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理想条件下,能否从两面对立的足够大的镜子里看到无尽的过去? 第1页

  

user avatar   gua-niu-97 网友的相关建议: 
      

谢邀。

扫了一眼答案,似乎大家都认定站在两面平行镜子之间,真的能看到无数个自己的像?

Naive啊,不少电梯间侧壁都是镜面,大家没有实践过吗?

即便不考虑任何能量的问题,你站在绝对平行的两面镜子之间,相当于你面前站了笔直一排的你,你也只能看到第一个而已。你的多次反射的像都被你的第一个像挡住了呀,根本看不到的好不好……所以你的观察点和被观察物体不能重叠在一起,就像这样:

澄清了这一点之后我们就会发现,要想看到物体越多的像,我们需要离物体越远。简单示意图如下:

假设两面镜子间距为D,有一个长度为L的物体放置在两面镜子之间,为了简化问题,假设这个物体没有厚度。那么第N个像与实际物体之间的等效距离为N*D,这种情况下我们要看到物体第N个完整的像而不被遮挡,需要把眼睛横向离物体中心移开δ的距离,由几何关系中相似三角形可以得到:

δ=NL-L/2,当N很大的时候,可以认为δ=N*L;可以看出,N越大,δ越大,这与我们的生活经验是相符合的。

这样第N个像到我们眼睛的实际距离为:P=((N*D)^2+δ^2)^(1/2)。

人眼的角分辨率是有限的,如下图所示:

当两点距离太近,由于衍射效应的存在,在视网膜成像点将不可区分。极限夹角就是人眼的角分辨率,一般认为这个值是1′左右,即(1/60)°,以弧度计算约为0.291mrad。

由于是相似三角形的关系,因此无论是第几个像,在人眼观察方向上投影长度都是相同的,即为:Q=L*cos(arctan(L/D))。

所以第N个像对人眼的张角为α=Q/P,取极限分辨率α=0.291mrad,由以上公式可以计算出L、D和能观察到最远距离N*D的关系如下图所示:

可以看出,随着镜子间距的增大和物体尺寸的增大,能观察到的最远的距离增加。比如取镜子间距D=10m,物体宽L=10m情况,能够观察到的最远N*D约为16km。

考虑到光速为3*10^8m/s,把上图换算为光走的时间,即为:

也就是说在物体为10m宽,镜子间距也为10m的情况下,你大约能看到10(-5)s之前的物体。

要想看到昨天的这个物体,需要什么条件呢?一天是24小时,换算成秒即为:86400秒。

让我们把计算范围扩大,镜间距D放大到4*10^10m,考虑到能够方便地把物体运进来,就把物体宽度L放大到2*10^10m吧(其实放大到多少都行,我随便选的数……):

图中箭头指的那条黑线就是86400秒的位置。可以看出,要想看到昨天的物体,大约需要10^10m量级宽的物体,差不多相同数量级的镜间距……这个数量级是什么意思呢?相比之下,太阳的直径仅为1.392*10^9m。

再次重申,以上推导不涉及任何能量问题,仅为几何关系的简单估算。


user avatar   phosphates-30 网友的相关建议: 
      

@看风景的蜗牛君 的回答从几何方面来论证了不太可能看到昨天的影像。我下面就从能量的角度来进行论证,说明从能量的角度来看也是不太可能的。

当光垂直照射到物质上时,几乎不可能是百分百反射的。因为光会不可避免地与物质发生相互作用。比如物质中的电子会被光激发到较高的能级,随后可能以热辐射的形式回到基态,从而导致损失等等。

金属镜子的反射率可以用 Hagen–Rubens 关系来大致描述[1]:(没有本征吸收的情况下)

其中 是反射率, 是入射光圆频率, 是入射光频率, 是真空电容率为 , 是金属的电导率

已知导电率最好的金属是银[2]

那么我们可以计算出780 nm时(可见光范围内频率最小,为 )银的理想反射率大约为 95%

实际的银镜反射率比计算值略好,可以达到99%。比如下图是来自于Thorlabs的数据。

而一些特殊的dielectric mirror,其反射率甚至最高可以达到99.999%![3]下面我将会论述,哪怕反射率突破目前的极限达到了6个9,也会因为能量损失而无法提供能看到昨天的能量的。

假如两个镜子之间的距离是10米(距离增加将会不利于几何关系,距离减小将会不利于能量关系,在此取10米)

那么24小时前的光已经反射了 次

假设反射率高达99.9999%,那么经过 次反射后,剩下的能量为…… 额,谷歌计算器精度不够算不出来。。。(可以有人教我这里如何估算么?我只知道因此次数过高,没法简单用泰勒展开计算。)

实际上,当仅经过了 次反射后,也就是8.6秒后,能量就降低到只有最初的 了。这是什么概念呢?全宇宙的总能量约为 [4],全转化为780 nm的光子( ),就是 个光子。哪怕全宇宙的能量都照射过去,哪怕反射率已经达到了惊人的6个9,经过不到8秒后就甚至连一个光子都不剩了,更别提昨日重现了。

那么假设对于一般的99%的银镜,经过100次反射( )后,能量就衰减至只有37%了;经过 后就只剩下0.004%了。由此可见,企图使用镜子实现昨日重现,从能量的角度看,是完全不现实的了。这也是为何无法使用两个平行的镜子来储存光。

参考

  1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Hagen%E2%80%93Rubens_relation
  2. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity
  3. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Perfect_mirror
  4. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B0%E9%87%8F%E7%BA%A7_(%E8%83%BD%E9%87%8F)#%E5%A4%A7%E4%BA%8E1027



  

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