激光能傳多遠呢？
對於便攜激光筆想必大家都不陌生，那你有沒有好奇過，這種激光能傳播多遠？讓我們想像一下，如果你在地球上，而你的老師不小心因為時空錯位的原因飄落到火星，在這樣的超級宇宙課堂上，調皮的你還能不能用激光筆惹惱他呢？
地球發射的激光傳播模擬圖。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學會
好吧，不賣關子。
答案是，不能。
原因是激光在遠距離的傳播過程中會發散，當激光筆發出的光線到達火星時，光斑的亮度已經遠遠低於肉眼可見範圍，比人能分辨的最弱光線暗了一百萬倍，這個調皮的操作當然不會引起老師的任何注意。
不相信我們結論的話，不妨進行一些簡單的計算，自己推出一些結果來。
在近期的一次天文學會議上，科學家們討論了能否探測到系外外星人（銀河系外的外星生命）發出的光子。Inside Science的工作人員從這個討論受到啟發，做了一些推算，想看看外星的「伽利略」能不能發現來自地球的光子。
要判斷一個激光器發出的光能否被看到，我們需要藉助一些簡單的方程。首先要計算出激光在空間傳播的過程中，它的發散程度隨著距離變化的關係。緊接著，根據前面計算出的發散度，再藉助簡單的幾何方法，就可以得到在目標點激光形成的光斑大小。最後，用激光的功率除以光斑的面積，這樣就得到了目標點的激光強度。儘管人類或者外星人感知光線的能力不是簡單的依靠光強度，但就推算而言，可以把光的強度和亮度視為同一事物。
計算過程參考：
本文所進行的計算，只需要三個比較簡單的公式即可。首先，假設激光器均被優化到其擴展角為理論最小值，那麼我們就可以使用下面的方程計算其光束髮散度（以弧度為單位）。
（激光器的波長）/（π×激光器的孔徑）
然後，藉助幾何知識得到目標點處光斑的大小。
π×（光束髮散度×距離)^2
最後，將激光器的輸出功率除以光斑面積來得到亮度的表達式。
（激光的功率）/（光斑的面積）
如果在計算時沒有出錯，而且數據分別是以弧度，瓦特和米為單位的話，最終得到的結果應以瓦特/平方米為單位。
在絕對黑暗中肉眼可見的最低亮度大約是每平方米一百億分之一瓦。然而，由於存在城市光污染等原因，人們通常看不到比北極星更暗的星星，北極星的亮度是每平方米四十億分之一瓦。相比之下，滿月是每平方米千分之一瓦，比北極星亮了將近一百萬倍。正午的太陽亮度高達每平方米1000瓦，比月亮亮了大約50萬倍。
在本文中，我們將使用這些數字作為參考。
你的便攜激光筆
常用的攜帶型激光筆發出的光，功率在0.005瓦。這看起來很小，但由於激光的波束很窄，它的能量聚集在一起，最終會形成一個很亮的光點。打個比方，在手臂遠近的位置用它去照射人的眼睛，激光在眼球上形成的亮點要比正午的太陽還要亮30倍。這是一件極其危險的事，所以不要嘗試將激光指向眼睛。
在飛機上看見激光筆發出的光。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學會
窄波束的激光在長距離的傳播後會產生髮散也是不可避免的。所以在越遠的地方看到光源的亮度就越暗淡。
我們拿紅色激光筆來舉例：距離它100米的地方，波束變大了約100倍，此時它看上去就像在0.91米外看一個100瓦的燈泡；離遠一些，在約一萬兩千米高空中飛行的飛機上觀察它發出的光，並且假定沒有雲霧的干擾，那激光筆的光點將和月亮一樣明亮；在更遠的地方，比如國際空間站，激光筆的亮度會降到和夜空中最亮的星星——和「天狼星」差不多。
對於最近被Speace X送入太空的Starman來說，紅色激光筆發出的光實在是太暗了，他根本無法察覺。如果我們想要引起Starman的注意，就需要更亮的激光。
海軍的導彈殺手
美國海軍可能有我們需要的激光——導彈殺手。根據最近的一些報道，美國海軍在研發一種實用性強而且能夠摧毀來犯導彈的激光。為了符合導彈殺手的本色，這種激光要達到50萬瓦的功率，比前面提到的便攜激光筆強出1億倍。看起來似乎符合我們的要求，但這種激光器發射的是紅外線，而紅外線對人來說是看不見的。
為了將推算進行下去，就假設Starman和火星人能夠看到紅外線吧，誰能保證他們一定看不到呢？
武器級別的激光器往往擁有更大的開口或者孔徑。這樣做會使得激光束髮散現象減弱，從而將激光可以傳播到更遠的地方。
當我們將導彈殺手激光束瞄準月球，由於大孔徑的原因，在月球表面會形成直徑約2.41千米的紅外線光斑。作為對比，便攜激光筆發出的光到達月球時，將形成直徑為12.87千米的斑點。
如果你能看到紅外線，並站在導彈殺手激光束照射下的月球上，你將發現它的光芒比地球明亮大約30倍。看上去似乎已經很亮了，但如果拿它和太陽比，這一亮度僅為正午時分太陽亮度的千分之一。
外星人眼裡導彈殺手發出的激光。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學會
如果我們以地球和火星之間的最短距離（約為5.47×10^10米）為參考，在這個距離下，激光到達火星表面時的光斑直徑在321.87千米左右。這樣的亮度是可以被觀察到的，它大約是天空中最亮恆星——太陽的一半，但仍然不足以引人注目。
看來我們需要更高能量的激光。
有史以來最強大的激光器
全世界有多家科學機構都擁有巨大的強激光器，部分設備發射的功率甚至達到了千兆瓦。想要用便攜激光筆來達到這個功率，需要約10^18支，若將它們平分給全世界的人，每人能分到近10億支！
如果連續工作，這種激光器將在短短的幾秒鐘時間裡耗盡全世界的電力。
但幸運的是，這些激光器可以瞬間將能量釋放（通常時間不到萬億分之一秒），然後把極短的激光脈衝聚焦到幾千分之一毫米的點上，以此得到比太陽表面亮10萬億倍的光。按照這個方法能得到極高能量的激光，科學家們正利用它去撕裂空間，以探尋更多宇宙的基本規律。
如果我們只是想拿激光取樂並射向太空的入侵者，看起來似乎沒什麼不妥，但這樣做有一個嚴重的缺點：太強烈的激光會激發出紫外線，而紫外線將會被地球的大氣吸收，這會增加地球大氣層的負擔。要是我們不想造成這種後果，那就要考慮在太空中建造出房子般大小的超級激光炮，以此完成後續的探索。
在極短的時間內，人類是可以承擔起向火星發射此類激光的。如果這麼做的話，發出的光線將在火星表面形成直徑約241.40千米的光斑，隨之會產生出比地球正午強1000倍的紫外線。
好吧，要是真這麼做了，那就讓我們祝願火星人也會有SPF-1000的防晒霜吧。
外星人受到強烈紫外線的烘烤。圖片來源：Abigail Malate | 美國物理學會
令人遺憾的是，我們都知道沒有火星人，甚至在太陽系中除了地球都沒有發現任何生命。然而，宇宙中的系外行星不計其數，僅是被發現的就數以千計，這些行星繞著太陽系外的恆星運轉，就像地球圍繞著太陽一樣。那麼在這些系外行星中很可能出現生命體。如果我們想要試圖引起他們的注意，高能量的激光也許會成為最佳的信使。
距離我們大約四光年的「比鄰星」是離地球最近的一顆恆星，它有幾顆自己的行星。如果將最強大的激光器瞄準這些系外行星，那麼在激光到達的時候，光線會比人在晴朗夜空中看到的最亮星星還要耀眼。
因此，在我們發射激光四年後，如果這個星系的「伽利略」們恰好在夜空中觀察著對應的位置，他們很可能會注意到納秒級的紫外線閃爍，然後發出疑問：「這是什麼？」
新的故事將由此開啟……
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