「生活趣科学」灯一关,屋就黑了,光线去了哪里?

很多人都思考过这个问题吧?一个密闭的屋子里,光线无法跑到室外,在关灯以后,屋子里立刻就黑了,为什么?之前的那些光去了哪里?如果屋里面四壁屋顶和地板全是镜子,关掉灯以后屋子还会立刻就黑吗?宇宙中几百光年以外的光为什么能传到地球上来?超新星爆发后,好多年,光线依然来到了地球,手电筒一关,光柱却立刻消失了,为什么?

「生活趣科学」灯一关,屋就黑了,光线去了哪里?

有人说,这个问题很简单,光线被屋子吸收了呗!那为什么开着灯,就不会被吸收呢?光线是由光子构成的,屋子吸收掉了光子,那这些光子变成了什么?难道变成了物质的一部分了吗?透明的玻璃,为什么能够透过光子呢?

1. 关灯,为什么会立刻就黑

不管开着灯,还是关灯的瞬间,光线都会照射到屋子里,也都会被屋里的物质吸收。之所以关灯就黑,开灯屋子却是亮的,是因为绝大多数物质吸光都是有一定比例的,不会吸收所有的光。如果大部分光被反射回去,而且持续有光线照射,我们就感觉不到光线被吸收了。相反,关掉灯以后,虽然那束光线的强度虽然跟开灯时一样,但由于没有后续光补充,这束光被吸收掉一部分以后被反射到另一个墙面,然后又被吸收掉一部分,如此往复。

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粗略算一下,如果屋子为10米的立方体,每次反射吸收掉10%,关灯以后根据光速3亿米每秒,人眼能识别的最短时间大概是0.05秒,在这段时间内光线经历了至少150万次反射。假设我们能识别原光线强度的一万分之一,只需要87次反射,我们就看不到剩下的光了,150万次连渣也没有了。

同样的,如果是一个镜子屋,假设镜子一次只吸收1%(注,其实一般的镜子吸收率可以达到5-10%),只需要反射800多次就看不到光了,150万次,一样渣都不剩。目前世界上反光最好的镜子一次吸收0.1%左右,也只需要8000多次反射就没有痕迹了。

其实上述计算,只考虑了墙壁的吸收,没有考虑空气的吸收,如果再考虑空气的话,光线只会消失得更快。但是如果是用世界上最好的镜子做成真空的屋子,屋子长度有三亿千米(7.5个地球周长,相当于这个屋子能装下一万多个地球),光线直线传播,不分散,那么光线在这个屋子里还是可以持续几千秒的,也就是两个小时左右。换个角度,如果这束光在真空中照射出去,如果中间不会碰到物质,理论上可以传播到无限远。

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2. 被吸收掉的光线变成了什么?

被吸收掉的光线,变成了热量,就这么简单。说着简单,但变得过程还是很复杂的。光子怎么变成的热量呢?这一段算是对自己的科普了,我尽量用通俗的语言分享这个过程,看不懂的朋友也请谅解。

首先,必须说明所谓温度,就是分子平均动能的一种描述,温度越高也就是分子运动越快。两个物体温度的传递,其实就是通过分子碰撞来完成的,温度高的物体具有较快的分子,通过碰撞冷分子给自己降速,也就降温了,同样温度较低的物体分子就会被加速,也就升温了,直到相互碰撞不再改变平均动能,也就是温度相等了。

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左边高温,右边低温,下面文字为热传递

其次,光子并不是通过典型的碰撞使物体升温的,如果只是简单的碰撞,光子应该还在,可是实际上光子是会被吸收掉的。怎么吸收呢,吸收以后光子变成了什么物质呢?难点就在这里,如果各位看不懂,只好抱歉了。吸收光子的是原子核外面的电子,电子吸收光子,能量升高(光子消失),电子从基态变到激发态,在激发态的电子很不稳定,很想回到基态。

回到基态就要把能量再放出去,放出去的方式主要有两种,一种是释放光子,一种是转化成分子动能。前一种方式叫荧光,可以把刚刚吸收的光子再放出去,也可以释放其他光子,但要保证能量守恒;后一种方式,有个挺奇怪的名字叫无辐射驰豫,简单说就是不发光,通过分子碰撞把能量传出去。小屋子里的光线主要通过后一种方式被转化成了屋里物质的热能,当然这个过程中,也伴随着光子的再发射和再吸受。

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最后,需要说明的是,真空中主要散热的方式是红外光。所有物体都会发出红外光,温度越高,红外光越强,这些红外光也会带走大量的热量。这就是为什么真空中得不到能量补充的一些物体最终温度会很低的原因。地球上的物体吸收阳光放出红外光,又会被空气吸收掉,因此散热比较慢。空气中二氧化碳等气体就是可以吸收并释放红外光,有减少地球热量散失的作用,也叫温室气体。金星由于温室气体二氧化碳太多,昼夜温差很小,整个星球都是400度左右的高温,完全不适合生物生存。因此虽然金星更近,但是人类宁愿移民更远、更小、更冷甚至几乎没有大气的火星。

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温室效应

好了,今天就分享到这里。如果你看懂了,我很荣幸。如果没有看懂,能看懂一半也就很厉害了。如果你完全看不懂,我能说我已经尽力了吗?

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