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。
请问:刚才开灯时,电灯放射出的灯光中的光子到哪里去了
简单地说,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。房间是亮的因为所有物体都在辐射,或者反射和(满)散射,但是注意绝大多数时候你看到的是辐射,不然你会处处看到光源的像。
4. 灯关了之后发生了什么?
第一,当光源停止辐射电磁波的时候,平衡被打破了。随之而快速消失的当然是反射和散射。但是物体的辐射是不是消失呢?通常来说如果没有荧光物质,辐射消失的时间尺度也是远远短于你能够感知的,尽管它可能会比反射和散射消失的慢很多个数量级。因此,在日常生活中,屋子立刻变暗了,因为没有东西再向外发出光子了,没有光子进入你的眼睛,或者摄像机,你就感到一片漆黑。
第二,关于所有亮暗的问题中,所讨论的光子都是特指频率在可见光频段的电磁波的“量子”。也就是光子的能量都在可见光能段。如果我们泛指所有能量的光子。那么开灯时候(达到平衡),所有物体常温下主要辐射红外光,发出红外波段光子,与光源以及所有屋内的物体辐射的光子组成一个完整的平衡时的光谱。只是那些红外波段的你的肉眼看不到。普通摄像机的感光器件也看不到。关灯时候,光源辐射的大部分光子消失(红外波段的光子依然存在),周边物体辐射的光子也会在极短的时间内被吸收掉(红外辐射依然持续)。所以如果此时你有一个红外摄像机,那么你将看到屋子还是亮着的。如果光源是冷光源(假设开关只影响可见光波段的辐射),恰好温度与室温相同,关灯之后屋内所有物体持续热平衡,红外辐射相互平衡,那么红外摄像机根本分辨什么光子消失不消失,无法分辨你有没有关灯。如果是热光源,关灯之后他会发现光源逐渐冷却,如果屋子是孤立系统,那么红外光谱的亮度梯度将逐渐消失,达到热平衡。
5. 宏观物理过程可能由于熵增原理等不可逆,但是微观光子吸收和辐射是不是可逆过程,那么这里会不会关灯后突然屋子自己亮起来,把刚才吸收的光子再放出来?
显然这是不可能发生的,不知道题主会不会有这样的疑问。至少曾经我产生过这样的问题。那么如果题主研习一下原子物理,就知道确实有可能。The Principle of Detailed Balance(这个该翻译成什么原理啊,抱歉我不知道)确实说吸收一个光子和放出一个光子的概率是一样的,但是由于吸收的相空间远大于辐射的相空间,吸收过程远远显著于辐射过程,即使不考虑统计特性,也不可能所有的光子在某一时刻同时再辐射出来。
注:
1. 我注意到题者与一些网友的争论,有些说这是哲学问题,有的说是逻辑问题。这些性质让人难以理解就是指你并不觉得它的这些性质是自然的。但是其实所谓的物理定律是建立在某种公理体系上,不像数学定律,可以证明或证伪。物理定律的证明只能说符合所有在已知的实验事实的意义。恰值胡 Yaobang 同志逝世二十五周年,顺便提一句“实践是检验真理的唯一标准”。就比如牛顿第一定律,事物不受力将保持运动状态。我们只能说从未出现反例,但无反例这个事实与定律是成立的这个论断之间是没有因果性的。
2. 一个经典的情况,一个理想弹性小球 A 撞上一个静止的全同的小球 B,A 停了下来,B 带着 A 传递来的能量动量飞走了。那么我们同样可以问,能量动量是如何传递的?这个问题细细考究,放弃了模型的一些理想条件,其实也就是通过电磁相互作用,通过力,传递了。如果这样的理解不能满足题者的直观,那么只能理解成能量能够通过相互作用传递是自然的规律。如同第一定律,这样的描述符合自然届的现象。
在学习物理的过程中,我也一直追寻一种直观的理解,就如同题主所说的完全符合逻辑的理解。但是事与愿违,很多时候自然就是符合那些不直观的复杂的描述。我们只能接受一些公理体系,然后以符合实验作为检验。回答的有点啰嗦,可能有错误和理解不当的地方,希望能帮到题主。