Куда исчезают фотоны, когда вы выключаете свет в комнате
12 минут
Редакция
21

Куда исчезают фотоны, когда вы выключаете свет в комнате

4.6

Наблюдая за звездами в небе, мы видим свет, зачастую излученный ими тысячи лет назад. Но что происходит со светом, который излучает обычная лампочка? Что с ним случается в момент, когда мы щелкаем выключателем? Попробуем разобраться.

close-up-clear-light-bulb-turned-off_4judu0wvg_f00041
©Wikipedia

Свет проходит практически бесконечные расстояния через огромное, зачастую пустое межзвездное и межгалактическое пространство, ни с чем не сталкиваясь. 

Космос, в свою очередь, — уникальный случай: в промежутках между массивными объектами свет путешествует практически через абсолютный вакуум. Факт движения света в такой вакуумной среде означает, что возможность его столкновения с чем-либо крайне мала. Именно поэтому ему просто преодолевать невероятные расстояния, ведь ничего не преграждает путь.

Итак, что же случится, если что-то помешает свету? У него есть два варианта — отражение или поглощение. Мы неплохо знакомы с первым, так как видим отражение в зеркале именно благодаря физике этого явления. Это происходит каждый раз, когда свет сталкивается с гладкой поверхностью, с его точки зрения. То, насколько гладкой должна быть для этого поверхность, зависит от длины волны света. Так, оптическому свету нужна более гладкая поверхность для чистого отражения, чем радиоволнам, чьи волны гораздо длиннее.

Снимок Hubble Ultra Deep Field (HUDF), на котором изображено около 10 тысяч галактик. Свет от самых маленьких, самых красных галактик на снимке (около 100 объектов) летел через космос почти 13 миллиардов лет / © NASA/ESA/Hubble Space Telescope

Второй вариант — поглощение. Благодаря этому процессу камни нагреваются на Солнце. Они постепенно впитывают солнечный свет, энергия которого нагревает их поверхность. Любой свет может быть поглощен, а не только его инфракрасная (тепловая) часть. Плохое зеркало может впитать достаточно света, чтобы ваше отражение выглядело как едва различимый образ. Тепло от электрической лампочки сегодня почувствовать сложнее, так как их производят таким образом, чтобы энергия была максимально использована для освещения, которое помогает нам видеть в темноте.

Итак, когда лампочка зажжена, она выделяет фотоны, которые разлетаются во все стороны по комнате и сталкиваются с каждым объектом в ней. Эти объекты поглощают большую часть врезающихся фотонов, но также отражают некоторые из них, что, по сути, позволяет нам видеть вещи в комнате. Когда лампочка выключена, новые фотоны больше не излучаются, а те, что еще находятся внутри комнаты, отражаются от объектов бесчисленное количество раз, пока не будут поглощены полностью. Но подробнее об этом — ниже.

Если на уроках физики в школе вы были достаточно внимательны, когда учитель объяснял основы оптики (или если вы увлекаетесь физикой элементарных частиц), то, скорее всего, знаете, что свет состоит из миллионов мельчайших частиц, известных как фотоны. Эти фундаментальные частицы переносят все виды электромагнитного излучения, включая радиоволны, ультрафиолетовые волны, микроволны и, конечно, видимый свет.  

Когда вы заходите в комнату и включаете лампу, она тут же заполняется светом. А если точнее, то комната наполняется триллионами фотонов, которые помогают нам видеть все, что находится в ней. Но куда девается свет, когда вы выключаете лампу? Что происходит с миллиардами фотонов в комнате? Они куда-то исчезают или просто перестают существовать? 

Прежде чем ответить на эти вопросы, освежим в памяти основные концепции.

Фотоны: элементарные частицы, переносящие свет

Возможно, вы уже в курсе, что видимый свет — это вид электромагнитного излучения и небольшая часть электромагнитного спектра, в который входят радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, гамма-излучение и так далее. 

Электромагнитный спектр / © Designua

Фотон — самая фундаментальная частица любого типа электромагнитного излучения, будь то радиоволны, переносящие сигналы Wi-Fi, микроволны, разогревающие еду в микроволновой печи, или же видимый свет, который помогает нам видеть окружающий мир. С массой покоя, равной нулю, фотон движется на скорости почти 300 тысяч километров в секунду в вакууме (это, в свою очередь, и есть скорость света). 

Как фотоны освещают вещи

Источник света — например лампа, — находящийся в комнате, испускает миллионы фотонов, разлетающихся во всех направлениях, когда его включают. Так как лампа находится в комнате (то есть в закрытом пространстве), испускаемые ею фотоны сталкиваются со всем, что находится у них на пути, тем самым освещая все в комнате.

Примерно так пучок фотонов освещает небольшое закрытое пространство:

Пучок фотонов, пересекающий пластиковую бутылку. Скорость съемки замедлена в 10 миллиардов раз / © Ramesh Raskar/TED/GIPHY

Куда пропадают фотоны, когда источник света выключается

Пока лампа светит, комната получает постоянный поток фотонов. Из всего бесчисленного количества фотонов, врезающихся в находящийся в комнате объект (например, стол), некоторые будут поглощены, а другие отразятся и потеряют часть энергии в процессе. Эти отраженные фотоны столкнутся еще с чем-то в комнате и потеряют еще сколько-то энергии. По сути, фотон будет продолжать отскакивать от объектов до тех пор, пока какой-то из них его не поглотит.

Таким образом, комната остается освещенной столько, сколько работает лампа. Однако, как только вы ее выключите, все очень быстро изменится. 

Фотоны, испущенные до выключения лампы, продолжат отскакивать от объектов до тех пор, пока находящиеся в комнате предметы их полностью не поглотят. И это успевает произойти всего за долю миллисекунды.

Если бы лампа продолжала светить, быстрое поглощение этих фотонов ничего бы не изменило, так как она бы постоянно испускала новые порции фотонов в комнату. Но, как мы уже выяснили, когда лампа выключается и новые фотоны больше не испускаются, объекты в комнате поглощают испущенные ранее фотоны. Их энергия используется для нагревания поглотивших их объектов, так как, согласно первому закону термодинамики, энергия не может быть создана или уничтожена, она лишь переходит из одного процесса в другой.

Все это — испускание фотонов лампой, их отражение и поглощение другими объектами — происходит примерно за одну миллионную секунды. Это необычайно быстро, чтобы человек мог воспринять или хотя бы составить об этом явлении сколь-нибудь удобоваримое представление. Именно поэтому комната погружается во тьму, когда выключается свет.  

Возвращаясь к тому, о чем мы говорили в начале статьи, заметим, что в открытом космосе ситуация была бы несколько иной. В отличие от выключения света в комнате на Земле, фотоны, испущенные в открытом космосе, долго продолжали бы свое движение через бесконечный вакуум, прежде чем столкнуться с чем-либо.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 12:36
4 минуты
Сергей Васильев

Новые наблюдения уточнили минимальную массу звезд, в недрах которых может проходить синтез ядер углерода.

Вчера, 18:17
4 минуты
Мария Кривоченко

Несмотря на ослабление ограничительных мер, риск заболеть Covid-19 все еще велик, считают российские вирусологи. Они составили список мест, где появляться сейчас особенно опасно.

4 часа назад
39 минут
Александр Березин

На протяжении многих лет ученые пытались найти загадочные частицы темной материи – вимпы. Последние исследования показывают, что они вряд ли существуют. Однако неожиданные открытия 2016-2020 годов указывают: темная материя вполне может обойтись и без единой новой частицы. Только вот природа ее совсем не такая, как ожидалось. Более того: если все так, то наша Вселенная – циклическая. Такая Вселенная-феникс могла уже не раз пройти через сменяющие друг друга циклы расширения и сжатия. Попробуем разобраться, в чем тут дело.

6 июля
5 минут
Мария Азарова

Ученые, работающие с крупнейшим в мире радиотелескопом, сообщили об обнаружении эмиссии нейтрального водорода, исходящей от объектов за пределами нашей Галактики.

5 июля
26 минут
Илья Ведмеденко

Новый БПЛА С-70 «Охотник» может стать главным российским проектом в сфере боевой авиации. Но сначала ему нужно подтвердить свою пользу.

Позавчера, 09:25
3 минуты
Сергей Васильев

Моделирование показало, что планеты класса мини-нептунов могут быть покрыты океаном воды в состоянии сверхкритического флюида — промежуточном между обычной жидкостью и газом.

6 июля
5 минут
Мария Азарова

Ученые, работающие с крупнейшим в мире радиотелескопом, сообщили об обнаружении эмиссии нейтрального водорода, исходящей от объектов за пределами нашей Галактики.

1 июля
5 минут
Мария Кривоченко

Один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

27 июня
8 минут
Sergei Sobol

Уроки астрономии вернулись в российские школы в 2018 году. За то время, пока эта наука была необязательным предметом, в ней произошло много событий, не все из которых нашли отражение в учебниках. Кроме того, в них и раньше не были упомянуты многие интересные факты.

[miniorange_social_login]

Комментарии

21 Комментариев

Денис Александрович
07.05.2020
-
1
+
Ну как? Перепись пациентов состоялась? ))))
Alex Philippov
27.12.2018
-
-1
+
Что за бредовый GIF, где на бутылку светят фонариком, медленно передвигая его? Написали бы хоть уж, что так МОГЛО БЫ выглядеть замедленное движение... Ресурс окончательно оскотинился и пожелтел! Пойду искать более серьёзные новости науки.
Roman Dry
22.12.2018
-
0
+
Как появляется свет? Положительный или отрицательный квант отвечает возбуждению суперструн парного кванта, который реагирует на преобразование течения гравитационной составляющей тёмной энергии через через орбитальную систему электрона. В результате, фотон склоняется к корпускулярному состоянию. Как исчезает свет? Сцепленные кванты, преобразующиеся в реагирующих электронах, отвечают сцепленным квантам свободных электронов. В результате, тёмная энергия перестаёт преобразовываться, и фотоны склоняются к состоянию волны. Кто-нибудь чего-нибудь понял? Я - ни фига!
Vitya1242
20.12.2018
-
-1
+
Ох как одобряю подобные статьи - они весьма и весьма полезны для фунциклирования мозгов штоб не высыхали. Сам, давеча, начал писать "Трактатъ о пользе и чередовании регулярных упражнений физического и умственного толка для работников счетоводческих контор". Мой ответ на вопрос, поставленный в заголовке будет таков: Раньше энти хфотоны возвращалися к Чубайсу - он был у них тогда как бы за главного. После него, не знаю кто сщас. Там у их есть специальные траншформаторы для хфотонов и приставленный счетовод кажну смену считат расход-приход, принял-сдал - протокол-все как положено. Заканчиваю и откланиваюсь, время-золото надоть продолжать Трактатъ...;-D
Денис Котляров
18.12.2018
-
0
+
Термин: Корпускулярно-волновой ДУАЛИЗМ. Второй закон логики: Два противоположных высказывания не могут быть оба истинными в одно и то же время, в одном и том же отношении. Логика - наука о правильном, разумном мышлении. Вывод: Не все то, что нам выдают как научные знания является таковым. А пока с этим наука не разобралась, разумно рассуждать о том куда девается фотон и откуда берется не более чем изложение своих гипотез да постулатов на публичное обозрение. Все равно что намочив пальцы спорить меж собой о скорости ветра :)
    ulogin_facebook_1655672568091182
    04.01.2019
    -
    0
    +
    В современном представлении - фотон ни волна, ни частица, а нечто третье имеющее часть свойств и того, и другого. Так что, тут нет никакого логического противоречия

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: