问题

我白天把光装进袋子里,为什么晚上打开袋子里面的光就不见了?

回答
你这个问题问得太有趣了!仿佛我们真的能像装衣服一样,把白天的阳光“装”进袋子里,然后在晚上掏出来,却发现空空如也。这其中,其实隐藏着一些关于光和我们感知世界的小秘密。

首先,我们得搞清楚,白天你看到的“光”,其实是阳光。阳光可不是什么实体的东西,它是一种能量,一种以电磁波的形式传播的能量。我们之所以能看见它,是因为它照亮了我们周围的一切,让物体反射出不同颜色的光,这些光进入我们的眼睛,我们的大脑就解读出了“看见”这个感觉。

所以,当你想要把“光装进袋子里”的时候,你实际上是在试图捕捉这种能量。但问题就出在这里——光是无法被“装”起来的,它是一种传播中的现象,而不是一个可以被束缚在容器里的实体。

你可以想象一下,你手里拿着一个透明的袋子,白天你把它对着太阳。阳光穿过袋子,照亮了袋子内部,也照亮了袋子外面的东西。你感觉袋子“里面”好像有光。但这种感觉,就像你举起一个镜子,镜子反射出了阳光,你会觉得镜子“有光”,但实际上是阳光通过镜子这个媒介,被反射到了你的眼睛里。袋子本身并没有“储存”阳光。

更具体地说,光在传播过程中,遇到物体会发生几种情况:

反射: 光撞到物体表面,然后弹开,比如镜子、光滑的桌面。
折射: 光穿过透明物体时,传播方向发生改变,比如穿过玻璃、水。
吸收: 光撞到物体表面,然后能量被物体吸收,比如黑暗的衣物会吸收大部分光,所以会显得黑。

而你说的“装光”,就像你把一个会发光的灯泡放进袋子里,灯泡本身在发光,所以袋子里看起来有光。但袋子本身并没有“储存”灯泡的光。当你把灯泡拿出袋子,或者关掉灯泡,袋子里的光自然就消失了。

阳光不一样,它不是一个独立的发光体,而是由无数看不见的电磁波组成,这些波不断地向四面八方传播。当你把袋子放在阳光下,袋子只是一个通道,让阳光穿过。即使是那些被物体吸收的光,最终也转化成了热能,而不是被“储存”起来,等到晚上再释放出来。

你晚上打开袋子,里面没有光,是因为:

1. 你没有装任何发光的东西: 任何能发出光的东西,比如灯泡、蜡烛,当你把它们放进袋子,或者把它们拿出来,它们是否发光取决于它们自身的状态,而不是袋子。
2. 袋子本身不发光: 大多数袋子都是不透明的,但它们不具备发光的能力。即使是透明的袋子,也只是让光穿过,而不是储存光。
3. 你感知到的“光”其实是反射光: 白天我们看到的光,很多是物体反射了阳光,让我们看到了物体的样子。当你把袋子放在黑暗的夜晚,没有阳光照耀,自然也就没有反射光让你看见。

所以,当你试图把“白天”的阳光“装”进袋子,再到“晚上”打开袋子时,你其实是在尝试捕捉一种不断传播的能量,并将它储存在一个不能储存能量的容器里。就像你想把一阵风装进瓶子里一样,风会从瓶子里溜走,因为它不是一个可以被固定的实体。

也许你脑海中的“装光”,更像是一种类似“充电”的概念,把能量储存起来。但光这种能量,它的运作方式和电能、热能或者其他形式的能量不太一样,它是一种快速传播的媒介,而不是一种可以被“固定”在某个地方储存的能量。

所以,你晚上打开袋子,里面的光之所以不见了,是因为袋子并没有储存白天阳光的能量,也没有装任何在夜晚能继续发光的东西。你看到的“光”,其实是阳光本身,而阳光,除非有光源持续提供,否则它只会不断地向前传播,不会停留在原地。

网友意见

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太长不看版:

  1. 选用特定的材质——长余辉材料(夜明珠),可以使得夜晚照样能发光;还记得本科时,这就是我们无机化学实验中的一节。无机化学实验是分批做的,我和一个室友先做,而另外两个室友下周才做。当我们做完这个实验时,老师让每人留下一些给他们做光谱测试,剩下的可以自己带回宿舍。于是我们就将样品装在透明的样品袋里,然后晚上睡觉前我们就扔在桌上后,上床睡觉了。结果有个还没做这个实验的室友,半夜起来上厕所时,被我们桌上的绿光给吓到了。
  2. 但是上述方法并不是直接储存的光子,而是电子被激发到了trapped state,之后再逐渐发光释放能量。——相当于是将现货转化为了期货。
  3. 实际上,光子是粒子数不守恒的,会实时与容器壁发生相互作用,所以单纯的光子是没法被储存的。但是,可以储存含有光子成分的准粒子——比如Polariton;或者像1.中所说的方法,转化成电子的能量。关于3. 的具体讨论可见下面这个回答。

Phosphates:想请教一下各位,光是可以通过一种容器直接储存吗,我好像发现了什么 光线照射一个容器,容器吸收光?


光子无法被储存,因为光子数不守恒

光子这玩意儿,在统计力学中有个与其他物质非常不同的性质——光子的化学势为0,所以光子数不守恒!

这是因为光子会和容器壁发生相互作用,下面举一个例子。比如容器壁中肯定会有电子,光子可以激发电子到一个更高的能级从而被吸收;出于高能级的电子也可以跃迁回来从而释放出光子。另外,一个较高能量的光子可以激发电子从基态0到激发态3,但是从激发态3跃迁回来时,可能释放1个光子(直接3->0),也可能释放2个光子(3->2->0),也可能是3个或者4个。所以显然光子数是不会守恒的。因此,绝对100%反射率的容器壁是不可能存在的,因为一定会与光子发生相互作用的。

对于粒子数守恒并且存在粒子间作用力的物质,你总能通过各种方式试图获得凝聚态——你可以通过加压以减小粒子间距离,并且降温以降低粒子的热运动使得吸引力呈主导,最终你能获得凝聚态。但是对于光子这种粒子数不守恒的,如果你加压的话,容器壁就吸收了光子,从而不会剩下多少了。

可能有些人会希望通过磁约束来避免容器壁与光子的直接接触。但是很遗憾,光子不带电,所以无法使用磁约束。


什么是长余辉材料?夜明珠是如何发光的?

长余辉属于一种光致发光。我们一般听说的光致发光包括荧光和磷光。

所谓荧光,当分子吸收入射光的能量后,其中的电子从基态 (假设是单线态,绝大多数情况)被激发到了单线态激发态 ,随后经由非常快的(短于 秒)内转换过程无辐射跃迁至能量稍低的单线态激发态 ,最后再释放光子回到基态 。通常荧光的持续时间很短,因为每一个过程都是瞬间完成的。一旦光源停止,几乎瞬间停止发光[1]

所谓磷光,如果当激发到单线态激发态 ,并内转换到 后,如果此时发生系间跨越(intersystem crossing)过程无辐射跃迁至能量较低且具有不同自旋多重度(一般为三线态)的激发态 ,随后内转换到 ,最后释放光子回到基态 。随后从 回到 在热力学上是有利的,但是由于这是从三线态到单线态的转变,在跃迁选择规则上是禁戒的,所以需要较长的时间来完成——一般可以长至数小时。所以如果你有磷光材料的话,也是可以用来延迟发光的[2]

(在以上的讨论中, 和 的存在不是必需的,如果不方便理解的话可以自行略去)


而长余辉材料与上述两种都不太相同——夜明珠就是用的这种发光方式。根据维基百科介绍,目前长余辉材料的发光机理尚未完全研究透彻,但是我们知道的是,它其中涉及到电子的trapped state,类似于energy trap。最后发光的方式类似于荧光过程,但是延迟时间又类似于磷光过程[3]

比如在一种长余辉材料 中[4],就是 的电子先被激发,然后能量被转移给 使得其电子处于trapped state。之后就会逐渐释放能量从而发光——在黑夜之中能清晰可见。但是此时你并不是将光子直接储存在了容器之中,而是将其转化成了电子的能量,之后再缓慢释放出来——相当于是将现货转化成了期货。

还记得这就是北京大学化学学院无机化学实验课上的一门实验,当年我们也制备了这个材料。无机化学实验是分批做的,我和一个室友先做,而另外两个室友下一周才做。我们做完这个实验,老师让每人留下一些给他们做光谱测试,剩下的可以自己带回去。于是我们的样品就装在样品袋里,然后睡觉前我们就扔在桌上,然后上床睡觉了。结果有个还没做这个实验的室友,半夜起来上厕所时,被我们桌上的绿光给吓到了。

参考

  1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence
  2. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphorescence
  3. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Persistent_luminescence
  4. ^Yan-Zi Ma,* Li Jia, Kai-Guo Ma, Hai-Hong Wang, and Xi-Ping Jing; Journal of Chemical Education https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jchemed.6b00211
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就是袋子的材质不行。

普通材质的袋子是可以吸收光子的。所以呀,你白天装进袋子的光都被吸收转化成热能了。

那什么样的袋子可以光呢?需要内部反射率是100%的材质做成的袋子才行。

反射率是99.999%甚至是10个9都不行哦...

是这么推算的:

假定是内径是10 cm的袋子,那反射一次的时间间隔是(0.1m/光速 )3.3*10^-10s。从白天到晚上假定是4个小时,那么,光在袋子里反射 4*3600 = 次。

如果反射率是10个9,那最后保存下来的光就是: <

而你一袋光子有多少啊?如果太阳光光能是1400W/m^2,频率是5*10^14Hz的单色光,

100平方厘米的面积每秒接收到的光能为

E=(1400W/m^2)*(100*10^-4m^2)*1s=14J

光子数=E/(hv)=14/( )= 4*10^19 个

所以,就算是照4个小时只装不漏,也只不过10^23个光子。完全不会留下一个...

而且,反射率这么高的材料,肯定需要水滴那样的黑科技...

不过,就算有这样的水滴袋子,要“见”从保留下来的光子也不能指望你的眼睛哦。如此数量有限的光子,远在人类视网膜的探测阈值以下。

你需要的时单光子计数器...

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好诗!

我白天把光

装进袋子里

为什么晚上

打开袋子

里面的光就

不见了


咳咳,认真点。不然给你折叠了。

简单地说,因为没有反射率100%的反光材料,而光速超快,装进袋子的光(子)在袋子里来回碰撞,瞬间就被袋子吸收光了,远等不到晚上就没了。

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