【科學科普】既然光子永存,為什麼在封閉的室內一關燈,屋子就黑了?

樂享網 2020-11-28

光子沒有靜止質量,從誕生的一刻起,便以光速在進行運動,而且只要光子不被吸收、不被阻擋,那麼它將按照原有的方向一直傳播下去。

通過天文觀測,我們可以看到幾光年、幾十光年,甚至是幾百光年以外的天體,這些遙遠天體的光芒跨越漫長的時空進入我們的眼簾,向我們展示著這些天體幾年前、幾十年前,甚至是幾百年前的樣子。反過來也是一樣,如果此時我們正站在一顆距地球2200光年以外的星球上觀測地球,只要我們的觀測設備足夠先進,觀測到的景象足夠清晰,那麼我們就可以親眼看到始皇帝登基的情景,因為攜帶這些情景的光子經歷了2200多年的時間跨越了廣袤的宇宙空間進入了我們的眼簾。宇宙是幾近真空的,所以沒有任何物質可以阻擋和吸收光子,所以光子才能夠完成長途跋涉之旅,直至宇宙的邊緣。

宇宙有邊緣嗎?也許有、也許沒有,但無論有與沒有,光子在宇宙中都是永存的,因為它永遠無法撞上宇宙的邊緣。

宇宙誕生於138億年以前,而可視宇宙的半徑為465億光年,這個范圍就被我們稱之為可觀測宇宙。而在可觀測宇宙之外是我們永遠無法看到的區域,因為在那個區域之外,宇宙膨脹的速度遠超光速,所以光子永遠無法追上空間膨脹的速度,來到我們的眼前。

可觀測宇宙的半徑雖然為465億光年,但是在140多億光年以外的地方,空間的膨脹速度就已經超越光速了,原因就在於天體發出的光子在向我們傳播的同時,天體本身也在因宇宙空間的膨脹而遠離我們,所以當我們看到一個天體的時候,這個天體實際的位置其實已經比我們所看到的位置離我們要遠得多了,而我們要知道它們所處的真實位置也並不困難,只要通過光的多普勒效應,就可以計算而出。

在140多億光年以外,宇宙空間的膨脹速度就已經超越了光速,而在更遠的位置上,膨脹速度就更是快得沒邊了,所以以光速運行的光子永遠也不可能撞上宇宙的邊緣,因此它們會在宇宙中永恆存在下去。

既然光子是永存的,那麼理論上如果我們處於一個封閉的房間,當我們關上燈之後,光子應該不會消失,那麼屋子為什麼黑下來了呢?光子從誕生的一刻起,就在以光速運行,並且也只能以光速運行,所以關上燈之後,光子會在四周的牆壁上不斷反射,不過反射的並不是全部,其中有很大一部分被牆壁所吸收了,隨著反射次數的增加,被吸收的光子越來越多,直至全部消失,屋子也就漆黑一片了。

如果我們用高反射率的鏡面來建造房屋,關燈之後,屋子是否能夠依舊燈火通明呢?

不能,因為在現實世界中沒有反射率為100%的材料。在常見的材料之中,鏡面銀的反射率算是比較高的,總體反射率在95%左右。我們不使用鏡面銀,我們使用一種假想的高反射率材料來進行一個思想實驗,假設我們有一種反射率99.9%的材料,我們用它建造一個邊長為5米的房間,那麼當我們關上燈的一刻會怎麼樣呢?仍然會漆黑一片。

雖然這種材料對於光的吸收率只有0.1%,但光的運動速度可是每秒30萬公里,1秒鐘光在屋子裡反射的次數將會是一個天文數字,雖然每次反射只損失0.1%,但全部吸收掉也用不了0.001秒。

現在,我們再來設想一種更為有趣的情況,就是假設世界上存在著一種反射率為100%的材料,我們用它建造一個房屋,關燈之後是否還能看到一片光亮呢?還是不會。

理論上這樣的房屋中,光子的確是永存的,屋子內應該是永遠光亮的,但問題在於,我們無法去驗證這一點。屋子是否光亮,取決於屋中的光子是否能夠進入我們的眼睛,因為只有光子進入了我們的眼睛,我們才能看到光亮,而光子一旦進入我們的眼睛,就被眼睛吸收了,瞬間屋子又會黑下來。而如果光子長了腦子,在屋子裡反射來反射去,就是不進入我們的眼睛,那麼我們看到的仍然是一片漆黑,因為屋子裡雖然充滿了光子,但沒有光子進入眼睛,所以我們什麼也看不到,這頗具荒誕主義色彩,身處於一間充滿光明的房間,看到的卻是一片黑暗。

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