当把全密闭屋子里的灯关掉,光线跑去了哪里?
回答这个问题,我们需要先了解这么几个问题:第一,光线是什么?由什么组成?第二,光子是什么?第三,我们为什么会看到光?先说这几个问题,可能说着说着就会有新问题跳出来。
光是什么?光是电磁波或是电磁辐射,我们知道电磁波根据波长划分有这几种:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线,而X射线与伽马射线一般被认为是放射性辐射,虽然它们也都是电磁波,而且是高频电磁波,对人体伤害极大。人肉眼所见的是可见光波段的电磁辐射,而其它波段的电磁波人的肉眼是看不见的,但并不是说它们不存在,它们是存在的,就在我们周围,密密麻麻。
光或者说电磁波由什么组成,这个事情牵扯出科学史上曾发生过的一些大事,这些事情发生于20世纪初,与之相关的人物都是物理书上重要的人物,那种少了他们物理书能薄一半的人物。“光电效应”、“波粒二象性”、量子力学的发展,让世人对光的理解更上了一个层次,原先科学家们一直对光到底是波还是粒子而争论不休,经过这些科学家的讨论,在那时有了定论,即一切物质都具有“波粒二象性”,光当然也不例外。所以说,光由粒子组成,我们称“光子”,这是从粒子性来阐述它。
光子是什么?光子是光的载体,就是电磁辐射的载体,也是传递电磁相互作用的媒介粒子,光子有一些不符合常识的特征,比如这些:没有静止质量,运动速度光速,而且光子从诞生时刻起运动速度就是光速,无需加速过程。光子虽然没有静止质量,但仍然有能量、动量、动质量。
我们为什么可以看到光,这是因为光子携带的能量撞击到视网膜上,由大脑进行合成,在脑海里形成的“实时图像”,其实并不是真正的实时,仍然是有极其微小的延迟的,具体视网膜是如何工作的,这就是生物学上的问题了,在此就不多赘述。
在全封闭的屋子里打开手电筒,屋子被照亮,这是因为光的反射与散射作用,使屋子里布满了光子,才有机会到我们的瞳孔里,如果将灯关闭,屋子会瞬间暗下来,那之前的光子哪里去了呢?答案很简单,被物质吸收了,我们说了,光子具有能量,光子被物质吸收了这个过程其实就是光子携带的能量转移的过程,那能量是被什么吸收了呢?被电子吸收了,原子核外的电子吸收了光子的能量就会转移到高能级轨道上,当然光子也可能会被原子核吸收,那么多的东西在吸收光子,加上光子的运动速度又如此之快,所以很快位于可见光波段的光子就消失了,眼睛自然也就看不到了。
有多快呢?举个例子就很明了了,我们假设在一个10平米左右的房间里,房间里的墙壁被反射率为80%的镜子铺满,无缝衔接,我们再假设屋子内部为真空或几近真空的环境,那么在关灯以后,屋子多快会暗淡下来呢,大约50ns左右,这个时间差人是无法察觉出的,所以也就是一瞬间屋子就黑了,为什么这么快呢,因为光速太快了,一瞬间的时间它都不知道反射多少次了,光子那点能量早就被吸收完了。但有一点需要注意,那就是我们肉眼看到的是可见光,会不会虽然可见光消失了,但其它波段的光未消失呢?这当然是正确的,比如红外波段的光,它就会停留一会儿,红外波段的光人的肉眼是看不到的,所以也就不会察觉到它是在慢慢消失。
如果把密闭屋子墙壁全部换成100%反光的材料(不存在)且无缝连接,那束光会一直在里面反射吗?这需要加一个前提条件,就是没有空气,为什么要加这个条件呢?因为如果有空气的话,空气尘埃也会把光子能量吸收完,所以必须附加这个条件,然而这样的条件是不存在的,讨论假想中的状况就没多大意义了。