月光點(diǎn)火

這聽(tīng)起來(lái)是個(gè)挺簡(jiǎn)單的問(wèn)題。

用放大鏡把光聚集在一起可以產(chǎn)生高光高熱。淘氣的小孩兒會(huì)告訴你，6.45平方厘米大小的放大鏡就能匯集足夠的陽(yáng)光點(diǎn)起火來(lái)。在谷歌上檢索一下你會(huì)明白，太陽(yáng)的亮度是月球亮度的40萬(wàn)倍，因此，我們只需要一個(gè)258平方米大小的放大鏡，就能解決問(wèn)題了。是這樣嗎？

并不是這樣。真正的答案是：無(wú)論用多大的放大鏡，你都不可能用月光點(diǎn)起火來(lái)。原因比較微妙，涉及許多聽(tīng)起來(lái)不對(duì)但其實(shí)正確的東西，而且通常會(huì)讓你掉入光學(xué)的兔子洞中。

首先，這是一條基本的原則：你無(wú)法用透鏡使物體的溫度超過(guò)光源本身的表面溫度。換句話說(shuō)就是，你無(wú)法使用日光加熱物體使它的溫度超過(guò)太陽(yáng)表面的溫度。

有很多方法可以用光學(xué)原理來(lái)證明這個(gè)原則是對(duì)的，但是還有一條更簡(jiǎn)單的論據(jù)來(lái)自熱力學(xué)：透鏡不需要任何動(dòng)力源就可以自行發(fā)生作用。更具體地說(shuō)就是，這一切都是完全可逆的，這意味著你在一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中加入透鏡，并不會(huì)使這個(gè)系統(tǒng)的熵有所增加。如果你可以通過(guò)透鏡使熱量從太陽(yáng)流向地表某一個(gè)點(diǎn)，并使其溫度超過(guò)太陽(yáng)溫度，就意味著你能做到不消耗任何能量而讓量從一個(gè)冷的地方流向一個(gè)相對(duì)較熱的地方。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，這是不可能的。如果你可以做到，你就能制成一臺(tái)永動(dòng)機(jī)了。

太陽(yáng)表面溫度大約為5500℃， 那么我們所說(shuō)的原則意味著不可能用透鏡使物體的溫度超過(guò)5500℃。月球表面受到日光照射，其溫度大約為100℃，因此匯聚月光加熱物體，物體的溫度不會(huì)超過(guò)100℃。這個(gè)溫度是低于大多數(shù)物體的燃點(diǎn)的。

“等一下，”你可能會(huì)說(shuō)，“月光和日光可不一樣！太陽(yáng)是絕對(duì)黑體，它的光能輸出與它自身的高溫有關(guān)。而月光源自日光的反射，它的反射源溫度有幾千攝氏度之高。因此前面所說(shuō)的并不成立！”

不過(guò)事實(shí)證明它是成立的，原因我們稍后再說(shuō)。而首先要注意的是，即便是對(duì)太陽(yáng)而言，這條規(guī)則就正確嗎？當(dāng)然，熱力學(xué)似乎難以爭(zhēng)辯（因?yàn)樗菍?duì)的），但對(duì)任何一個(gè)有物理學(xué)背景、思考過(guò)能量流的人而言，這似乎是難以被承認(rèn)的。為什么不能匯聚大量日光到某一個(gè)點(diǎn)而使其增溫呢？透鏡可以將光線匯聚到一個(gè)極小的點(diǎn)上， 對(duì)嗎？為什么不能將越來(lái)越多的太陽(yáng)能匯聚到同一個(gè)點(diǎn)上呢？如果有超過(guò)1026瓦特的光能被匯聚到了同一個(gè)點(diǎn)上，這個(gè)點(diǎn)應(yīng)該可以達(dá)到任何你想要的溫度，對(duì)嗎？

如果光源也是一個(gè)點(diǎn)，透鏡就無(wú)法將光線匯聚到一個(gè)點(diǎn)上。透鏡是將光線導(dǎo)向某一個(gè)區(qū)域——可以把太陽(yáng)想象得小一點(diǎn)。這種差異是很重要的。讓我們看一個(gè)例子，為什么這是重要的：

透鏡將光線從A點(diǎn)導(dǎo)向C點(diǎn)。如果透鏡可以將來(lái)自太陽(yáng)的光線都導(dǎo)向某一點(diǎn)，那么它就需要把B點(diǎn)的光也導(dǎo)向C點(diǎn)：

但此時(shí)我們遇到一個(gè)問(wèn)題。如果光線從C點(diǎn)穿過(guò)透鏡回去了，那怎么辦？光學(xué)系統(tǒng)是可逆的，光線可以沿著它來(lái)的方向返回去。但透鏡怎么能知道這些返回的光線，哪些是來(lái)自A點(diǎn)，哪些是來(lái)自B點(diǎn)的呢？

一般來(lái)說(shuō)，無(wú)法做到疊加光束，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)必須是可逆的。這就使你無(wú)法從給定方向壓縮更多的光，從而限制從光源到目標(biāo)點(diǎn)的光線數(shù)量。

或許你無(wú)法疊加光線，但難道不能將光線稍稍擠扁，讓它們更緊密一些嗎？你可以讓光線并排式排列，這樣你就可以收集大量擠扁的光束，讓它們彼此間只有微小的角度，一起射向目標(biāo)點(diǎn)。

然而事實(shí)是，你做不到這樣。（當(dāng)然，這一點(diǎn)很清楚，因?yàn)槲覀冊(cè)缦染驼f(shuō)過(guò)，這違反了熱力學(xué)第二定律。）事實(shí)證明，任何光學(xué)系統(tǒng)都遵循一個(gè)叫作展度守恒的定律。這條定律說(shuō)的是，如果有光從不同的角度進(jìn)入一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，入射區(qū)域乘以入射角度等于輸出區(qū)域乘以輸出角度。因此，如果光線被匯聚到一個(gè)較小的入射區(qū)域內(nèi)，那么它們的輸出區(qū)域一定會(huì)變大。

換句話說(shuō)，你無(wú)法在不壓縮光線的平行距離的情況下將光束擠扁，這就意味著你無(wú)法瞄準(zhǔn)一個(gè)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)。

我們可以以另一種方式想一想透鏡的這一特性：透鏡只是讓光源在更大面積的天空鋪展;它們不能使光線在任何單一點(diǎn)上變得更亮，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程要遵循展度守恒定律。換句話說(shuō)，透鏡系統(tǒng)能做到的，只是讓每一條光線與光源表面對(duì)遇，相當(dāng)于讓光源包圍目標(biāo)點(diǎn)。

如果你被太陽(yáng)表面材質(zhì)所“包圍”，就相當(dāng)于你在太陽(yáng)中飄浮，那么你周圍的溫度將會(huì)很快升高。而如果你被月光包圍，你周圍的溫度會(huì)達(dá)到多少攝氏度？好吧，月表的石頭差不多就是被月光包圍的，它們的溫度就是月表的溫度（因?yàn)樗鼈儽緛?lái)就是月表的一部分）。因此，通過(guò)透鏡系統(tǒng)匯聚月光無(wú)法使物體溫度超過(guò)月表上任何一塊巖石的溫度。

最后，還有一條證明月光不能點(diǎn)起火來(lái)的論據(jù)，那就是巴茲·奧爾德林登月時(shí)并沒(méi)有死。