距离地球10光年的位置放一面镜子,能观察到20年前的自己吗?

任何有关看到遥远过去的景象在理论上都是可行的,不管是地球还是其他天体,例如我们现在看到的太阳就是8分钟前的,你看得越远,就能看到越古老的过去。当然这反过来看地球也是一样的。这一切都是基于光速在以有限的速度传播。

那我们究竟有无可能看到地球的过去?正如问题所问:如果一个人有一个足够强大的望远镜,并能把它对准10光年之外的镜子,那么他就能真正看到20年前的地球?

月球的激光测距其实和这个原理一样

上图是阿波罗15号月球激光测距反光板阵列的一部分,由D.斯科特拍摄并安置在月球上。

从光运动的纯几何角度来看,这确实是可行的。太阳光从地球反射出去的光线可以进入太空,被一面巨大的镜子反射回来,再返回地球,我们接受光子就可以看到过去。

实际上,我们已经做过类似的事情,但这个距离尺度比较小!阿波罗任务在月球表面安装了镜面反射器。但这并不是我们常见的普通镜子,而是一种特殊的反射器,能将光线反射回地球,生活中普通的镜子根本胜任不了这样的需求。我们通过向月球表面反射器所在的位置发射高能激光,就可以计算出激光束往返的时间延迟。这项工作主要是用来测量地球和月球之间的距离,其精度高得令人咋舌,这也是为什么我们现在知道月球每年远离地球3.8公分的原因之一。

光线随着距离的增加会发生衰减

激光从地球到月球的往返旅行大约需要2.5秒左右的时间,往返旅程大约769266公里。这实际上就是我们接收到了地球2.5秒前的光子!虽然地球到月球的距离最近,但是我们已经开始遇到问题了。长距离的奔袭会让光发生衰弱。这个衰弱的规则也是距离的平方反比定理,就是距离增加一倍,光度衰减两倍,衰减的原因就是光子密度的降低。地球反射的微弱光线在到达10光年的位置,已经可以说衰减的看不到了,就算在那个位置上有先进的文明看地球,它们也很难捕捉到足够数量的地球光子,也根本无法成像。

而高聚能的激光可以解决短距离的光衰减问题!而即使是一束激光,一开始所有的光子都聚焦在一个非常小的光束上,光子聚集度越高传播距离也会越远,但激光在传播过程中也会发生扩散。红色激光比绿色激光传播距离更远,原因很简单,因为绿色激光的波长较短,而激光的扩散是波长的函数。(紫色激光传播距离更短)然而,在超过几十万公里的距离上,即使是我们目前能制造的最高波长的激光也会扩散开来,当激光到达月球时,只能微弱地照亮月球的表面,当然也只有一小部分的光会从反射器反射回地球。把反射器放得越远,这个问题就越严重,因为光线传播得越远就越分散。

当地球把阳光反射到太空时,一开始光线就特别分散,并不像激光那样紧凑,因此光线会扩散的更加严重,扩散度越高,光子密度就越低。地球的反射光非常暗淡,但我们也可以在晚上看到地球的光芒,月球的阴暗部分不是100%黑的原因就是因为地球上的一些反射光照射到了月球表面。当地球反射光传播10光年的时候,这束光已经变得非常非常弥散,等到达反射镜再反射回来,又经历了10光年的旅程,估计届时任何先进的仪器都无法捕捉到密度这么低的光子。

总结:就算我们有幸接受到了反射回的光子,我们也无法识别

假设我们成功地从10光年远的反射器中接受到了几个光子,我们能识别出它们吗?我们喜欢用激光做月球实验的原因之一是:因为激光都是一种颜色非常特殊的光,所以我们可以在这个颜色(波长)上计算返回的光子,那么其他颜色的光子,我们就可以知道这是一种干扰光。而地球不是一种单一的颜色,而且大气层非常复杂,所以我们反射的光子比我们发射到月球上的激光束要复杂得多。就算接收到了微弱的光子,我们也无法识别。

所以,虽然这再理论上是可行的,假设有一个反射器,和一个假设的大望远镜,但从实际的角度来看,我们连地球都看不到,更不可能看到我们自己。