有人幻想做一個密室,將一束光永遠留在裡面,這種想法…


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有人幻想做一個密室,將一束光永遠留在裡面,這種想法能實現嗎?

  • 理論上可行,但實際上不行。

理論上,如果有百分之百反射的鏡面,且這個密室又十分完美,那光子被封閉在這個密室裡就會永遠存在。光子就像挺不住的小孩,一出生就以每秒30萬千米的速度不停地直線運動,這樣,光子就像一個乒乓球,在密室反光的牆壁上不斷碰撞,彈來彈去永不停歇。

但這只是一種理想狀態,要達到這種理想狀態,必須有幾個條件:

1、屋內接觸光子的材料必須達到對光的100%全反射;2、屋內保持絕對真空;3、這個密室必須完美無缺,沒有一絲隙縫。在我們這個並非理想的世界,這種完美的理想條件存在嗎?

不存在。因為這個世界上只有理論上的全反射,沒有實際全反射的物質;而且這個世界也沒有絕對真空的地方,宇宙中最真空的地方每立方米也不少於1個粒子,因而密室無法做到絕對真空;密室要做到一絲隙縫也沒有更非易事。

  • 為了弄清這個問題,我麼先來了解一下光的吸收和反射。

可見光是電磁波譜的一個頻段或者說波段,波長在380nm~760nm之間。在所有的電磁波譜中,有比這個頻段波長長很多的無線電波,還有比這個波長短很多的X射線、γ射線。由於電磁波的傳遞媒介都是光子,因此某種意義上都可以說是光波,只不過可見光被人眼看見,其他的光無法被人眼看見而已,如X射線(又叫X光)。

這些光由於頻率和波長不一樣,能量不一樣,因此穿透力也不一樣,被反射、衍射、吸收的結果也不一樣。比如許多物質對可見光不透明,就是因為可見光被這些物質反射和吸收了,X射線、γ射線就可以透過更多的物質,因此殺傷力就更強。

  • 現在我們只講可見光。

所有物質對可見光都有吸收和反射能力,因為這個世界上既沒有對光全反射的物質,也沒有全吸收的物質。我們看到的光線,是由帶有能量的光子組成,這些光子遇到物質,就會與組成物質的分子、原子中的電子發生相互作用,電子吸收光子能量,就會由低能態向高能態躍遷,在這個過程,會發出熱,能量就發生衰減,因此隨著對物體的穿透,光子能量就會越來越弱。

可見光是一種混合光,大致由紅橙黃綠青藍紫等顏色組成,這些不同顏色的光波長是不一樣的,紅光波長最長,依次變短,紫光波長最短。而不同的物體,由於原子電子數不一樣,能級層數排列也不一樣,對不同顏色的光吸收也就不一樣。

這樣某些顏色的光被吸收了,某些顏色的光被反射回來了,被吸收的光人眼看不到,而反射出來的光人眼就看到了,這樣,人們看到的各種物質就呈現出不同顏色。而反射率越高的物質,看起來就越接近白色。

  • 金屬對光的反射率最高。

當光照射到物體上,會消耗掉一個等離子體頻率的等離子振盪,剩餘能量才能夠繼續傳播;當這個光子能量小於激發等離子體固有震盪能量,這個光子就會被原封不動地彈開,因此光子的能量,也就是光子頻率要高於物質的震盪頻率時,其能量才能夠被物質吸收。

而金屬內部等離子體震盪頻率都很高,一般要達到紫外線波段的光,才能夠被金屬吸收,同時釋放出電子,這就是光電效應。可見光頻率比紫外線頻率低,因此可見光一般就會被金屬反彈回來,就形成了可見光的反射。因此,金屬反射能力都很強,尤其是銀的反射能力達到99%以上。

當金屬處於一個不規則狀態時,對光的反射體現為漫反射;如果做成光滑平坦的形狀,反射就具有定向性,這就是人們利用金屬做成反光鏡的原因。

  • 對可見光反光率比較高的有鋁、銀、金、銅。

但它們對光的不同波段反射率是不一樣的。如鋁,對波長越短的光反射率越高,而銀則對波長越短的光,反射率相對越低。金和銅的反射率到了可見光的短波段,反射率衰減很大,尤其對500nm以下的藍光、紫光,反射率就只有50%左右了。這也是金和銅對人眼呈現出不同顏色的原因。

古代人還沒有提煉出鋁,雖然有銀也有金,但這兩種金屬都很貴重,因此就將相對較便宜的銅磨光來做鏡子。但由於當時鑄造和打磨工藝都較低,因此銅鏡照出的人影模模糊糊,不是十分清楚,還容易生鏽,要經常打磨。後來人們發明了用水銀和錫箔粘附在玻璃後面做鏡子的工藝,一時風靡全球。但水銀有毒,且汞和錫混合工藝製作的鏡子並不很清晰,後來就被更好的銀和鋁所取代了。

現代做鏡子一般用銀、鋁為反射面,由於銀和鋁的價值相差較大,一般高級鏡子就用銀,而民間普通鏡子用鋁。但做出來的鏡子反射率並不能完全達到銀和鋁的全部反射率,這是因為材料和工藝都會有欠缺。

  • 現代鏡子的反射率。

普通鏡子一般都是用玻璃,在玻璃的一面通過工藝鍍上一層銀或鋁作為反光面,由於玻璃也有一定的透射率,如一般普通玻璃的透射率約90%,也就是說光線通過玻璃到達後面的反光面就損失了10%(反射和吸收損失),再加上鍍膜工藝和操作瑕疵等問題,因此一般鏡子的反射率就只有85~90%了。好的鍍銀鏡子反射率可達95%以上,一般用於工業或科研的需要,如太陽能發電收集陽光的鏡子等。

現在世界上反射率最高的鏡子達到了99.9%,是美國加州大學伯克利光電、納米機構與半導體中心研製的一種納米鏡子,主要用於高級科研活動。但這種鏡子已經不是用銀作為反射面的普通鏡子了,而是一種厚度只有0.23微米的高科技納米材料,今天我們就不細扯這個事情了。

因此,世界上是沒有達到100%反射率的鏡子的,這樣也就不可能有將光線永遠封閉的密室了。那麼如果我們假定用99.9%的鏡面做成一個完美密室,沒有一定縫隙,且裡面絕對真空,連一個粒子都沒有,光能夠在裡面保持多久呢?

  • 實驗的結果依然會令想鎖住光的人們失望。

現在我們來幻想一下。

密室要做得這麼完美,當然是越大越難做,而越小難度就相對越小。我們假定這個密室是一個1米見方的盒子,我們向裡面投放一束光,這束光的能量相當一個100瓦燈泡1秒鐘發出的可見光光子約10^20個。

這束光一旦釋放到這個密封盒子裡,就會以每秒30萬千米的速度運動,也就是說每秒在這個1米大小的盒子裡反射達到3億次,由於這個反射鏡面的效率達到了99.9%,因此每一次反射都消耗了0.1%,簡單計算1秒鐘就遞減了3億次0.1%。

我們簡單計算一下就可以得知,只要遞減1萬次,這束光的強度就只有原來的十萬分之4.5;如果遞減5萬次,就衰減到原來的約1/1.9*10^-22了(100萬億億分之一)。也就是說,這束光即便是100瓦釋放1秒光子,只要經過1/6000秒的時間,早就連一個光子都沒了。

1/6000秒,是人眼無法分辨的,因此如果要監控裡面的光消失時間,肉眼看到的是燈一滅就暗了,光根本就不會存在。

況且,既然是完美沒有任何隙縫的密室,這束光又怎麼進去呢?人們又怎麼監控裡面的光呢?如果要進光和要監控,就要破壞密室的完美,這束光不就洩露衰減得更快嗎?而更完美的密室是球形,這樣光的反射速度就更快了,就會更快地衰減沒了。

不知有密室鎖光幻想的朋友,看了以上描述,會不會豁然開朗呢?我的這篇文章會終結未來前赴後繼不斷出現的此類幼稚問題嗎?我想未必,或許這正是我們科普作者需要不斷努力,並一直存在的理由吧。謝謝閱讀,歡迎討論。碼字不易,如果喜歡就給個點贊和關注吧。

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