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有人幻想做一个密室,将一束光永远留在里面,这种想法能实现吗?

理论上可行,但实际上不行。

理论上,如果有百分之百反射的镜面,且这个密室又十分完美,那光子被封闭在这个密室里就会永远存在。光子就像挺不住的小孩,一出生就以每秒30万千米的速度不停地直线运动,这样,光子就像一个乒乓球,在密室反光的墙壁上不断碰撞,弹来弹去永不停歇。

但这只是一种理想状态,要达到这种理想状态,必须有几个条件:

1、屋内接触光子的材料必须达到对光的100%全反射;2、屋内保持绝对真空;3、这个密室必须完美无缺,没有一丝隙缝。在我们这个并非理想的世界,这种完美的理想条件存在吗?

不存在。因为这个世界上只有理论上的全反射,没有实际全反射的物质;而且这个世界也没有绝对真空的地方,宇宙中最真空的地方每立方米也不少于1个粒子,因而密室无法做到绝对真空;密室要做到一丝隙缝也没有更非易事。

为了弄清这个问题,我么先来了解一下光的吸收和反射。

可见光是电磁波谱的一个频段或者说波段,波长在380nm~760nm之间。在所有的电磁波谱中,有比这个频段波长长很多的无线电波,还有比这个波长短很多的X射线、γ射线。由于电磁波的传递媒介都是光子,因此某种意义上都可以说是光波,只不过可见光被人眼看见,其他的光无法被人眼看见而已,如X射线(又叫X光)。

这些光由于频率和波长不一样,能量不一样,因此穿透力也不一样,被反射、衍射、吸收的结果也不一样。比如许多物质对可见光不透明,就是因为可见光被这些物质反射和吸收了,X射线、γ射线就可以透过更多的物质,因此杀伤力就更强。

现在我们只讲可见光。

所有物质对可见光都有吸收和反射能力,因为这个世界上既没有对光全反射的物质,也没有全吸收的物质。我们看到的光线,是由带有能量的光子组成,这些光子遇到物质,就会与组成物质的分子、原子中的电子发生相互作用,电子吸收光子能量,就会由低能态向高能态跃迁,在这个过程,会发出热,能量就发生衰减,因此随着对物体的穿透,光子能量就会越来越弱。

可见光是一种混合光,大致由红橙黄绿青蓝紫等颜色组成,这些不同颜色的光波长是不一样的,红光波长最长,依次变短,紫光波长最短。而不同的物体,由于原子电子数不一样,能级层数排列也不一样,对不同颜色的光吸收也就不一样。

这样某些颜色的光被吸收了,某些颜色的光被反射回来了,被吸收的光人眼看不到,而反射出来的光人眼就看到了,这样,人们看到的各种物质就呈现出不同颜色。而反射率越高的物质,看起来就越接近白色。

金属对光的反射率最高。

当光照射到物体上,会消耗掉一个等离子体频率的等离子振荡,剩余能量才能够继续传播;当这个光子能量小于激发等离子体固有震荡能量,这个光子就会被原封不动地弹开,因此光子的能量,也就是光子频率要高于物质的震荡频率时,其能量才能够被物质吸收。

而金属内部等离子体震荡频率都很高,一般要达到紫外线波段的光,才能够被金属吸收,同时释放出电子,这就是光电效应。可见光频率比紫外线频率低,因此可见光一般就会被金属反弹回来,就形成了可见光的反射。因此,金属反射能力都很强,尤其是银的反射能力达到99%以上。

当金属处于一个不规则状态时,对光的反射体现为漫反射;如果做成光滑平坦的形状,反射就具有定向性,这就是人们利用金属做成反光镜的原因。

对可见光反光率比较高的有铝、银、金、铜。

但它们对光的不同波段反射率是不一样的。如铝,对波长越短的光反射率越高,而银则对波长越短的光,反射率相对越低。金和铜的反射率到了可见光的短波段,反射率衰减很大,尤其对500nm以下的蓝光、紫光,反射率就只有50%左右了。这也是金和铜对人眼呈现出不同颜色的原因。

古代人还没有提炼出铝,虽然有银也有金,但这两种金属都很贵重,因此就将相对较便宜的铜磨光来做镜子。但由于当时铸造和打磨工艺都较低,因此铜镜照出的人影模模糊糊,不是十分清楚,还容易生锈,要经常打磨。后来人们发明了用水银和锡箔粘附在玻璃后面做镜子的工艺,一时风靡全球。但水银有毒,且汞和锡混合工艺制作的镜子并不很清晰,后来就被更好的银和铝所取代了。

现代做镜子一般用银、铝为反射面,由于银和铝的价值相差较大,一般高级镜子就用银,而民间普通镜子用铝。但做出来的镜子反射率并不能完全达到银和铝的全部反射率,这是因为材料和工艺都会有欠缺。

现代镜子的反射率。

普通镜子一般都是用玻璃,在玻璃的一面通过工艺镀上一层银或铝作为反光面,由于玻璃也有一定的透射率,如一般普通玻璃的透射率约90%,也就是说光线通过玻璃到达后面的反光面就损失了10%(反射和吸收损失),再加上镀膜工艺和操作瑕疵等问题,因此一般镜子的反射率就只有85~90%了。好的镀银镜子反射率可达95%以上,一般用于工业或科研的需要,如太阳能发电收集阳光的镜子等。

现在世界上反射率最高的镜子达到了99.9%,是美国加州大学伯克利光电、纳米机构与半导体中心研制的一种纳米镜子,主要用于高级科研活动。但这种镜子已经不是用银作为反射面的普通镜子了,而是一种厚度只有0.23微米的高科技纳米材料,今天我们就不细扯这个事情了。

因此,世界上是没有达到100%反射率的镜子的,这样也就不可能有将光线永远封闭的密室了。那么如果我们假定用99.9%的镜面做成一个完美密室,没有一定缝隙,且里面绝对真空,连一个粒子都没有,光能够在里面保持多久呢?

实验的结果依然会令想锁住光的人们失望。

现在我们来幻想一下。

密室要做得这么完美,当然是越大越难做,而越小难度就相对越小。我们假定这个密室是一个1米见方的盒子,我们向里面投放一束光,这束光的能量相当一个100瓦灯泡1秒钟发出的可见光光子约10^20个。

这束光一旦释放到这个密封盒子里,就会以每秒30万千米的速度运动,也就是说每秒在这个1米大小的盒子里反射达到3亿次,由于这个反射镜面的效率达到了99.9%,因此每一次反射都消耗了0.1%,简单计算1秒钟就递减了3亿次0.1%。

我们简单计算一下就可以得知,只要递减1万次,这束光的强度就只有原来的十万分之4.5;如果递减5万次,就衰减到原来的约1/1.9*10^-22了(100万亿亿分之一)。也就是说,这束光即便是100瓦释放1秒光子,只要经过1/6000秒的时间,早就连一个光子都没了。

1/6000秒,是人眼无法分辨的,因此如果要监控里面的光消失时间,肉眼看到的是灯一灭就暗了,光根本就不会存在。

况且,既然是完美没有任何隙缝的密室,这束光又怎么进去呢?人们又怎么监控里面的光呢?如果要进光和要监控,就要破坏密室的完美,这束光不就泄露衰减得更快吗?而更完美的密室是球形,这样光的反射速度就更快了,就会更快地衰减没了。

不知有密室锁光幻想的朋友,看了以上描述,会不会豁然开朗呢?我的这篇文章会终结未来前赴后继不断出现的此类幼稚问题吗?我想未必,或许这正是我们科普作者需要不断努力,并一直存在的理由吧。谢谢阅读,欢迎讨论。码字不易,如果喜欢就给个点赞和关注吧。

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