在黑屋裡打開手電再關掉,屋裡會瞬間變黑,手電的光跑哪裡去了?

2020-11-26 優美生態環境保衛者

我們估計很多人都做過這樣的「嘗試」,在一間漆黑的屋子裡打開手電筒,我們能看到明亮的光束,以及被光束照亮的牆壁,而當我們把手電筒關閉時,屋子裡立馬又漆黑一片了,那麼在手電筒打開到關閉的過程中,由手電筒發出的光去了哪裡呢?

現代科學界主流觀點認為光是由光子所構成,而光子自然是一種物質,根據「物質不滅」原則,這些光子不可能無緣無故地產生,也絕不可能無緣無故地消失。光是一種電磁波,也是一種複合的電磁波,包含著頻率由高到低的伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波,按照這個順序,光線的能量也越來越低。我們人眼所能看到的光線,其實只是複合光線中的一部分,即可見光部分,其波長範圍為380-780納米。

對於不同頻率的光線來說,雖然它們的波長、頻率不盡相同,但是釋放出來的機理都可以從電子被激發、能級狀態發生改變方向找到答案。其中,伽馬射線主要是電子的產生或者湮滅,X射線主要是原子內層電子激發躍遷,紫外線、可見光和紅外線主要是原子價電子從被激發的高能級軌道向低能級軌道躍遷,無線電波則是自由電子能量降低,在上述這些過程中,電子都是在高能級狀態回復到低能級狀態時,失去了部分能量,轉化為光子所攜帶的運動能量,從而聚合形成光線。

由於光子沒有靜止質量,只有運動質量,因此按照愛因斯坦狹義相對論以及質能方程,光子一旦形成就可以擁有最高的光速,假如物質原子中的電子時刻處於被激發狀態,且時刻發生由高能級狀態向低能級跌落的情況,那麼光子就會源源不斷地產生。這就是太陽內部的核聚變、核電站內發生的核裂變、手電筒打開後發出光線的根本原因。

從光線的波動性來看,只要光源存在,那麼就會時刻向四周散發「震動」的光波,就像水面存在一個擾動點一樣,只要源頭的「震動」一直存在,那麼波就將向四外散開,一旦源頭「震動」消失,新的波就不再產生,而原來的波沿著運動的方向會一直向外傳遞。

從光線的粒子性來看,只要源源存在,那麼也會時刻向四周持續輸出粒子流,就像打開水龍頭的水流一樣,只要水龍頭是打開的,水流就會一直存在,一旦源頭的水龍頭關閉了,則新的水流不再產生,而原來的水流會繼續沿著行進方向滴落。

手電筒打開後再關閉,那麼新的光子將不會從手電筒裡發出,原來釋放出去的光子,和前面的兩個例子一樣,會沿著原來的行進路線行動,理論上光線是會一直向前行進的。我們之所以在手電筒關閉的瞬間看不到原來的光線,主要原因有以下三個方面:

一是光線能量被空氣中的空氣分子和懸浮顆粒物所吸收。地球之所以能夠接收到來自非常遙遠恆星發出的光線,主要原因在於星際空間物質非常稀薄,當目標星系與地球之間的距離,滿足光線傳播速度大於宇宙空間膨脹速度的前提下,光線都是有機率到達地球的。不過,在此過程中,由於星際空間並非純粹的真空,光線在漫長的徵途中,光子的能量也會有或多或少地被星際物質所吸收,從而光線的能量有所衰減。在地球大氣層中,無論是空氣密度,還是懸浮顆粒的密度,都要比星際空間大得多,光線在大氣層中穿行時,空氣分子和懸浮顆粒對光子能量的吸收效率要明顯得多,這也是為什麼我們將打開的手電筒一直對著天空照射,也不能照得很遠的原因。

二是光線能量被牆壁所吸收。當手電筒的光線照射到牆壁上時,光子的能量會有一部分,用作激發牆壁組成物質原子中的電子,在提高這些電子內能的同時,光子的能量發生衰減,也就是說光線一部分被牆壁所吸收了,只有一部分。不同的牆體材料和顏色,對光線的吸收(反射)情況也不一樣,到目前為止,應用到天體探測器外膜材料的最高反射率為99%以上,而一般的白色牆體材料的光線反射率,也僅為70%左右,光線在屋子裡面通過幾次反射能量就所剩無幾了,而且反射時還會發生漫反射,能量衰減得更為嚴重,也更不容易被人眼所接收。

三是光線的傳播速度太快。雖然手電筒在關閉之後,原來所發出的光子,在被周圍物體完全吸收需要一定的時間,但是由於光線的傳播速度太快,即使牆壁上鋪滿99.7%反射率的高效材料,那麼在牆壁吸收、空氣吸收的作用下,在跨度20米的屋子裡,來回反射1500次左右,光能就會下降到原來的不到1%,而所需的時間僅為0.0001秒,遠大於人眼0.04秒的時間解析度,因此,我們人眼是根本看不到手電筒關閉之後,光線的強度和反射變化情況的。

如果我們可以在一個完全真空、牆壁反射率100%的屋子裡做這個實驗,手電筒發出的光,就可以永遠在屋子裡運行,只是我們不可能做到而已。

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