关灯之后,房间为什么瞬间变暗?可以建造一个永远明亮的房间吗
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-10
在一个灯火通明的房间里,如果突然关掉电灯,那么房间几乎瞬间就变暗了。我们想问:那些光都去哪儿了?简短的回答是,光都被房间吸收了。
当光入射到一种材料上时,只有三种情况会发生:它要么穿过材料,要么被材料反射,要么被材料吸收。至于哪一种情况会发生,很大程度取决于材料的性质。例如,用纸做的墙会比水泥墙透光更多,白色的墙会比漆成黑色的墙反射更多。
假设我们在一个大约 10 米宽的房间里,那个房间被漆成白色,油漆反射了大约 90% 的可见光。这意味着它每次反射光时仍然会吸收 10% 的光,因此在一次反射后,将只剩下 90% 的光。在两次反射后,将仅剩下 81% 的光,三次反射后,大约剩下 73% 的光。在 7 次反射之后,只剩下大约 47% 的光,已经有一半被吸收了。在 50 次反射之后,只剩下 0.5%。
光的速度是每秒钟传播 3 亿米,它可以在 30 纳秒内穿过 10 米的房间。如果我们假设反射是瞬时的,这意味着它只需要大约 1 微秒的时间就可以反射 50 次并且几乎 100% 被吸收。对于人眼来说,1 微秒基本上是瞬间的,这就是关灯后房间立即变暗的原因。
由此,我们又很自然地想到了另外一个问题,如果我们在镜子组成的房间里会怎样?实际上,典型的镜子只有 99% 左右的反射率。这听起来可能已经很多了,但即使每次反射光只有 1% 被吸收,它也只需要大约 15 微秒的时间,光就几乎被全部吸收。所以,对我们来说,镜子房间也是一瞬间就变暗。
但是,对于物理学来说,我们总是会考虑理想状态,如果我们有完美的镜子,可以实现真正的 100%的反射率,那又会发生什么呢?可以建造一个永远明亮的房间吗?如果那个房间真的由 100% 反射率的镜子组成,那么那个房间会很快爆炸。
这是一个简单的事实,即光具有动量。当光照亮某物时,那光会对它施加力,虽然这个力很小。假设灯泡发出一个光子,然后它从镜面墙上反射,并在它的方向改变时赋予镜子墙一个动量。然后这个光子又从后壁反射回来,在这个镜面墙进行第二次反射,以此类推,会有无数次的反射。如果灯已经亮了一段时间,那并不是唯一撞击墙壁的光子。即使那盏灯只亮了几次,如果这些光没有被吸收,那么在几秒钟的时间内就会有十亿倍左右的辐射压力倍增。
假设房间没有爆炸,房间的墙壁可以自由移动并随着光线的推动而扩展,那么在这种情况下关掉了灯,会发生什么?即使没有光被吸收,房间实际上也会再次变暗,那是因为光也必须服从动量守恒。当它从墙壁反射并使墙壁运动时,将它的一些动量给予墙壁,它就会失去动量。
对于大多数东西,当它们失去动量时,它们会减速,但光却不会减速,光总是以光速前进。所以,当光失去动量时,它的频率会变低波长变长,也就是发生了红移。随着每次反弹都发生这种情况,我们的光最终会红移出可见范围,最终变成能量可以忽略不计的波长无限长的无线电波。所以,房间再次变暗了。
本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang
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