關於光,我們把手電筒關掉之後,手電筒之前的光還在嗎?

術帆科技

侯寶林有段著名的相聲,兩個醉鬼聊天,一個打開手電筒讓另一個順著光柱爬上去,另一個說:“別鬧,我爬上去,你一關電門,我掉下來了”。題主是受這段相聲啟發吧。

先拋開手電筒不說,抬頭看看太陽。我們都知道太陽距離地球大概1.5億公里,光從太陽發出到達地球需要大約8分鐘。如果太陽此時此刻突然熄滅了,我們抬頭看向天空,不會察覺到任何異樣。大約8分鐘以後,我們才會看到太陽黯淡下去。

手電筒和太陽本質上是一樣的,都是所謂光源。光的本質是電磁波,所以光源本質上就是一個發射電磁波的源頭。你也可以把光源理解為不斷射出子彈的槍口,當槍口停止發射,子彈會消失嗎?當然不會。

當然光並不等同於子彈, 光具有波粒二象性,即它既是波又是粒子。那麼你又可以把光源理解為一個在湖面上不斷向外放射水波的振動源。振動源消失的同時,水波並不會馬上消失,而是不斷向外傳播,直到衰減至平靜。

回到侯大師的那段相聲,實際上,光本身具有動能,照射到任何物體,都會和物體相互作用而對物體產生所謂光壓效應。也就是說,如果手電筒的光足夠強,那個喝醉的哥們還真可能順著那道光爬上去。而且只要他爬的足夠高,比如說,100光年那麼高,那麼即使關了手電筒,他也要100年以後才會掉下來。


羅生物語

這有幾種可能,首先必須說手電筒的光著照向哪裡?如果是照向地面的話,那麼在關閉手電筒的瞬間,光就沒有了,如果是照相太空,而且天氣十分晴朗的話,那麼雖然你的手電筒已經關閉了,但是之前發出的光還是會繼續跑下去點,而且還會跑好一陣子的。




那麼為什麼手電筒照到地面上的光關閉後立即就沒有了?而照向外太空的光卻能好下去呢?這是因為手電筒的光照到地面或者其他物體上的時候被物體阻擋並吸收了,可能很多人會好奇,覺得物體怎麼會吸收光呢?其實想想道理也很簡單,光的速度是非常快的,每秒30萬公里,但是光子非常小,質量也非常微小,甚至科學家認為光子如果不運動的話都是沒有質量的,那麼當手電筒的光照到物體或者地面上時,在微觀的層面,實際上是光子撞擊到了原子,當光子撞擊到原子上時,由於原子核中的質子和中子的質量比較大,所以光子就作為能量能量被輕鬆吸收,並且不會發生大的變化,除非光子非常非常多,比如激光發出的光就能摧毀物體,就是因為它發出的光子太多了,但是手電筒發出的光遠遠達不到這種程度,但是手電筒發出的光的光子打到圍繞原子核運行的電子上時,卻能加速電子的運動,因為電子的質量非常小,據說只有質子的萬分之三,但是仍然比光子大得多,所以光子打到墊子上時能被電子吸收,這能加速電子的運動,但是並不能把它打出去,這時被加速的電子就會從低能級的內層軌道躍遷到高能級的外層軌道,原子的狀態變得活躍和不穩定,這就是我們撫摸一些陽光下的物體比不在陽光下的物體感覺熱的原因,同時這也是一些物品或藥品不能直接在陽光下照射的原因,因為光子的照射會微觀的層面改變物品或藥品的狀態,加速其變質的速度。

但是並不是所有的物體中的分子和原子都會吸收所有的光線,當光子打到物體上時,微觀層面發生的事,就是一部分光子被原子核和電子直接吸收了,也有一部分會被髮射出去,然後被釋放的光子又會撞擊其它物體,再次減少其數量和能量,光子的衰減大體就是這樣一個循環漸變的過程,所以照射的地面和物體上的光會立即消失。

但是照射到太空中的光線卻不一樣,因為太空中的環境接近於真空,光子前進的路上,受到的阻擋很少,平均數立方米才會有一個原子,所以光線常常會一直奔跑下去,這也是我們之所以能看到幾十上百億光年外的發光物體的原因,但是手電筒的光線還是很弱的,它發出的光子數量並不多,當它的光子被太空中的物質完全吸收後,它的奔跑也就結束了,但是它奔跑這個距離也很可能會遠達幾十光年。


科普大世界


不管什麼光都會一直傳輸下去,只是有些光強大,就傳得很遠;有些光很弱,傳不多遠就難以識別。

宇宙目前觀測到的最遠發光體是138億光年,也就是說,那裡的星光走了138億年,才被人們觀測到。光在真空中傳輸的速度是每秒鐘約30萬公里,一年走9.46萬億公里,走了138億年,你算算傳了多遠距離?

手電筒的光是散射的,傳不多遠就看不到了,有幾個原因。一是空氣會對光發生衍射現象,二是人的祼眼看不了多遠。如果在真空中,又藉助足夠大的觀測儀器的話,理論上手電筒的光也會在很遠的地方看到,但前提是途中不能被比手電筒更強的光線干擾。如果你關閉了手電筒的光,觀測者的距離有多少光距,就會延遲多久的光亮。比如觀測者距離手電筒光源1光分,手電筒關閉後,觀測者會延遲1分鐘才看到手電筒熄滅。

前面反覆提到的觀測者才是關鍵因素。這個宇宙的所有事物發生變化,都是因為有觀測者的存在,是觀測者觀測的記錄。如果沒有觀測者,一切皆為烏有。手電筒的光線也不例外,哈哈。


時空通訊

手電筒關掉後,之前發出的光會因為衰減而耗盡消失。其實當我們關閉手電筒的時候,光子會經歷重重的障礙被損耗,手電筒的鏡片對光子也是具有吸收作用的,當光子透過手電筒進入空中的時候會撞上空氣中的分子,氧氣分子,氮氣分子等等,也會被

吸收而損耗,空氣中的空隙非常大,絕大多數的光子會撞擊到牆面,地面,樹木上,最終被消耗殆盡。接下來就要說說這些光子是如何被消耗的。

非真空

當光子撞擊到分子和原子以後,這些物質的原子核外的電子就會接收到光子給予的能量,核外電子就會從基態變成激發態,從低

能級的內層軌道躍遷到高能級的外層軌道,此時核外電子的狀態不穩定,一部分核外電子會吸收光子而保持激發態,相當於光子被直接吸收了;另一部分核外電子會從激發態重新變成基態並且向外釋放能量和光子,此時釋放的光子比吸收的光子能量要少。打個比方,相當於核外電子吸收了100份光子,然後釋放50份光子和能量,然後被釋放的光子又會撞擊其它物體,大體就是這樣一個循環將光子衰減的過程,雖然這個過程看起來複雜,但實際上光源關閉的瞬間,這個過程也就完成了。

真空

假設這個手電筒是在宇宙的真空環境下照射的,那麼過程又有點區別了,宇宙的真空環境其實並非完全真空,每4立方米含有1個質子,光子在宇宙中傳播,極少量會被質子吸收,但是這個吸收的量少到完全可以忽略的,除非是被高質量的天體所吸引或者撞擊到宇宙中的障礙物,否則完全可以認為光在真空中傳播是沒有損耗的。

當手電筒沒有關閉時,有了源源不斷的光子供給,就形成了明亮的光柱,生活中看似簡單的一件小事,背後都隱藏著無盡的科學知識。


科學薛定諤的貓

我們可以先把這個問題放得很大,或許會好理解一點。假如太陽突然熄滅了,遠在地球的我們根本不可能立即就知道,為什麼我們的反應這麼遲鈍呢,因為太陽和地球的距離實在太遠了,連跑的那麼快的光都要花8.3分鐘左右才能跑完。(按照c0=299792458m/s的光速,以及149597870千米的日地距離)

也就是說,當太陽熄滅的那一刻後的八分多鐘,我們依然可以看見太陽光,只不過這個時候的太陽光某種意義上已經是幻象了,這和我們經常說的“天上早就死去的星星 依舊在夜空閃亮 穿越千萬年的光來到你的身旁”是一個道理,是不是有點恐怖的感覺,因為宇宙真的太大了,人類也真的太渺小了。

回到題主的問題,作個不嚴謹的比喻,其實手電筒就是小太陽,一個小的發光體,當我們關閉它之後,它的光是立刻消失,還是繼續向前走呢?

按照太陽的這個例子,既然都是光,那原理也應該一樣,手電筒的光確實會繼續向前走。

只不過手電筒的光和太陽光相比,威力真的是太小了,而且地球不存在絕對的真空環境,光在往前走的時候,必須會伴隨著消耗,也就是折射、散射、和衰減轉化的一系列過程。

在我們關閉手電筒的那一刻,手電筒的光會繼續向前走,但也會在極短的時間內就消耗殆盡,短到我們人類的肉眼都難以捕捉,從這個角度看,說它是“立刻消失”似乎也有一定正確性。

不過話說回來,根據能量守恆定律,光又是永存的,只不過是以你看不見的其它形式。

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如果我們把這個問題稍微改一改,不是關於光而是關於水龍頭的。一個人,開著水龍頭往外噴水。突然,關住了龍頭,這時候已經噴出去的水,是會突然消失,還是繼續往前跑呢?

知道結果的自然已經知道了,不知道的您也可以去試一試。

這個問題這麼簡單,那為什麼把水換成了光,就搞不清楚,就要跑到這頭條上提問呢?就是因為,光實在太快了,一秒鐘能繞地球跑7圈半。你的手電筒發出去的光,不到萬分之一秒,就已經無影無蹤了。

那我們到底怎麼樣才能真正觀測到,光的足跡呢?

答案就是,藉助科學的力量。

麻省理工學院媒體實驗室與化學系的巴文迪實驗室在2011年,發明了一種高速拍攝技術,可以獲得等效於每秒一萬億幀(1,000,000,000,000fps)的影片。這相當於兩幀之間的間隔僅為1皮秒(皮秒為萬億分之一秒)。在這麼短時間內,光只能傳播0.3毫米。好比那孫悟空,一個跟斗明明十萬八千里,但對於這臺攝像機來說,哼哼,還在手掌心裡呢~

藉助這一高科技,我們現在已經可以清楚地看到,光在離開光源之後,一點一點向前蠕動的景象。可以說是十分令人驚歎了。

比如上圖,就是一束激光穿過一個可樂瓶。

這是一束激光被鏡子反射的視頻。注意,鏡子畫歪了。

如上圖,光在不同介質中的速度會不一樣,而這一現象也能被這臺高速攝像機觀測到。

還可以看到折射現象。

這一小團光,有頭有尾的,很顯然是激光開了一小下,有關了,發出的光。換言之,拍這些照片的時候,這激光器是關著的。但毫無疑問的是,我們還是看到了這些光。


現在我不說,聰明的你來回答:

關於光,我們把手電筒關掉之後,手電筒之前的光還在嗎?


IvanZhu

對於這個題目,手電筒關掉之後,我們感覺屋子裡瞬間黑了下來,那是因為手電筒之前發出的光線被牆壁、屋內的物品等吸收掉了。但如果在真空之中,則能夠傳播更遠的距離以及更長的時間。


看風景的蝸牛君

當然存在了,你可以這麼理解:手電筒打開,裡面發射出光子,當關掉手電,之前發出的光子依舊在“奔跑”,光子是否繼續存在和手電筒沒任何關聯。

其實天上的太陽就是最好的例子

我們知道地球距離太陽1.5億公里,一束光跑完需要跑8分鐘左右。

這也說明了,如果太陽突然消失,那麼我們最快只能在8分鐘之後感知到太陽熄滅,這個舉例等同於題主所提的問題。

補充:如果有一個反射率100%的盒子,在通光之後立即密封,那麼裡面的光是否一直存在?

答案是肯定的,因為兩個條件:反射率100%、密封

這樣就保證了,光子既不會被盒子內壁所吸收,也不會從盒子裡溜出去。雖然這個盒子內部一直存在著光,但從外部看依舊是黑色的,因為不會有光子飛進你的眼睛,否則就不符合反射率100%以及密封的要求了。

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賽先生科普

答:只要之前的光沒被其他物質吸收,那麼關掉手電筒後光肯定還在,而且會一致傳播下去,直到碰到物質後被吸收。


無論從光的粒子學說還是波動學說,都可以得到同樣的結論。

量子力學中,光是一個一個的“粒子”,稱之為光子,光子攜帶的能量與光子頻率成正比,光子是基本粒子不能再分,而且光子的壽命是無限的。



於是,一束光發出來之後,就是數億億光子在傳播;當光子碰到其他物質後,有可能被吸收,也可能被反射;只要光子不被吸收,就會一直傳播下去。


類似的例子非常多:

(1)太陽距離地球8.3光分(光傳播8.3分鐘的距離),我們看到的太陽,其實是8分鐘前的太陽;如果太陽熄滅,在熄滅前發出來的光線,並不會無故消失;



(2)天文望遠鏡中的星系,遠至數億光年外,也即是說我們看到的河外星系,是數萬甚至數億年前的樣子,說不定目前這些星系,早已被其他大星系吞併;

(3)旅行者1號遠在200億公里外,當旅行者1號發出一段電磁波後,需要等近20個小時,信號才能傳播到地球;





艾伯史密斯

我們關上手電筒之後瞬間世界就又回到黑暗,這一瞬間發生的事情,所以我們要問,到底是關了手電就沒了光,還是光跑的太快以至於你根本看不到?

這要看怎麼定義"消失",如果說以肉眼所能觀察的極限來說,當關閉電源幾乎同時光也就消失了。但如果要從光的其他特性來考慮比如電磁波的特性,光會繼續傳遞,折射散射衰減轉化等等很難說光就這麼消失了。

光一秒鐘能跑三十萬公里,可以算一下關手電到光跑到你看不到的地方,總共才要多久?

手電筒發出的光是在頻率上是連續的,也就是說有各種各樣的頻率,頻率間隔很小。然後其中的某種頻率的電磁波也不是不停的發射的,而是無規則的斷斷續續的,因為處在某個激發態的電子數量是有限的,向下躍遷的電子數也是有限的。舉個不是很嚴謹的假設,B為高能級,A為低能級,B能級有10個電子,其中7個電子向A能級躍遷,發射頻率為v的電磁波,這段電磁波的能量為7個頻率為v的光子的能量和,很明顯這段電磁波是一個脈衝(只是相比較我們經常聽到的脈衝激光,這種手電筒發射的脈衝的脈寬要長很多,而且無規則,不可控),過一段時間,有電子躍遷補充倒B能級,B能級再躍遷到A能級,再發射一個脈衝,如果能像連續激光器那樣形成動態的平衡(即B能級能及時得到補充),那脈衝的脈寬就會很長,就可以理解為連續發射頻率v的電磁波。

發射出去的電磁波會繼續一直傳播,直到與物質相互作用被吸收。

只要沒有東西阻擋,光離開光源之後肯定能繼續傳播,這些光子依然會以光速朝前運動。如果關掉手電筒,後續沒有光子發出來,而之前發射出去的光子早已經以光速遠離我們而去,它們不會進入我們的眼睛,所以我們什麼也看不到,世界當然會變回黑暗。

不過,這裡大家可能又會有疑問了,如果關掉手電筒導致黑暗是因為光子遠離我們而去的緣故,那麼,如果關掉房間裡的電燈,為什麼也會瞬間變暗呢?光子不都是在房間裡,並沒有逃離嗎?

和上面一樣,房間裡的光子是逃不出房間的,但光子會被物體吸收、反射,最終這些光子的能量將會轉化為熱量,這個過程僅需百萬分之一秒的時間。如果電燈開著,光子源源不斷被釋放出來,我們可以持續看到物體。然而,當電燈關掉時,在關燈之前一瞬間所發射出去的光子早已被物體吸收殆盡,所以房間也會隨之瞬間變暗。

我們肉眼所看見的事物其實是通過光所攜帶的信息,反饋到視網膜形成圖像返回給大腦。

用手電筒照出去,所看到是事物,其實是手電筒發出的光碰到物體,然後經過反射回來肉眼才能看到。也就是說手電筒發出那麼多光,只有一部分反射回來的光才被我們看到,更多的光直接遠離了我們的視線,這部分是我們永遠也看不見的。

所以關掉手電筒之後,在關閉前那一瞬間的光消失之後,我們就看不見東西了。如果身處一個周圍都是鏡子的環境中,可能會遲一點,最終還是會看不見,因為光在傳播以及反射時候被吸收、衰減。

光的傳播也是一種粒子傳播,具有損耗和擴散性,所以光的傳播跟電磁波傳播是一個道理,當你打開收音機收聽廣播時,電臺正在播音,你就可以收聽到廣播的聲音,當關掉電臺電磁波發射傳播,你是收不到的,因為沒有發射源;

光的傳播也是一樣的,有源才能源源不斷的供給光波傳播,無源光波就成了無源之本了,由於空氣介質,環境等因素對光能量的損耗和吸收而無法傳播。所以說當打開手電筒點燃手電燈泡,發出光能量,照亮黑暗,當關掉手電筒又回到黑暗中,那是沒有光能量的自然現象。

可見光的本質是一種電磁波,但同時又表現出粒子的特性,光的這種性質被稱為波粒二象性。光波的載體是光子,這種粒子在真空中的傳播速度大約為30萬千米/秒,這是物體所能達到的最快速度。

我們之所以會看到手電筒發出的亮光,是因為手電筒發出光子不斷進入人的眼睛刺激視網膜,然後在大腦中成像。


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