首頁 » 白天將光裝進袋子裡,晚上打開怎麼不見了,它到哪裡去了?

白天將光裝進袋子裡,晚上打開怎麼不見了,它到哪裡去了?
2021/11/04
2021/11/04

這是本是一個常識的問題,過去就討論過,許多人還是一直鬧不明白。其實許多人都知道,不管用什麼容器也裝不住光,但這個問題的實質就是:光為什麼裝不住呢?

理論上,可以像裝水一樣把光也裝起來

如果裝水的容器能夠做到滴水不漏,那這水就可以永遠保留。就像有人藏在地窖裡的酒,過了50年,那瓶酒還在那,而且越來越香醇。

不過酒又並非完全是水,而是水和乙醇的混合物,乙醇揮發昇華比水大多了,因此要求容器密封度就更高,但存久了,再密封的罎子也會跑掉一些。

理論上如果有一個光子都不漏的容器,將光裝在這樣的容器裡,就可以永久保存。不過光可不比水,也不比酒精,其又小又輕逃跑的速度又快,要找到能夠裝光的容器就不可能像裝水那麼容易了。

那麼,我們這個世界上存在「滴光不漏」地裝住光的容器嗎,我們耐心地看下去就知道了。

光的基本性質

光是我們日常眼睛可以看到一切的媒介,也是一個物理學名詞。沒有光,我們的眼睛就白長了,就成了睜眼瞎。光的本質是一種處于特定頻段的光子流,光源之所以發出光,是因為其電子獲得額外能量,以波的形式釋放能量。

光具有波粒二象性,即它即是粒子,也就是光量子,統計學意義上又是以波的方式運動,就是大量光子運動呈現出波的狀態。光沒有靜止質量,靜質量為零,但有能量、動量、動質量。根據愛因斯坦質能方程,可以計算出光子的動質量。

質能方程可推導光子動質量:E=mc^2=hv;由此光子動質量m=(hv)/c^2。這裡的m為光子質量上限,h表示普朗克常量(h≈6.626*10^-34J·s或4.136*10^-15 eV·s),v表示任意電磁波的頻率,c為光速。就是說光子頻率越高,其質量越大。

光子一出生就不會停住,而是以每秒約30萬千米的速度運動(真空光速);光子的體積上沒有定論,但可以認為是已知世界最小的,大于普朗克尺度(1.6*10^-35m);光子是四大基本力中電磁相互作用力的媒介,也就是說電磁力是依靠光子來傳播的。

光子可以與任何參與電磁作用力的物質發生作用,通過與各種物質交互作用後發生吸收、反射、折射、衍射,我們才能夠發現各種各樣的物體,以及這些物體的顏色。目前唯一不發生作用的就是暗物質,因此迄今人們無法知道暗物質是什麼樣子。

光其實就是電磁波,包括無線電波(長波、中波、短波、微波)、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等等,它們都是依靠光子為傳播媒介,因此都是光在不同波段和頻率的表現。而我們今天討論的光,主要是指可見光,就是我們肉眼能夠看到的光,波段約在380nm~780nm之間。

什麼「罐子」能夠裝住光?

根據光和光子的性質,我們就可以推斷出要裝住光而又不「貪污」材料,需要具備以下幾個性質:不帶電、不吸收光子、極度密封。要做到這幾點,這個容器就必須用非我們認知的物質製造,而且這種物質要對光反射率達到100%,密封度要不能漏掉1個光子。

這種材料在我們世界是不存在的。因為所有我們認識的物質都是由原子組成,而原子都由帶正電的質子和帶負電的電子組成,光子都能夠與這些物質發生作用,所以「貪污」現象是不可避免的。

簡單地說,這個容器只需要做到兩點,一是找到或製造出全反射的物質;二是用這種物質做成一個沒有任何隙縫的容器。可惜這兩點也做不到。

而朋友們用所謂袋子裝住光就更是把問題想得太簡單了。你是用什麼袋子呢?牛皮袋還是麵粉布袋?或者是反光塑膠袋?這類袋子一接觸光,光子就都與組成袋子的帶電粒子發生作用,轉化為能量了。因此袋子對著太陽曬,就會發熱。

各種材料的反射率

理論上沒有對光或輻射100%吸收或反射的物質,也就是說任何物體(除了黑洞)都不可能將光全部「貪污」掉。在宇宙空間,除了黑洞,天體物質都會反射光,而光源就是恒星。我們地球的反射率約為35%,月球反射率約58%,金星、火星、木星都有很強的反射率,因此,皎潔的月光才會千里共嬋娟,我們才能夠看到那些本來不發光的行星。

反射有漫反射和鏡面反射之分。所謂漫反射就是一個物體表面不規則,凹凸不平很粗糙,這樣光照射在上面反射方向就分散了,因此在一個角度看到的光就沒有鏡面反射的亮,但同樣材料的漫反射和鏡面反射總反射率是一致的。

人眼分辨物體,主要依賴于漫反射,不同的漫反射才讓不同的物體顯出原形,如果完全是鏡面反射,就難以分辨這個物體的樣子。反射率越高,被吸收得就越小,光就能夠越久時間保留。

在常見金屬中,根據不同波段的光,反射率最高的是銀,反射率可達98~99%;其次是銅,可達60~98%;再次是金,可達47~98%;再就是鋁,可達86~92%。其中銀和鋁對可見光全波段反射最均衡,因此一般製作鏡面塗料都採用銀或鋁。

家庭常用的鏡子一般是用鋁作為反光材料,由于玻璃加工工藝以及鋁的純度都不可能做到完美,再加上玻璃透射率約90%,日常鏡子反射面都在玻璃後面,這樣光通過玻璃一進一出就損失了20%,即便全部反射回來也只留下80%了。

因此常用的鏡子反射率只能在75~85%之間;而用于望遠鏡以及高科技行業的鏡面會採用銀為反光材料,且不通過玻璃透射,加工工藝精度更高,這樣反射能力可達95%以上,頂級科研儀器反光能力可達98%以上。

世界最高反射率的鏡面

據報導,美國加州大學伯克利分校一個科學家團隊,研發了一種納米鏡子,這種鏡子已經不用銀作為反射面了,而是採用一種厚度只有0.23μm的高科技納米材料,其反射率可達99.9%。

美國麻省理工學院一個科學家團隊也曾在《自然》雜誌發表論文,宣稱創造了一種「完美鏡子」,其反射率接近100%,而過去主流太陽光伏發電的反射鏡反射率只在94%左右,如果用這種「完美鏡子」,可以大大增加發電能力。

但這種鏡子接近100%的反射率有多接近呢?而伯克利團隊研究的99.9%反射率的報導還在其後,大概還沒有達到這個指標吧。問題是即便有這麼高反射率的鏡子,人們又如何做成一個無隙縫的容器,又如何能夠將光裝進去呢?

也就是說,即便做成一個完美的容器,你要裝進去的光怎麼進去呢?又怎麼能夠觀測呢?因為一旦你能夠觀測裡面的光子,就說明它跑到你眼睛裡了,就有損失了,這個容器就「漏了」。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論