Как «расходуются» фотоны?

У меня очень мало опыта в физике, поэтому я извиняюсь, если этот вопрос болезненно наивен.

Рассмотрим следующий мысленный эксперимент: наблюдатель находится в закрытой комнате, стены, пол и потолок которой полностью сделаны из зеркал, с единственным источником света в центре комнаты. Когда свет включен, наблюдатель может повсюду видеть множество копий своего отражения.

Внезапно источник света выключается. Интуитивно я ожидал бы, что наблюдатель «мгновенно» увидит темноту. Тем не менее, я не могу понять, почему это так при интерпретации света «частицами». Очевидно, в комнате уже было много фотонов. Кроме того, мы знаем, что они не «поглощаются», когда ударяются о стену, потому что иначе наблюдатель не увидел бы так много своих отражений. По сути, когда свет гаснет, что происходит с фотонами, уже находящимися в комнате?

Я подозреваю, что ответ звучит примерно так: фотоны в комнате теряют немного энергии каждый раз, когда отражаются от зеркала, но она настолько ничтожна, что мы все равно можем видеть больше отражений, чем может разрешить наш глаз. Однако, когда свет гаснет, им требуется очень небольшая доля секунды, чтобы отскочить по комнате достаточно раз, чтобы полностью рассеяться, что наш глаз не может обнаружить.

Это примерно так? Если бы у нас был теоретический «идеальный отражатель», оставался бы свет в комнате навсегда? Если бы у нас были инструменты, которые могли бы очень точно измерять такие вещи, потребовалось бы (немного) больше времени, чтобы погас свет в комнате, сделанной из зеркал, в отличие от комнаты, сделанной, скажем, из черной ткани?

это интересный мысленный эксперимент...

Ответы (1)

При отражении от зеркала фотоны не теряют «ни капельки» энергии. Либо они отражаются в неизменном виде, либо полностью поглощаются. Хорошее зеркало будет отражать большую часть фотонов, но также и поглощать небольшую их часть. 0,1 % из них.

То есть: ваши фотоны не теряют энергию со временем; что происходит, так это то, что со временем комната теряет фотоны: каждый раз, когда фотон попадает в стену, существует некоторая вероятность п что он будет поглощен («потреблен»). Шанс, что он не будет съеден после Н хиты ( 1 − п ) Н . Поскольку фотоны очень быстрые, они очень часто отскакивают от стен за короткий промежуток времени, поэтому Н становится действительно большим очень быстро, а затем ( 1 − п ) Н становится действительно маленьким довольно быстро, так что через короткий промежуток времени все фотоны были поглощены с очень высокой вероятностью.

Важное свойство фотонов, которое может быть не совсем интуитивным, если исходить из «волнового» фона: энергия отдельного фотона полностью определяется частотой света. Синие фотоны имеют более высокую энергию, чем красные фотоны. Интенсивность света определяется не энергией ваших фотонов, а их количеством.

Если бы фотоны теряли энергию каждый раз, когда отражались от зеркала, то отражения постепенно меняли бы свой цвет, так что в конце концов синий свет становился красным, затем инфракрасным и т. д. Этого не происходит: зеркала не меняют цвет отражения. легкий. Они лишь поглощают часть фотонов, т.е. уменьшают интенсивность .

С совершенными зеркалами вы действительно можете ожидать, что никогда не потеряете ни одного фотона. Но поскольку любой, кто смотрит на фотоны, также поглощает их, в комнате все равно становится темно. Если только там никого нет.

Чтобы быть слишком педантичным: если вы не будете поддерживать нулевую температуру стен, у вас всегда будет несколько фотонов в комнате в виде излучения черного тела. При «нормальных» температурах эти фотоны в основном находятся в инфракрасном диапазоне, но если сильно нагреть, стены начнут светиться.

«Отражаясь от зеркала, фотоны не теряют ни капли энергии». Я всегда предполагал, что у вас будет некоторое красное смещение из-за передачи импульса зеркалу?
Это очень содержательный ответ, который заставил меня о многом задуматься. Спасибо за доступность :)
@TheSheepMan: я не знаю. Фотон может передавать импульс без потери энергии (т. е. без красного смещения), просто меняя направление. Но это был бы интересный вопрос, если бы вы могли придумать причину, по которой может произойти такое красное смещение.
@David: конечно, просто глядя на фотон, нет причин ожидать красного смещения. Но передача импульса зеркалу должна также изменить кинетическую энергию зеркала, а сохранение энергии означает, что энергия фотонов (и, следовательно, импульс) должна измениться. В состоянии равновесия зеркало, конечно, вибрирует, поэтому передача энергии может быть любого знака.
«В равновесии зеркало, конечно, вибрирует, поэтому передача энергии может быть любого знака». - Так можно ли ожидать распределения вероятностей частоты отдельных фотонов, рикошетящих от стенок клетки? Какой-то гауссиан достиг максимума при начальной энергии?
@wnoise: передача импульса может быть компенсирована столкновением фотонов на другой стороне коробки, так что нет чистого изменения энергии. Но интересно подумать, в какой степени это происходит на самом деле. Если кто-то хочет обсудить это дальше, я думаю, было бы неплохо перейти в чат .
Разве не в этом заключается идея рамановской спектроскопии: фонон, ударяющийся о зеркало, может создать или разрушить фонон, а затем сохранение энергии приводит к красному/синему смещению?
«Энергия отдельного фотона полностью определяется частотой света. Синие фотоны имеют более высокую энергию, чем красные фотоны». Последнее предложение является лишь приблизительным. Отдельный фотон не имеет уникальной частоты или длины волны, следовательно, у него нет уникального цвета. Такие величины, как длина волны, четко определены только для электромагнитных волн (предел такого количества фотонов). Фотоны имеют частотное распределение.
@David Не могут ли фотоны изменить свою энергию, рассеиваясь от зеркал, как при комптоновском рассеянии?
@Revo: нет, если это идеальный отражатель. Кроме того, относительно: 2 комментария выше, «синие фотоны имеют более высокую энергию, чем красные фотоны» строго верно, потому что синяя часть спектра полностью расположена на более высоких частотах, чем красная часть.
@Revo Фотон определяется как элементарное возбуждение электромагнитного поля и поэтому имеет одну определенную энергию.
@ Дэвид Правильно, меня неправильно поняли. Я имел в виду только то, что нельзя приписать фотонам уникальную длину волны, если только мы не находимся в классическом пределе.
@Lagerbaer Если фотон имеет определенную энергию, имеет ли он определенную длину волны?
@ Рево Да. Что также имеет смысл, если вы думаете о граничных условиях в электромагнитном резонаторе.
@Lagerbaer Если фотон имеет определенную длину волны, значит, я что-то здесь упускаю. Потому что невозможно определить уникальную длину волны для одного фотона, потому что длина волны является свойством электромагнитных волн. Вы можете определить длину волны для фотонов только оперативно, а именно, имея их группу и начертив распределение (Ссылка: MIT серия QM, Френч и Тейлор, стр. 254, раздел 6.8 под названием «Статистические и классические свойства света»). Если распределение достигает пика вокруг некоторого числа, то это число можно назвать длиной волны фотонов.
Эффект Мессбауэра точно показывает, что поглощенные и испущенные фотоны действительно отдают некоторую энергию отдаче отдельных атомов (и гораздо меньше отдаче макроскопических структур). Проблема, вероятно, должна быть проанализирована таким образом. Но опять же, я думаю, что рефлексия в этом смысле, как правило, является коллективным (т.е. связным) поведением.
Как «расходуются» фотоны?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v