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    在密室中,手电一关就漆黑一片,手电筒的光跑哪里去了?

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    • 高能物理
    • Lv.17人类
      🌾袁隆平

      光子只要不被物质吸收是可以永久存在的,就像阳光可以经历1.5亿千米,来到地球普照万物。

      光子会消失吗?

      如果此刻,你远在4000光年外的星球上,用足够精密的望远镜跟踪着地球,望远镜可以直播夏商周的盛况。

      光如果不被物质所吸收是否就能一直行进下去?这涉及到宇宙的边界问题。

      举个例子:假设距离地球最远的宇宙边界在100亿光年处,此刻携带着“我正在码字信息”的光子以地球为中心,向全宇宙发射出去,光子将会在100亿年后到达宇宙的边缘,如果那里有生命,它们只有在100亿年后才能看到我此时此刻正在干什么。

      图片实际上,基于哈勃观察、宇宙微波背景辐射等理论告诉我们:宇宙不是静态的,它就像气球被吹起来膨胀着,而且膨胀速度与距离成正比,我们能观测到的宇宙为930亿光年,可观宇宙之外还有宇宙,只是之外的空间膨胀速度超越了光速,之外的星球正以超光速离我们而去,光子无法把那里的信息送过来。

      图片

      这意味着此刻地球的信息,即使不被沿路的物质所吸收,也永远追不上超光速的星球,光子所携带的信息将在宇宙中永远的飘荡下去,永久保留。

      那么光源亮,屋子亮,光源灭屋子就黑,光子哪去了?

      我们做一个思想实验:你有个远程电源开关,可以控制一个封闭房间的光源。

      一按电源,光源立刻释放光子,房间灯火通明(你看不到)。

      松开开关,房间立刻会暗下来(你看不到)。

      即使看不到,实验结果你肯定是认同的,因为每天天黑了我们都在经历相同的事。那么接下来,我要告诉你,你的直觉是错的,错的原因有几个:

      图片

      第一个:电源打开,屋子对你来说不一定是灯火通明的,这取决于光源释放了什么光。比如:释放的是紫外线波段的光,即使你在屋子内,屋子也是漆黑一片,因为你看不到紫外线,只能看到可见光,但对于能接收紫外线的蜜蜂来说房间是灯火通明的。

      图片

      第二个:即使是可见光,光源关闭之后,屋子里也不一定是暗的(理论上)。如果屋子里所有物质无法完全吸收可见光,那么不被吸收的光会在物质间一直反射下去。

      第三个:如果你理解了前两点,那你就应该明白,当光源开着屋子是暗是亮取决于屋子里此刻存在的光子是否能被你眼球中的感光细胞所吸收并反馈给大脑。

      图片

      第四个:如果你在屋里,意味着只要光源关闭,屋子里必然是黑的,因为你只能接收可见光,如果可见光没了,屋子就是漆黑一片,而你的眼球又是一个吸收源,光速每秒3亿米,哪怕光子需要在屋子里不断反射经历3亿米才可以进入你的眼球,当光源关闭只需要1秒,你就可以吸收到所有可见光,房价立刻变暗。当然这是夸大了,光子无论如何反射,房间的造型无论多奇葩,光子都不需要经历3亿米,因此在你的感觉中,房间是在光源关闭后立刻变暗。

      因此光源关闭,屋子变黑的答案是光源发出的一部分光子被物质所吸收(包括人所穿的衣服、皮肤等等),一部分被你看不见(可见光之外的波段,例如红外线),一部分被你的眼球所接受。

      那么光子有没有可能永远留在屋子内呢?

      答案是不可能的。如果存在100%完全反射的物质,你用它来制造墙面、地面、顶棚,并且保证完全密封,光子是可以永远留存的,但是并不存在这种物质。

      即使假设存在这种物质,你也无法判断屋子里是否永远亮着,因为你想判断,势必要观察,观察意味着你眼球要接收“原本可能能永久反射或留存的光子”,你只要一看,它们就立刻被你的“眼睛”吃了,屋子又暗了。

      那么可以用100%完全反射材料制成的机器人进去检测一下?实际上,这和人眼没什么区别,你想得到房间里是否有光子存在的信息,势必要用验光仪器接收光子。

      图片

      图:哈勃太空望远镜拍摄到的星光

      检测会使光子消失,与光子是否一直存在是对立的,因此这个实验没办法做。但是基于光子的性质,我们知道光子可以永久存在,就像遥远恒星发出的光,可以穿过上百亿光年的距离,被我们的天文望远镜所捕获。
      在密室中,手电一关就漆黑一片,手电筒的光跑哪里去了?
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      🌾袁隆平
      [s-5]

      科学界的老油条。

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