作者：Yuen Yiu

编译（翻译）：稻尾

对于便携激光笔想必大家都不陌生，那你有没有好奇过，这种激光能传播多远？让我们想象一下，如果你在地球上，而你的老师不小心因为时空错位的原因飘落到火星，在这样的超级宇宙课堂上，调皮的你还能不能用激光笔惹恼他呢？

地球发射的激光传播模拟图。图片来源：Abigail Malate | 美国物理学会

好吧，不卖关子。

答案是，不能。

原因是 激光在远距离的传播过程中会发散 ，当激光笔发出的光线到达火星时，光斑的亮度已经远远低于肉眼可见范围，比人能分辨的最弱光线暗了一百万倍，这个调皮的操作当然不会引起老师的任何注意。

不相信我们结论的话，不妨进行一些简单的计算，自己推出一些结果来。

在近期的一次天文学会议上，科学家们讨论了能否探测到系外外星人（银河系外的外星生命）发出的光子。 Inside Science 的工作人员从这个讨论受到启发，做了一些推算，想看看外星的“伽利略”能不能发现来自地球的光子。

要判断一个激光器发出的光能否被看到，我们需要借助一些简单的方程。首先要计算出激光在空间传播的过程中，它的发散程度随着距离变化的关系。紧接着，根据前面计算出的发散度，再借助简单的几何方法，就可以得到在目标点激光形成的光斑大小。最后，用激光的功率除以光斑的面积，这样就得到了目标点的激光强度。尽管人类或者外星人感知光线的能力不是简单的依靠光强度，但就推算而言，可以把光的强度和亮度视为同一事物。

本文所进行的计算，只需要三个比较简单的公式即可。首先，假设激光器均被优化到其扩展角为理论最小值，那么我们就可以使用下面的方程计算其光束发散度（以弧度为单位）。

（激光器的波长）/（π×激光器的孔径）

然后，借助几何知识得到目标点处光斑的大小。

π×（光束发散度×距离）2

最后，将激光器的输出功率除以光斑面积来得到亮度的表达式。

（激光的功率）/（光斑的面积）

如果在计算时没有出错，而且数据分别是以弧度，瓦特和米为单位的话，最终得到的结果应以瓦特/平方米为单位。

在绝对黑暗中肉眼可见的最低亮度大约是每平方米一百亿分之一瓦。然而，由于存在城市光污染等原因，人们通常看不到比北极星更暗的星星，北极星的亮度是每平方米四十亿分之一瓦。相比之下，满月是每平方米千分之一瓦，比北极星亮了将近一百万倍。正午的太阳亮度高达每平方米1000瓦，比月亮亮了大约50万倍。

在本文中，我们将使用这些数字作为参考。

你的便携激光笔

常用的便携式激光笔发出的光，功率在0.005瓦。这看起来很小，但由于激光的波束很窄，它的能量聚集在一起，最终会形成一个很亮的光点。打个比方，在手臂远近的位置用它去照射人的眼睛， 激光在眼球上形成的亮点要比正午的太阳还要亮30倍 。 这是一件极其危险的事，所以不要尝试将激光指向眼睛。

在 飞机上看見激光笔发出的光。图片来源：Abigail Malate | 美国物理学会

窄波束的激光在长距离的传播后会产生发散也是不可避免的。所以在越远的地方看到光源的亮度就越暗淡。

我们拿红色激光笔来举例：距离它100米的地方，波束变大了约100倍，此时它看上去就像在0.91米外看一个100瓦的灯泡；离远一些，在约一万两千米高空中飞行的飞机上观察它发出的光，并且假定没有云雾的干扰，那激光笔的光点将和月亮一样明亮；在更远的地方，比如国际空间站，激光笔的亮度会降到和夜空中最亮的星星——和“天狼星”差不多。

对于最近被Speace X送入太空的Starman来说，红色激光笔发出的光实在是太暗了，他根本无法察觉。如果我们想要引起Starman的注意，就需要更亮的激光。

海军的导弹杀手

美国海军可能有我们需要的激光——导弹杀手。根据最近的一些报道，美国海军在研发一种实用性强而且能够摧毁来犯导弹的激光。为了符合导弹杀手的本色，这种激光要达到50万瓦的功率，比前面提到的便携激光笔强出1亿倍。看起来似乎符合我们的要求，但这种激光器发射的是红外线，而 红外线对人来说是看不见的。

为了将推算进行下去，就假设Starman和火星人能够看到红外线吧，谁能保证他们一定看不到呢？

武器级别的激光器往往拥有更大的开口或者孔径。 这样做会使得激光束发散现象减弱，从而将激光可以传播到更远的地方。

当我们将导弹杀手激光束瞄准月球，由于大孔径的原因，在月球表面会形成直径约2.41千米的红外线光斑。作为对比，便携激光笔发出的光到达月球时，将形成直径为12.87千米的斑点。

如果你能看到红外线，并站在导弹杀手激光束照射下的月球上，你将发现它的光芒比地球明亮大约30倍。看上去似乎已经很亮了，但如果拿它和太阳比， 这一亮度仅为正午时分太阳亮度的千分之一。

外星人眼里导弹杀手发出的激光。图片来源：Abigail Malate | 美国物理学会

如果我们以地球和火星之间的最短距离（约为5.47×10^10米）为参考，在这个距离下，激光到达火星表面时的光斑直径在321.87千米左右。这样的亮度是可以被观察到的，它大约是天空中最亮恒星——太阳的一半，但仍然不足以引人注目。

看来我们需要更高能量的激光。

有史以来最强大的激光器

全世界有多家科学机构都拥有巨大的强激光器，部分设备发射的功率甚至达到了千兆瓦。想要用便携激光笔来达到这个功率，需要约10^18支，若将它们平分给全世界的人，每人能分到近10亿支！

如果连续工作，这种激光器将在短短的几秒钟时间里耗尽全世界的电力。

但幸运的是，这些激光器可以瞬间将能量释放（通常时间不到万亿分之一秒），然后把极短的激光脉冲聚焦到几千分之一毫米的点上，以此 得到比太阳表面亮10万亿倍的光。 按照这个方法能得到极高能量的激光，科学家们正利用它去撕裂空间，以探寻更多宇宙的基本规律。

如果我们只是想拿激光取乐并射向太空的入侵者，看起来似乎没什么不妥，但这样做有一个严重的缺点：太强烈的激光会激发出紫外线，而紫外线将会被地球的大气吸收，这会增加地球大气层的负担。要是我们不想造成这种后果，那就要考虑在太空中建造出房子般大小的超级激光炮，以此完成后续的探索。

在极短的时间内，人类是可以承担起向火星发射此类激光的。如果这么做的话，发出的光线将在火星表面形成直径约241.40千米的光斑，随之会产生出比地球正午强1000倍的紫外线。

好吧，要是真这么做了，那就让我们祝愿火星人也会有SPF-1000的防晒霜吧。

外星人受到强烈紫外线的烘烤。图片来源：Abigail Malate | 美国物理学会

令人遗憾的是，我们都知道没有火星人，甚至在太阳系中除了地球都没有发现任何生命。然而，宇宙中的系外行星不计其数，仅是被发现的就数以千计，这些行星绕着太阳系外的恒星运转，就像地球围绕着太阳一样。那么在这些系外行星中很可能出现生命体。如果我们想要试图引起他们的注意， 高能量的激光也许会成为最佳的信使。

距离我们大约四光年的“比邻星”是离地球最近的一颗恒星，它有几颗自己的行星。如果将最强大的激光器瞄准这些系外行星，那么在激光到达的时候，光线会比人在晴朗夜空中看到的最亮星星还要耀眼。

因此，在我们发射激光四年后，如果这个星系的“伽利略”们恰好在夜空中观察着对应的位置，他们很可能会注意到纳秒级的紫外线闪烁，然后发出疑问：“这是什么？”

新的故事将由此开启……

外星科学家观测到了激光闪烁。图片来源：Abigail Malate | 美国物理学会

编辑：卷卷

排版：卷卷

题图来源： Abigail Malate |American Institute of Physics

翻译来源： Insidescience.org |How Far Can Laser Light Travel?