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光电学霸也纠结 关灯以后光去哪儿了?

导读: 其实我的理解光子或者电磁波只是一种抽象概念。数学和自然科学的特征就是抽象共性事物的特征,光子就是具有一类特征的东西的名称。

  有一个封闭的房间,没有门窗,天花板、地面和四壁都是用不透光的材料制成的。天花板、地面、四壁整个铺满巨大的镜子。房间内有一盏电灯,开关在房间外面。房间内有一个摄像头,对准电灯。

  我在房间外按动开关,打开室内的电灯,通过摄像头的影像可见,室内的电灯亮了。

  然后,我关掉电灯,通过摄像头可见,室内一片漆黑。

  让学霸也纠结的问题:灯光中的光子到哪里去了?

  1谈安迪

  简单地说,大家基本上都对,光子或者说光波就是被吸收了。

  那么题者可能会产生几个问题:

  1什么是光子?

  作者的问题中既然问了光子去哪里了,那么我假设作者对于光子的概念已经有了一个较为符合理想模型的客观性质的理解。

  其实我的理解光子或者电磁波只是一种抽象概念。数学和自然科学的特征就是抽象共性事物的特征,光子就是具有一类特征的东西的名称。这类东西传递了电磁相互作用,携带了能量与动量,具有波粒二象性,静止质量为零,自旋为1(规范波色子)等等。抱歉实在无法避开很多物理学术语。

  光子的诸多性质,或者说光的诸多性质,有时候很难理解,这个和自然科学的公理体系有关(注1)。如果题主对于这些性质都有一定的了解,那么我们尝试回答下一个问题。

  2什么叫被吸收?被什么吸收?怎样被吸收?

  第一,什么叫被吸收?光具有波粒二象性。波动性通常在与传播相关的问题中体现的更为明显;而粒子性通常体现在与物质作用。那么吸收就是一种作用,与物质的相互一种作用过程。对于这样一个过程的描述和理解,无法避开量子力学。简单的、直观的一种描述方式就如其他的回答中的电子轨道模型,光子将能量与动量传递给处在某个能级的电子,电子跃迁到高能级。当然这样的分立的轨道的描述是经典的Bohr模型,但就解释吸收的作用时有一定的教学意义。

  第二,被什么吸收了?从这个模型中你可以说被电子吸收了。当然实际上光子也会被原子核吸收,被分子吸收,被所有符合对应能量和动量的空缺吸收,这个空缺可以来自于电子的不同能级、原子核的不同能级、分子对称态反对称态、理想黑体等等。看你想要怎么说。

  第三,怎样被吸收?实际上就是光子携带的能量动量转移到了受体上。至于这种转移的“微观”机制,那我只能说到电磁相互作用起到了作用(注2)。如果有机会学习量子力学,解一个谐振势下的电子对“光子”的吸收和受激辐射,能从量子力学的formulism意义上了解这个过程是如何发生的。同样的,不直观,不是经典的图像能够描述的。

  3什么叫房间是亮的,房间是暗的?与光源的状态有什么关系?

  我想关键词是动态平衡。光源是指向外辐射电磁波,或者光子的东西。这个辐射是连续的。那么为什么屋内的光子并没有越来越多呢?或者说屋内并没有越来越亮?因为吸收也在同时连续的发生着。镜子在题者的思想实验中与普通材料并无太大差异,因为题者的探测器(摄像机)对于时间的灵敏度达不到能察觉到差别的程度。

  当灯亮着的时候,灯光辐射出电磁波(光子),这些电磁波(光子)照射到黑色的墙面上、白色的桌上、红色的杯子上、你的眼睛里、摄像机的感光器件里,都有不同程度的吸收和反射。由于传播速度非常大,极短的时间内就多次吸收反射几乎衰减完了。但是由于光源持续的放出光子,光源以及屋子保持亮着。

  那么这些物质持续的吸收着光子,它们发生了一些什么变化呢?

  首先它们都被激发了,到达了一种相对不稳定的状态,这些能量并没有以一种稳定的状态存在。于是这些能量一部分变回光子,被这些物质辐射出去,自发或者受激辐射。一部分变为声子,通俗来说就是这些物质的温度会升高(但是通常极其微量)。

  那么黑色的墙面、白色的桌子、红色的杯子不同就在于他们辐射出来的光子能量不同,或者说电磁波的频率(波长)不同,频谱也不同(黑色的在可见光频段可能几乎没有辐射;白色的在可见光频段辐射很多辐射,叠加起来成白色;红色的辐射红光,频率具有一定的单一性)。

  你的眼睛感光神经元细胞、摄像机的感光器件看到光源(或来自其他物体的光)是由于将光子吸收之后转化成脉冲电信号。尽管除了光源之外所有的物体也在辐射,由于吸收,导致没有光子在屋内堆积起来,搞的屋子越来越亮,这是个动态平衡的过程。

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