月光点火

这听起来是个挺简单的问题。

用放大镜把光聚集在一起可以产生高光高热。淘气的小孩儿会告诉你，6.45平方厘米大小的放大镜就能汇集足够的阳光点起火来。在谷歌上检索一下你会明白，太阳的亮度是月球亮度的40万倍，因此，我们只需要一个258平方米大小的放大镜，就能解决问题了。是这样吗？

并不是这样。真正的答案是：无论用多大的放大镜，你都不可能用月光点起火来。原因比较微妙，涉及许多听起来不对但其实正确的东西，而且通常会让你掉入光学的兔子洞中。

首先，这是一条基本的原则：你无法用透镜使物体的温度超过光源本身的表面温度。换句话说就是，你无法使用日光加热物体使它的温度超过太阳表面的温度。

有很多方法可以用光学原理来证明这个原则是对的，但是还有一条更简单的论据来自热力学：透镜不需要任何动力源就可以自行发生作用。更具体地说就是，这一切都是完全可逆的，这意味着你在一个实验系统中加入透镜，并不会使这个系统的熵有所增加。如果你可以通过透镜使热量从太阳流向地表某一个点，并使其温度超过太阳温度，就意味着你能做到不消耗任何能量而让量从一个冷的地方流向一个相对较热的地方。根据热力学第二定律，这是不可能的。如果你可以做到，你就能制成一台永动机了。

太阳表面温度大约为5500℃， 那么我们所说的原则意味着不可能用透镜使物体的温度超过5500℃。月球表面受到日光照射，其温度大约为100℃，因此汇聚月光加热物体，物体的温度不会超过100℃。这个温度是低于大多数物体的燃点的。

“等一下，”你可能会说，“月光和日光可不一样！太阳是绝对黑体，它的光能输出与它自身的高温有关。而月光源自日光的反射，它的反射源温度有几千摄氏度之高。因此前面所說的并不成立！”

不过事实证明它是成立的，原因我们稍后再说。而首先要注意的是，即便是对太阳而言，这条规则就正确吗？当然，热力学似乎难以争辩（因为它是对的），但对任何一个有物理学背景、思考过能量流的人而言，这似乎是难以被承认的。为什么不能汇聚大量日光到某一个点而使其增温呢？透镜可以将光线汇聚到一个极小的点上， 对吗？为什么不能将越来越多的太阳能汇聚到同一个点上呢？如果有超过1026瓦特的光能被汇聚到了同一个点上，这个点应该可以达到任何你想要的温度，对吗？

如果光源也是一个点，透镜就无法将光线汇聚到一个点上。透镜是将光线导向某一个区域——可以把太阳想象得小一点。这种差异是很重要的。让我们看一个例子，为什么这是重要的：

透镜将光线从A点导向C点。如果透镜可以将来自太阳的光线都导向某一点，那么它就需要把B点的光也导向C点：

但此时我们遇到一个问题。如果光线从C点穿过透镜回去了，那怎么办？光学系统是可逆的，光线可以沿着它来的方向返回去。但透镜怎么能知道这些返回的光线，哪些是来自A点，哪些是来自B点的呢？

一般来说，无法做到叠加光束，因为整个系统必须是可逆的。这就使你无法从给定方向压缩更多的光，从而限制从光源到目标点的光线数量。

或许你无法叠加光线，但难道不能将光线稍稍挤扁，让它们更紧密一些吗？你可以让光线并排式排列，这样你就可以收集大量挤扁的光束，让它们彼此间只有微小的角度，一起射向目标点。

然而事实是，你做不到这样。（当然，这一点很清楚，因为我们早先就说过，这违反了热力学第二定律。）事实证明，任何光学系统都遵循一个叫作展度守恒的定律。这条定律说的是，如果有光从不同的角度进入一个光学系统，入射区域乘以入射角度等于输出区域乘以输出角度。因此，如果光线被汇聚到一个较小的入射区域内，那么它们的输出区域一定会变大。

换句话说，你无法在不压缩光线的平行距离的情况下将光束挤扁，这就意味着你无法瞄准一个遥远的点。

我们可以以另一种方式想一想透镜的这一特性：透镜只是让光源在更大面积的天空铺展;它们不能使光线在任何单一点上变得更亮，因为这个过程要遵循展度守恒定律。换句话说，透镜系统能做到的，只是让每一条光线与光源表面对遇，相当于让光源包围目标点。

如果你被太阳表面材质所“包围”，就相当于你在太阳中飘浮，那么你周围的温度将会很快升高。而如果你被月光包围，你周围的温度会达到多少摄氏度？好吧，月表的石头差不多就是被月光包围的，它们的温度就是月表的温度（因为它们本来就是月表的一部分）。因此，通过透镜系统汇聚月光无法使物体温度超过月表上任何一块岩石的温度。

最后，还有一条证明月光不能点起火来的论据，那就是巴兹·奥尔德林登月时并没有死。