再乘以光速,就可以得到地球到月亮的距離了。

但是難點在哪裡呢?就在於這個激光。大家經驗上可能覺得,激光就是一條直線啊,打出去就一個小點啊,到了月亮上也該是一個小點。但其實不是這樣的,再好的激光也是會發散的,很難做到真正的“一個小點”。三十多萬公里的距離,已經足夠讓一束直徑不到1釐米的激光,擴散成一個直徑達數公里的大光斑,絕大多數的光子都無法照射到這個反射鏡上。因此,就需要:1,更大功率的激光;2,更好的探測器。

那麼現在大家都怎麼搞呢?

用的是這麼大的激光器

這麼大的望遠鏡

卻只能收到這麼多數據。一個點是一個光子,你查查這才幾個光子。給你個提示,一個10瓦燈泡,一秒鐘可以放出大概10^17 個光子,也就是100,000,000,000,000,000個光子。

事實上,在裝這個反射鏡之前,也有直接用激光打月亮測地月距離的實驗。100瓦的激光,打了0.5秒,收不到10個光子。這還是使用了大口徑望遠鏡的情況。

如果全地球60億人,每人拿一個5毫瓦的激光筆,三千萬瓦。

激光能量高了10^6倍

觀測設備的口徑(望遠鏡VS人眼)小了大概100倍,面積小了10000倍

大氣散射,畢竟地球上不可能處處晴天,算差了10倍吧。

那麼,粗略估計下來,這麼多激光筆打上去,你的眼睛每秒鐘能夠比平時多接受多少光子?30個。大概是一個,嗯,1000公里外亮起了一個10瓦的小燈泡。

何況你還是一個人一支筆。

根本看不見的。如果有誰覺得自己能看見,可以來這兒報個名,我來把你捐給國家做實驗哈哈哈~


IvanZhu


原因有好幾個,其中最重要的是激光筆沒有發射足夠的光子,因此沒有光子可以穿透大氣層到達月球。

利用阿波羅號進行月球激光測距實驗時,德克薩斯州的麥克唐納天文臺最初使用的是3焦耳紅寶石激光,發射出的激光束跟商業紅色激光筆發射的波長大致相同,但功率是商業激光筆所允許的功率的600倍。為使光束儘可能緊密,激光是用1/7米望遠鏡的光學元件射出的。然而,大氣層會導致激光束髮生畸變,在到達月球之前就發散了,估計直徑變成了10公里。只有精密儀器才能檢測到望遠鏡反射、通過大氣返回的少數光子,距離離開月球的後向反射鏡幾百萬公里。

現在麥克唐納天文臺用是釹-YAG激光器進行月球激光測距實驗,其功率比激光筆高出25倍,通過只有0.78米的望遠鏡發射,但脈衝頻率更高。由於儀器和直徑控制得到了巨大改進,因此測出的距離更準確。

剛才解釋了一大圈,意思是說要想用肉眼看到月球上的激光,必須用已有的最大尺寸的望遠鏡發射死亡射線。如果能看到激光在月球上投射的點,這個點會很大,覆蓋月球表面上好幾公里。


迷失在耶路撒冷


一,激光筆發出的激光束功率不夠,也許在大氣層內就被阻擋並消耗掉了。

二,激光筆發出的激光束會發散,變成一個巨大的光斑,反射回來的光極弱,以至於看不見。

三,即使激光筆功率足夠並且沒有發散,它照射到月球也是直徑不到1平方釐米的光斑,肉眼在地球上不可能看得見。

四,據說美國有在月面放置一面角反射鏡,用來測定地月之間的距離,它發射的應該就是激光束。只不過接收的設備比人眼要精密和敏感得多了。


老粥科普


這樣的問題,竟然有人問!

這樣的問題竟然有人回答,包括我在內。不過,在回答之前,特別想見見提問這位仁兄,我想知道是什麼樣的勇氣支撐他提出了這個問題,並還有好運氣活到了現在。

更瘋狂的是,這個問題的提問和回答,竟然進入了悟空問答的熱榜,我也特別想知道把這個問題讀上熱榜的人,都什麼樣子。

這問題就好像發問,在北京跺了一腳,為什麼成都沒有震感?

就好比,在黃河裡打了一顆雞蛋,為什麼沒有喝上蛋花湯一樣勇敢。

不知這位仁兄知不知道,我們現在看到的星光,已經是幾萬年前發出來的,漫長到用光年計算的距離,即便是以光的速度也得走幾萬年。

有的星光在我們看到後,甚至連星星都已經不存在了。

那麼這位仁兄是有足夠的信心,覺得自己可以一站就是上萬年,還是對激光筆的電量有足夠的信心,覺得可以支持上萬年。

或者是,他覺得自己手裡的激光筆不是激光筆,而是韓索羅的千年隼號,動不動就“快如蝠隼,耐用千年”。

我也特別想知道,在技術發展到今天,在手機app這種有著科技屬性的平臺上,大家都是這麼開玩笑的嗎?


阿郎看電影


真理源於現實,只不過是現實的抽象化概括。把彈球扔出去,若是有個盡頭,比如遇到一個硬的物體,比如瓷磚等,那麼它就會再回到你手上;如果遇到一個軟的物體,比如水池,那它肯定是會不到你的手上;如果扔出去時它路上遇到摩擦力大,能量耗損過大,以至於沒有能力來回一趟,那麼它也回不來。若是沒有盡頭,那麼它自然不會回來了。激光也是如此,激光筆能連續不斷地發射“彈球”(物理學家們稱為光子),有的光子直接達到你的眼睛,所以你看見了激光線,但有的是通過撞擊牆壁後再到達你的眼睛,所以你會看到一個紅點。那麼如何解釋為什麼用激光筆指著月亮時沒有出現紅點呢?是因為沒有盡頭嗎?不,月亮是一個盡頭。是因為月亮是軟的嗎?這個有可能。其實物理學家們認為,主要是因為路太遠了、路上摩擦力太大,也就是能力不夠,所以它們一去不復返。當然了,不要認為所有激光都不能往返月亮,因為激光還是分等級高低的,激光筆等級低、能力也低,而宇宙探索的激光機器等級高,能力強,是能夠來回一趟的。

小孩的思維總是很表面的,但恰恰就是表面的才不受條條框框所拘束,因而能夠想出除了我以外的大人們所不能理解的問題,不要打擊他們的這種能力,因為這是創造力的來源;但更不要放任他們或者提供錯誤的答案,因為這錯誤的答案限制小孩日後的思維。


為Gd


看不到的原因很簡單—功率不夠大。

如果你有太陽那麼大功率的發光體,這個發光體發射的都不需要是激光,只要普通的向四面八方的光就好了,就可以照亮約1.5億公里遠的月球,並讓月球反射的光照亮38萬公里外的地球的夜空。

那麼太陽這個發光體的功率是多大呢?

大約10的26次方(1後面跟著26個零)瓦。

在地球上我們目前還搞不定這麼大的功率,所以我們想了激光這麼個辦法。

激光器有點像聚光燈,可以發射近似平行的光束,這樣光束裡面都奔向一個方向,可以最大限度的利用發射出來的光子,這樣只需要較低的功率就可以照亮更遠的地方。

激光器以脈衝的方式發射光的話,可以在短時間內聚集很大的能量,所以激光器的功率看起來可能跟白熾燈泡差不多,但實際上要亮很多。

激光筆的功率一般都是以毫瓦為單位的。像題目裡面說的,發出紅色光點激光筆的話,可能只是普通的講課用的激光筆,為了保護大家的視力,這種激光筆功率一般都很小,在屋裡用用還可以,拿到戶外的話,別說是月亮了,就是遠處的樓都沒戲。

市面上還有一種綠色的激光筆,也叫指星筆,可以在夜晚幫助天文愛好者認星的,功率通常會大一些,使用起來也更危險一些。即使這樣,光靠激光筆也沒法照亮月球的。

最後,請勿購買違禁激光筆,請謹慎使用激光筆,請勿用激光筆照射任何人的眼睛等部位,不論它的功率有多小。


喬小海


你的逗我呢?腦子是比較好的東西,我用手電照不亮月亮


青海奔跑者旅行


所謂激光筆發射的根本就不是激光,這個發射光的過程是沒有受激輻射的,只是亮度稍微好點的接近單色的光,因此匯聚成的光束存在較短距離就發散的問題,自然不可能照射很遠,即使功率再大也上不了月球,更不可能反射回來。

真正的激光是原子受激輻射產生波長一定的單色光,可以匯聚成平行光束,射到月球也就散射到幾十米或者幾米的光斑,強度足夠就可以反射回地球。可以是可見光也可以是不可見光,好好學習下物理你就明白了。說深了你也不懂。這才是正解。


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