这是本是一个常识的问题,过去就讨论过,许多人还是一直闹不明白。其实许多人都知道,不管用什么容器也装不住光,但这个问题的实质就是:光为什么装不住呢?
理论上,可以像装水一样把光也装起来
如果装水的容器能够做到滴水不漏,那这水就可以永远保留。就像有人藏在地窖里的酒,过了50年,那瓶酒还在那,而且越来越香醇。
不过酒又并非完全是水,而是水和乙醇的混合物,乙醇挥发升华比水大多了,因此要求容器密封度就更高,但存久了,再密封的坛子也会跑掉一些。
理论上如果有一个光子都不漏的容器,将光装在这样的容器里,就可以永久保存。不过光可不比水,也不比酒精,其又小又轻逃跑的速度又快,要找到能够装光的容器就不可能像装水那么容易了。
那么,我们这个世界上存在“滴光不漏”地装住光的容器吗,我们耐心地看下去就知道了。
光的基本性质
光是我们日常眼睛可以看到一切的媒介,也是一个物理学名词。没有光,我们的眼睛就白长了,就成了睁眼瞎。光的本质是一种处于特定频段的光子流,光源之所以发出光,是因为其电子获得额外能量,以波的形式释放能量。
光具有波粒二象性,即它即是粒子,也就是光量子,统计学意义上又是以波的方式运动,就是大量光子运动呈现出波的状态。光没有静止质量,静质量为零,但有能量、动量、动质量。根据爱因斯坦质能方程,可以计算出光子的动质量。
质能方程可推导光子动质量:E=mc^2=hv;由此光子动质量m=(hv)/c^2。这里的m为光子质量上限,h表示普朗克常量(h≈6.626*10^-34J·s或4.136*10^-15 eV·s),v表示任意电磁波的频率,c为光速。就是说光子频率越高,其质量越大。
光子一出生就不会停住,而是以每秒约30万千米的速度运动(真空光速);光子的体积上没有定论,但可以认为是已知世界最小的,大于普朗克尺度(1.6*10^-35m);光子是四大基本力中电磁相互作用力的媒介,也就是说电磁力是依靠光子来传播的。
光子可以与任何参与电磁作用力的物质发生作用,通过与各种物质交互作用后发生吸收、反射、折射、衍射,我们才能够发现各种各样的物体,以及这些物体的颜色。目前唯一不发生作用的就是暗物质,因此迄今人们无法知道暗物质是什么样子。
光其实就是电磁波,包括无线电波(长波、中波、短波、微波)、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等等,它们都是依靠光子为传播媒介,因此都是光在不同波段和频率的表现。而我们今天讨论的光,主要是指可见光,就是我们肉眼能够看到的光,波段约在380nm~780nm之间。
什么“罐子”能够装住光?
根据光和光子的性质,我们就可以推断出要装住光而又不“贪污”材料,需要具备以下几个性质:不带电、不吸收光子、极度密封。要做到这几点,这个容器就必须用非我们认知的物质制造,而且这种物质要对光反射率达到100%,密封度要不能漏掉1个光子。
这种材料在我们世界是不存在的。因为所有我们认识的物质都是由原子组成,而原子都由带正电的质子和带负电的电子组成,光子都能够与这些物质发生作用,所以“贪污”现象是不可避免的。
简单地说,这个容器只需要做到两点,一是找到或制造出全反射的物质;二是用这种物质做成一个没有任何隙缝的容器。可惜这两点也做不到。
而朋友们用所谓袋子装住光就更是把问题想得太简单了。你是用什么袋子呢?牛皮袋还是面粉布袋?或者是反光塑料袋?这类袋子一接触光,光子就都与组成袋子的带电粒子发生作用,转化为能量了。因此袋子对着太阳晒,就会发热。
几种高反射率材料
理论上没有对光或辐射100%吸收或反射的物质,也就是说任何物体(除了黑洞)都不可能将光全部“贪污”掉。在宇宙空间,除了黑洞,天体物质都会反射光,而光源就是恒星。我们地球的反射率约为35%,月球反射率约58%,金星、火星、木星都有很强的反射率,因此,皎洁的月光才会千里共婵娟,我们才能够看到那些本来不发光的行星。
反射有漫反射和镜面反射之分。所谓漫反射就是一个物体表面不规则,凹凸不平很粗糙,这样光照射在上面反射方向就分散了,因此在一个角度看到的光就没有镜面反射的亮,但同样材料的漫反射和镜面反射总反射率是一致的。
人眼分辨物体,主要依赖于漫反射,不同的漫反射才让不同的物体显出原形,如果完全是镜面反射,就难以分辨这个物体的样子。反射率越高,被吸收得就越小,光就能够越久时间保留。
在常见金属中,根据不同波段的光,反射率最高的是银,反射率可达98~99%;其次是铜,可达60~98%;再次是金,可达47~98%;再就是铝,可达86~92%。其中银和铝对可见光全波段反射最均衡,因此一般制作镜面涂料都采用银或铝。
家庭常用的镜子一般是用铝作为反光材料,由于玻璃加工工艺以及铝的纯度都不可能做到完美,再加上玻璃透射率约90%,日常镜子反射面都在玻璃后面,这样光通过玻璃一进一出就损失了20%,即便全部反射回来也只留下80%了。
因此常用的镜子反射率只能在75~85%之间;而用于望远镜以及高科技行业的镜面会采用银为反光材料,且不通过玻璃透射,加工工艺精度更高,这样反射能力可达95%以上,顶级科研仪器反光能力可达98%以上。
世界最高反射率的镜面
据报道,美国加州大学伯克利分校一个科学家团队,研发了一种纳米镜子,这种镜子已经不用银作为反射面了,而是采用一种厚度只有0.23μm的高科技纳米材料,其反射率可达99.9%。
美国麻省理工学院一个科学家团队也曾在《自然》杂志发表论文,宣称创造了一种“完美镜子”,其反射率接近100%,而过去主流太阳光伏发电的反射镜反射率只在94%左右,如果用这种“完美镜子”,可以大大增加发电能力。
但这种镜子接近100%的反射率有多接近呢?而伯克利团队研究的99.9%反射率的报道还在其后,大概还没有达到这个指标吧。问题是即便有这么高反射率的镜子,人们又如何做成一个无隙缝的容器,又如何能够将光装进去呢?
也就是说,即便做成一个完美的容器,你要装进去的光怎么进去呢?又怎么能够观测呢?因为一旦你能够观测里面的光子,就说明它跑到你眼睛里了,就有损失了,这个容器就“漏了”。
假设1个最高反射率无隙缝容器装上光
我们假定用具有100%反射率的材料,制作成一个无隙缝完美的密封容器(注意,不是口袋),然后无损失地注射一束光进去,里面的光无论怎么碰撞都无法吸收也无法逃逸,这样,容器的光就可以保存在那里了。
但这只是美好的愿望,世界上没有这么完美的事情,如果有哪位高手能够设想出这个装置,哪怕是思维实验,我想他也将得到诺贝尔大奖。
为了满足一些朋友的想象,现在我们假设有这么个无隙缝容器,又可以无损失地装进一束光,容器内壁反射率能够达到99.99%,我们简单计算一下,这束光能够在容器里装住多久呢?
假定这个容器内径为1米,我们现在来装太阳光1秒钟。已知太阳垂直照射地球的辐射能σ=1.4×10^3 J/(s·m^2),可见光所占的能量η=45%,可见光的波长约380nm~780nm,根据单光子能量=hc/λ(λ为波长),可得出1个可见光子能量在2.55 *10^-19 ~ 5.23*10^-19 J。
我们折中一下,按平均能量3.89*10^-19J计算,每平方米接受太阳光垂直照射1秒,有可见光光子约1.6*10^21个,即使这个容器六面都得到同样的直射光子,加起来也就约9.7*10^21个。
这97万亿亿个光子能保存多久呢?
光速每秒30万千米,那么忽略可能的折射,按照垂直方向反射,每秒钟就在这个距离1米的内壁反射了3亿次。按每次损失0.01%计算,只要反射5000次,这个容器里的光子就只剩下不到1.5个了,反射5100次,理论上就只剩下半个光子了。而光子是不可能有半个的,因此实际上就没有光子了。
5000次反射需要多久?也就是1/60000秒。就是说,即便是密封度完美的一个球体,反射率达到99.99%,把97万亿亿个光子装进去,六万分之一秒后,这些光子就一个不剩了。六万分之一秒是什么概念,人的眼睛是无法分辨的。
何况白天用一个四面漏风的袋子去装光,过了若干小时,打开袋子还想看到光在里面荡漾,这种情况只有做春秋大梦才有可能实现。
不过现在的太阳能电池,就是白天把太阳能储存起来,转换成电能,晚上就可以放出光来。这种“捉光”方式就比用容器装光容易多了。谢谢阅读,欢迎讨论。
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