晚上关了灯摸黑上床,你有没有掏出手机开手电筒照过天花板?或者小时候拿个铁皮手电筒在被窝里玩,突然关上开关的时候有没有愣过神,刚才那一束亮堂堂的光,明明刚才还晃眼睛怎么说没就没了。
那些光跟着开关咔哒一声就消失了吗,还是接着往前跑,跑到房子外面,跑到大气层外面,一直跑到宇宙深处去了?这个问题看起来简单,其实不少人到现在都没整明白,今天咱们就把这事说清楚。
很多人第一反应是,光被挡住了呗,墙或者天花板把光挡住了,自然就看不见了。这话对一半,光确实不是凭空没了,但也不是被挡住就藏起来等着下次再出来。
光本质上是电磁波,一份一份的能量,它只要跑出去,要么被物体吸收变成别的能量,要么被反射或者散射出去接着跑,不可能安安稳稳停在半空中等你看。
就说你拿手电筒照空气吧,咱们呼吸的空气里不是啥都没有,有氮气氧气分子,还有灰尘小水滴这些小东西。光子跑的时候,不断撞到这些小东西,一部分光子直接就被分子吸收了。
吸收光子之后,分子本身能量变高了一点,其实就是温度稍微升了那么一丢丢,你感觉不出来而已,光能就变成热能散到空气里了。
这个过程有多快呢,光速是每秒三十万公里,就算在一公里外光子才被吸收,那也只需要三十万分之一秒,也就是不到一微秒,从咱们眨眼睛的速度来看,这不就是一关开关立刻就看不见了吗。
那剩下没被空气吸收的光子呢,它们打到墙上或者天花板上,一样逃不开被吸收的命运。咱们能看见物体,就是因为物体反射了光子进到我们眼睛里,可不管反射能力多好的东西,都不可能把所有光子都反射出去。
比如刷了白漆的墙,反射率差不多也就百分之八十到九十,剩下百分之十几的光子直接被墙面的材料吸收了,变成热量。
反射出来的光子又会撞到别的墙,或者被空气吸收一部分,每走一步都有大量光子被吃掉,这个衰减速度快到超出我们的感知。
算一笔明白账吧,假设一面墙反射率百分之九十,光子第一次撞上去剩下百分之九十,第二次撞上去剩下百分之八十一,第三次七十三,第十次之后就剩下不到百分之三十五,第二十次只剩下百分之十二,第三十次就只剩百分之五不到了。
咱们房间也就几米见方,光子一来一回撞几十次也就用了不到一亿分之一秒,这点时间对我们来说跟瞬间消失没区别。
手电筒本来发出的光就不是很强,开关一关,光源没有新光子出来了,原来发出去的光子在极短时间内就被全部吸收,自然也就看不到光了。
那有人会问了,如果我把手电筒对着太空打开,关上开关之后,那些跑出去的光是不是就能一直跑到宇宙深处了?
这个问题得看情况,咱们先把前提说清楚,假设在大气层外面,周围没有别的天体,那发出去的光子确实能一直往前跑。
太空里太空旷了,平均每立方米也就几个原子,光子跑几百万光年才有可能撞到一个东西,所以只要不碰到障碍物,这些光子就会以光速一直运动下去,跟着宇宙膨胀还会不断红移,波长变长,能量变低,但不会凭空消失。
但如果是在地球表面往天上照呢,那大部分光子还是会被大气层吸收掉,少数能跑出大气层的光子,确实会进入太空一直往前走。比如咱们晚上拿手电筒照天空,那一瞬间跑出去的光子,现在已经在宇宙里飞了不知道多远了。
1969年阿波罗登月的时候,宇航员在月球上放了一个角反射镜,科学家往月球上打激光,反射回来的光子能被我们接收到,这个过程光走一个来回需要两秒多钟,这就是实实在在的例子,说明光只要没被吸收,就会一直往前跑。
那为什么我们关上开关,哪怕前面就是空旷的太空,我们也立刻看不到光了呢?原因很简单,因为你眼睛能看到光,得有光子进到你的眼睛里,刺激视网膜才能产生视觉。
开关关上之后,光源不再产生新的光子,已经跑出去的光子都往远处飞呢,不会掉头回来进到你眼睛里,你自然就看不到任何光亮了。这不代表光子不存在了,只是它们已经跑远了,你看不见而已。
咱们日常生活里,手电筒的光绝大多数都在房间里,被空气墙壁家具还有我们自己的身体吸收了,光能全部转化成了一点点热能,让整个房间的温度升高了几乎可以忽略的一点点,整个过程不到一毫秒就完成了,所以我们才会觉得一关开关光就立刻消失了。
这个过程里,能量守恒定律一直成立,光能没有消失,只是换了一种存在形式而已,不是说没看到就等于不存在了。
其实我们现在看到的太阳光,也是八分钟前从太阳表面发出来的,如果太阳现在突然熄灭,我们也要八分钟之后才会陷入黑暗,就是因为八分钟之前发出来的光还在往地球跑,没被全部吸收之前我们就能一直看到。
这个道理跟手电筒是一样的,如果把手电筒放在一个离我们一光年的地方,打开一秒再关上,我们要一年之后才能看到这束光,还能看到一秒钟,然后才会变暗,因为那一束光已经跑了一光年才到我们眼睛里。
关掉手电筒之后,眼前立刻变黑,是因为剩下的光子要么已经被周围的东西吸收成了热能,要么已经接着往前跑远了,不会再进到你眼睛里。
在地球上的手电筒,几乎所有光子都会在极短时间内被地球的空气和物体吸收,不会有多少能跑到宇宙里去。
少数跑出去的,确实就像开出去的火车,一直朝着宇宙深处走,只要不撞上东西,就会一直走下去,走到宇宙的尽头。
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