Куда исчезают фотоны, когда вы выключаете свет в комнате — Naked Science
12 минут
Редакция
24

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.
11 часов назад
11 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали, что РНК коронавируса SARS-CoV-2 проходит через обратную транскрипцию, встраивается в геном инфицированной клетки и экспрессируется в виде «химерных» транскриптов, сливающихся с вирусными с клеточными последовательностями.

10 часов назад
4 минуты
Сергей Васильев

Анализ сотен записей зевков у разных видов млекопитающих и птиц показал, что оно длится тем дольше, чем крупнее мозг животного и чем больше в нем нейронов.

4 часа назад
29 минут
Илья Ведмеденко

Как это часто бывало в прошлые годы, то, что совсем недавно казалось фантастикой, стало частью обыденной жизни. Речь идет о многоразовых ракетах, которые успели громко заявить о себе в мире. Сможет ли Россия ответить компании SpaceX или Blue Origin?

8 мая
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

11 часов назад
11 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали, что РНК коронавируса SARS-CoV-2 проходит через обратную транскрипцию, встраивается в геном инфицированной клетки и экспрессируется в виде «химерных» транскриптов, сливающихся с вирусными с клеточными последовательностями.

8 мая
13 минут
Александр Речкин

В учебниках истории XX века, на сотнях плакатах и в десятках кинофильмах о Второй мировой войне мы видели знаменитые танки, «катюши» и бороздящие небеса Ил-2. Давайте проверим, сможете ли вы отличить советскую военную технику от машин союзников и стран «оси».

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[miniorange_social_login]

Комментарии

24 Комментариев

03.08.2020
-
1
+
Ну как возникают фотоны на солнце, в лампочке, в светодиоде я понимаю. Но как фотоны возникают в антенне WI-FI ума не приложу, как могут возникнуть фотоны в медной проволоке и почему они не видимы глазу?
    03.08.2020
    -
    1
    +
    Ну хотя бы потому что глаз воспринимает совсем небольшой участок электромагнитного спектра. Вам даже картинку там нарисовали. Кстати то что вы перечислили лампочку солнце и светодиод в одной куче говорит, что все-таки не понимаете. Механизм излучения света диодом принципиально иной.
    03.08.2020
    -
    1
    +
    Радиоволны и свет лампочки это то же самое электромагнитное излучение только с разной длиной волны. Для получения волн длиной в десятки и сотни метров (радио) достаточно колебаний зарядов в медной проволочке. Для волн в миллиард раз короче требуются другие методы - нагревание до высокой температуры, электрический разряд в плазме или воздействие тока на p-n-переход.
Ну как? Перепись пациентов состоялась? ))))
27.12.2018
-
0
+
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.
22.12.2018
-
1
+
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!
20.12.2018
-
0
+
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
-
1
+
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 :)
    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
-
1
+
Красивое фото Вселенной в начале статьи. А эти статьи про фотоны.....скучно.
1
2

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: