房间内布满完美反射的镜子,关灯后,房间会不会一直亮着?

在一个封闭的房间里,周围都是完美反射的镜面,关灯后,房间会一直亮着吗?这里说的完美,肯定是100%反射了。简单直接的答案是会的!但是这个问题还是挺复杂的,下面我们就分析下。我们先说下平时关灯后,房间为什么会变暗?

先要知道房间变暗,是光被吸收了

在生活中关灯后,房间瞬间变暗不是因为光从门窗或者哪里漏出去了。而是光被物质(墙壁)迅速吸收并转化为热量和其他形式的能量而消失的。与熟悉的风和烟相比,光没有质量,也不是由原子组成的。正因为如此,光在直线上传播速度非常快,我们知道光是一种能量,每一份的能量称为光子,能量不会无缘无故的消失,会一直传播下去,直到它击中一个物体被吸收或转化。因此光不会四处飘浮,不会随风摇曳,也不会像气体一样泄漏。

当光照射到物体上时,一部分光会被吸收,一部分光通过物体传播(投射、穿透),一部分光被反射/散射。究竟吸收、透射或反射多少光呢?这取决于物体的材料、形状和厚度。像平底锅这样的厚金属物体会反射大部分射向它的光,吸收少量的光,但几乎不透射任何光。相比之下,透明玻璃会透射大部分的光,反射少量的光,几乎不吸收任何光。煤会吸收大部分射入它的光,几乎没有反射和透射。准确地分辨和预测某一物体吸收、透射和散射的哪种颜色的光?数量是多少?是一个很复杂的科学领域,涉及许多不同的效应,这个问题也不用去深入的研究。但是,我们可以总结吸收背后的基本原理。

光激发电子和分子进入高能量状态有五种基本方式

光的吸收是对一个光粒子(光子)的完全破坏,并将其能量转换成其他形式,也就是将能量摧毁并转化。当光子撞向物体时,原子外层电子、分子、甚至是原子核都会受到光子的影响,并且吸收光的部分能量,并转变为高能量状态。因此,光的能量在被吸收后,转化为了处于激发态的粒子的势能/动能。光激发电子和分子进入高能量状态有五种基本方式:

电子。电子可以被提升到更高的能量状态,在这个状态下,电子的波函数更具波动性(有更多的波峰和波谷)。

振动。光子可以使分子中的原子相互之间振动得更厉害,从而把原子提升到高能量的振动状态。作为一种晶体(包括大多数固体),整个晶体结构是一个巨大的分子,所以振动会贯穿整个物体。

旋转。分子可以旋转得更快,从而被提升到高能量的旋转状态。

核。原子核可以被激发成高能量的波函数状态。然而,激活一个原子核需要大量的能量。因此,只有高能伽马射线才能引起核跃迁,而可见光则不能。

平动。分子可以在空间中以更快的线性速度移动,从而增加其动能。注意,固体中的原子是不能自由移动的。因此,固体不会显著地经历分子被激发到高能量的平动状态(当然,只要存在足够的能量也可以把固体炸成了小块)。

光照射到物体上的热能是怎样产生的

当光被一个物体吸收时,光子就被摧毁了,它的能量以上面列出的其中一种形式转化为势能/动能。严格地说,上面列出的激发态中没有一种是:光被直接吸收后而产生热量的方式。因此,光所携带的能量不会直接转化为热能。我们通常说说的热能是由随机运动造成的,上面列出的所有激发态在光直接吸收的情况下都不是真正的随机运动。所列的激发态取决于光的运动方向、其波形、偏振和颜色。因此,物体的激发态在某种程度上是有序的。

从理论上讲,这些有序的、受激的电子和分子在物体中会以某种随机的方式快速失去激发态(失活)。因此,这种随机去激作用将有序的势能/动能转化为了热能。所发生的事情是这样的:一个被激发的电子或分子撞向邻近的电子或分子并转移了它所携带的能量。这种碰撞迫使被激发的粒子松弛下来回到正常的基态(停止剧烈的振动或旋转)。当粒子转变为较低的状态时所损失的能量给予了与自己碰撞的粒子。由于碰撞是随机的,因此产生的电子、原子和分子的运动就是随机的,因此才形成了热量。晒太阳才会让物体发热。

光还可以转化为其他形式的能量

热能是失激粒子最常见的产物。但不是唯一的产品。电子和分子也可以通过发射少量的光来失去能量,回到基态。一个很好的例子就是在黑暗中发光的贴纸。在贴纸中,一些原始的光线又变成了光而不是热能。电子和分子也可以通过化学反应(半永久性地重新排列原子间的化学键)来失活,这样光能就变成了化学势能而不是热,这就是植物的光合作用。

同样,被激发的电子可以被引导出去形成电流,这就是太阳能电池板的原理。在这种情况下,光能最终成为电能而不是热能。尽管有很多替代方法可以让电子和分子失去激发态,但最常见的结果是光在撞击物体时转化为热能。

如果灯泡发出的光在它照射的所有物体中不断地转化为热能,为什么房间的物体、墙壁不升温呢?它们确实会变热!只不过通常情况下,它们的温度上升幅度很小,我们不会注意到而已。但是在光源附近物体的加热非常明显,例如灯罩上的玻璃,一般会热到烫手。

现在解决问题:为什么房间变暗,为什么不会变暗

注意并不是所有照射到物体上的光都被吸收了。一些光会被反射回来,例如我们房间白色的墙壁,反射出来的光会在房间中继续传播,直到它再次击中另一个物体。这就引出了下一个问题:为什么当你在晚上关灯的时候,房间会瞬间变暗,不是有些光会反射回来吗?

造成黑暗的原因是:即使是反射光也会很快地被再次吸收。其实没有物体表面是完美的反射。这意味着每次反射都会吸收一些光。经过几次反射后,最后残留的光都吸收了。即使你的房间是用高度反光的材料建造的,比如纯银或铝制的镜子,光线也会随着每次反射而变暗,直到几百次反射后完全消失。

几百次的反射可能听起来很多,但是光的速度非常之快,我们来不及眨眼光就可以反射几百次。例如,假设你的房间有5米长,墙壁上的优质镜子可以反射97%的光线。经过一次反弹后,只有97%的光子被反射。在第二次反弹后,只有97%乘以97%,或94%的原光残留。第三次反弹后,只剩下91%的光。当光在墙上的镜子之间来回反射了大约200次,其实只移动了1000米之后,只有0.2%的原始光线没有被吸收并转化为热量。

即使墙壁是高质量的镜子,当光以每秒3×10^8米的速度行进时,在关掉灯后的4微秒内,光线几乎完全被吸收。所以黑暗充满房间就像光消失的一样快,几乎是瞬间发生的。

如果如题所说是一个100%反射光线、且不会透射光线的房间呢?这样的情况,是不会造成光的损失,但是这种状态,也不能去看或者用任何能探测光子的设备去看房间的情况,因为这样就吸收光子,造成光损失。