Ich habe das Licht tagsüber in eine Tasche gesteckt und warum ist es verschwunden, als ich sie nachts geöffnet habe? Wo ist es hin?

Dies ist eine Frage des gesunden Menschenverstands, die in der Vergangenheit bereits diskutiert wurde, von vielen Menschen jedoch immer noch nicht verstanden wird. Tatsächlich wissen viele Menschen, dass Licht, egal welcher Behälter verwendet wird, nicht eingeschlossen werden kann. Doch der Kern dieser Frage ist: Warum kann Licht nicht eingedämmt werden?

Theoretisch kann Licht wie Wasser gespeichert werden.

Wenn der Wasserbehälter auslaufsicher gemacht werden kann, kann das Wasser für immer aufbewahrt werden. Es ist, als hätte jemand den Wein im Keller versteckt. Nach 50 Jahren ist die Flasche Wein immer noch da und wird immer milder.

Wein besteht jedoch nicht ausschließlich aus Wasser, sondern aus einer Mischung aus Wasser und Ethanol. Ethanol verdunstet und sublimiert viel schneller als Wasser, daher muss der Behälter dichter verschlossen sein. Doch selbst die verschlossensten Gläser verlieren nach längerer Lagerung etwas Alkohol.

Theoretisch könnte Licht in einem solchen Behälter dauerhaft gespeichert werden, sofern dieser keine Photonen austreten lässt. Licht ist jedoch nicht wie Wasser oder Alkohol. Es ist klein, leicht und entkommt schnell. Es ist nicht so einfach, einen Behälter zu finden, der Licht aufnehmen kann, wie einen Behälter, der Wasser aufnehmen kann.

Gibt es also in unserer Welt einen Behälter, der Licht halten kann, ohne dass Licht austritt? Wir werden es herausfinden, wenn wir geduldig zusehen.

Grundlegende Eigenschaften des Lichts

Licht ist das Medium, durch das unsere Augen alles in unserem täglichen Leben sehen können, und es ist auch ein Begriff in der Physik. Ohne Licht wären unsere Augen nutzlos und wir wären blind. Die Essenz des Lichts ist ein Fluss von Photonen in einem bestimmten Frequenzband. Der Grund, warum eine Lichtquelle Licht aussendet, besteht darin, dass ihre Elektronen zusätzliche Energie gewinnen und Energie in Form von Wellen freisetzen.

Licht besitzt die duale Natur von Welle und Teilchen, das heißt, es ist ein Teilchen, also ein Lichtquant, und bewegt sich im statistischen Sinne wellenförmig, das heißt, die Bewegung einer großen Zahl von Photonen stellt einen Wellenzustand dar. Licht hat keine Ruhemasse, seine Ruhemasse ist Null, aber es hat Energie, Impuls und dynamische Masse. Gemäß Einsteins Masse-Energie-Gleichung kann die kinetische Masse eines Photons berechnet werden.

Mit der Masse-Energie-Gleichung kann die kinetische Masse eines Photons abgeleitet werden: E=mc^2=hv; daher ist die kinetische Masse eines Photons m=(hv)/c^2. Dabei ist m die Obergrenze der Photonenmasse, h steht für die Planck-Konstante (h≈6,626*10^-34J·s oder 4,136*10^-15 eV·s), v steht für die Frequenz einer beliebigen elektromagnetischen Welle und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Das heißt: Je höher die Frequenz eines Photons, desto größer ist seine Masse.

Sobald ein Photon geboren ist, bleibt es nicht stehen, sondern bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde (der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum). es gibt keine eindeutige Aussage über das Volumen eines Photons, aber es kann als das kleinste der bekannten Welt angesehen werden, größer als die Planck-Skala (1,6*10^-35m); Photonen sind das Medium der elektromagnetischen Wechselwirkungskraft zwischen den vier Grundkräften, was bedeutet, dass die Ausbreitung der elektromagnetischen Kraft auf Photonen angewiesen ist.

Photonen können mit jeder Substanz interagieren, auf die elektromagnetische Kräfte einwirken. Durch Absorption, Reflexion, Brechung und Beugung nach der Interaktion mit verschiedenen Substanzen sind wir in der Lage, verschiedene Objekte und die Farben dieser Objekte zu entdecken. Das Einzige, was derzeit keine Wirkung hat, ist die dunkle Materie. Daher weiß man immer noch nicht, wie dunkle Materie aussieht.

Licht besteht eigentlich aus elektromagnetischen Wellen, darunter Radiowellen (Langwelle, Mittelwelle, Kurzwelle, Mikrowelle), Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolettlicht, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen usw. Sie alle basieren auf Photonen als Ausbreitungsmedium und sind daher Erscheinungsformen von Licht in verschiedenen Bändern und Frequenzen. Bei dem Licht, das wir heute besprechen, handelt es sich hauptsächlich um sichtbares Licht, also das Licht, das wir mit bloßem Auge sehen können, und dessen Wellenlänge ungefähr zwischen 380 nm und 780 nm liegt.

Welches „Glas“ kann Licht enthalten?

Aus den Eigenschaften von Licht und Photonen können wir schlussfolgern, dass zur Eindämmung von Licht ohne „Unterschlagung“ des Materials folgende Eigenschaften erforderlich sind: keine Ladung, keine Absorption von Photonen und extreme Abdichtung. Um diese Punkte zu erreichen, muss der Behälter aus uns unbekannten Materialien bestehen, die Lichtreflexion dieses Materials muss 100 % erreichen und die Luftdichtheit darf kein einziges Photon durchlassen.

Dieses Material existiert in unserer Welt nicht. Da alle uns bekannte Materie aus Atomen besteht und Atome aus positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen bestehen, können Photonen mit diesen Substanzen interagieren, sodass das Phänomen der „Korruption“ unvermeidlich ist.

Einfach ausgedrückt muss dieser Behälter nur zwei Dinge tun: Erstens muss er ein vollständig reflektierendes Material finden oder herstellen; die andere besteht darin, aus diesem Material einen Behälter ohne Zwischenräume herzustellen. Leider können diese beiden Punkte nicht erreicht werden.

Freunde, die meinen, sie könnten Licht in einer Tasche unterbringen, vereinfachen das Problem zu sehr. Welche Tasche benutzt du? Kuhfelltasche oder Mehlsack? Oder eine reflektierende Plastiktüte? Wenn ein Beutel dieser Art mit Licht in Kontakt kommt, interagieren die Photonen mit den geladenen Teilchen, aus denen der Beutel besteht, und werden in Energie umgewandelt. Wenn die Tasche der Sonne ausgesetzt ist, erwärmt sie sich daher.

Mehrere Materialien mit hohem Reflexionsvermögen

Theoretisch gibt es kein Material, das 100 % des Lichts oder der Strahlung absorbieren oder reflektieren kann, was bedeutet, dass es für kein Objekt (außer einem Schwarzen Loch) möglich ist, das gesamte Licht zu „unterschlagen“. Im Universum reflektiert, mit Ausnahme der Schwarzen Löcher, alle Himmelsmaterie Licht, und die Lichtquelle sind die Sterne. Die Reflektivität unserer Erde beträgt etwa 35 %, die Reflektivität des Mondes beträgt etwa 58 % und Venus, Mars und Jupiter weisen alle eine sehr starke Reflektivität auf. Daher ist das helle Mondlicht aus Tausenden von Kilometern Entfernung sichtbar und wir können die Planeten sehen, die kein Licht aussenden.

Die Reflexion kann in diffuse Reflexion und spiegelnde Reflexion unterteilt werden. Bei der sogenannten diffusen Reflexion handelt es sich um eine unregelmäßige, unebene und rauhe Oberfläche eines Gegenstandes, wodurch die Reflexionsrichtung des darauf einfallenden Lichts gestreut wird. Daher ist das in einem Winkel gesehene Licht nicht so hell wie die Spiegelreflexion, aber die Gesamtreflektivität der diffusen Reflexion und der Spiegelreflexion desselben Materials ist gleich.

Das menschliche Auge verlässt sich bei der Unterscheidung von Objekten hauptsächlich auf diffuse Reflexion. Durch unterschiedliche diffuse Reflexionen erscheinen unterschiedliche Objekte in ihrer ursprünglichen Form. Wenn es sich um eine vollständige Spiegelreflexion handelt, ist es schwierig, das Erscheinungsbild des Objekts zu erkennen. Je höher die Reflektivität, desto weniger Licht wird absorbiert und desto länger kann es gespeichert werden.

Unter den gewöhnlichen Metallen weist Silber die höchste Reflektivität auf, die je nach Wellenlänge des Lichts 98 bis 99 % erreichen kann. gefolgt von Kupfer, das 60–98 % erreichen kann; dann Gold, das 47–98 % erreichen kann; und dann Aluminium, das 86–92 % erreichen kann. Silber und Aluminium reflektieren das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts am gleichmäßigsten. Daher werden zur Herstellung von Spiegelbeschichtungen im Allgemeinen Silber oder Aluminium verwendet.

Im Haushalt häufig verwendete Spiegel bestehen im Allgemeinen aus Aluminium als reflektierendem Material. Da die Glasverarbeitungstechnologie und die Reinheit von Aluminium nicht perfekt sein können und die Glasdurchlässigkeit bei etwa 90 % liegt, befindet sich die reflektierende Oberfläche alltäglicher Spiegel hinter dem Glas. Auf diese Weise gehen 20 % des Lichts beim Durchgang durch das Glas verloren. Selbst wenn alles zurückreflektiert wird, bleiben nur 80 % übrig.

Daher kann die Reflektivität üblicherweise verwendeter Spiegel nur zwischen 75 % und 85 % liegen; Während bei Spiegeln, die in Teleskopen und der Hightech-Industrie verwendet werden, Silber als reflektierendes Material verwendet wird und Glas nicht durchdringt, weist die Verarbeitungstechnologie eine höhere Präzision auf, sodass die Reflexionsfähigkeit über 95 % erreichen kann und die Reflexionsfähigkeit von Spitzeninstrumenten der wissenschaftlichen Forschung über 98 % erreichen kann.

Der Spiegel mit der weltweit höchsten Reflektivität

Berichten zufolge hat ein Wissenschaftlerteam der University of California in Berkeley einen Nanospiegel entwickelt, der kein Silber mehr als reflektierende Oberfläche verwendet. Stattdessen kommt ein Hightech-Nanomaterial mit einer Dicke von nur 0,23 μm und einer Reflektivität von bis zu 99,9 % zum Einsatz.

Ein Team von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology veröffentlichte außerdem einen Artikel in der Zeitschrift Nature, in dem es behauptete, einen „perfekten Spiegel“ mit einer Reflektivität von nahezu 100 % geschaffen zu haben. In der Vergangenheit lag die Reflektivität herkömmlicher Spiegel zur Stromerzeugung aus Photovoltaik bei lediglich etwa 94 %. Durch die Nutzung dieses „perfekten Spiegels“ lässt sich die Stromerzeugungskapazität erheblich steigern.

Aber wie nahe kommt dieser Spiegel an einer Reflektivität von 100 %? Der Bericht des Berkeley-Teams über eine Reflektivität von 99,9 % steht noch aus, daher ist dieser Wert möglicherweise noch nicht erreicht. Das Problem besteht darin, dass selbst wenn es einen Spiegel mit solch einem hohen Reflexionsvermögen gäbe, wie man einen Behälter ohne Lücken herstellen und wie man Licht hineinlassen könnte.

Mit anderen Worten: Selbst wenn Sie einen perfekten Behälter herstellen, wie bekommen Sie das Licht hinein? Wie können wir es beobachten? Denn sobald Sie die Photonen im Inneren beobachten können, bedeutet das, dass sie in Ihre Augen gelangt sind, es zu einem Verlust kommt und der Behälter „undicht“ ist.

Angenommen, ein lückenloser Behälter mit maximaler Reflektivität ist mit Licht gefüllt

Wir gehen davon aus, dass wir ein Material mit 100 % Reflektivität verwenden, um einen perfekt abgedichteten Behälter ohne Lücken herzustellen (beachten Sie, keine Tasche), und dann einen Lichtstrahl ohne Verlust hineinführen. Egal wie das Licht im Inneren kollidiert, es kann weder absorbiert werden noch entweichen. Auf diese Weise kann das Licht im Behälter gespeichert werden.

Aber das ist nur ein schöner Wunsch. So etwas Perfektes gibt es nicht auf der Welt. Wenn es einen Meister gibt, der sich dieses Gerät ausdenken kann, selbst wenn es nur ein Gedankenexperiment ist, wird er meiner Meinung nach den Nobelpreis gewinnen.

Um die Vorstellungskraft einiger Freunde zu befriedigen, nehmen wir nun an, dass es einen nahtlosen Behälter gibt, der einen Lichtstrahl ohne Verlust aufnehmen kann und dass die Reflektivität der Innenwand des Behälters 99,99 % erreichen kann. Rechnen wir doch einfach mal aus, wie lange dieser Lichtstrahl im Behälter bleiben kann?

Angenommen, der Innendurchmesser dieses Behälters beträgt 1 Meter, dann halten wir das Sonnenlicht jetzt 1 Sekunde lang fest. Es ist bekannt, dass die Strahlungsenergie der senkrecht auf die Erde scheinenden Sonne σ=1,4×10^3 J/(s·m^2) beträgt, der Energieanteil des sichtbaren Lichts η=45 % beträgt und die Wellenlänge des sichtbaren Lichts etwa 380–780 nm beträgt. Aus der Energie eines einzelnen Photons = hc/λ (λ ist die Wellenlänge) lässt sich schließen, dass die Energie eines sichtbaren Photons zwischen 2,55*10^-19 und 5,23*10^-19 J liegt.

Lassen Sie uns einen Kompromiss eingehen und auf der Grundlage der durchschnittlichen Energie von 3,89*10^-19J rechnen. Für jeden Quadratmeter, der 1 Sekunde lang vertikalem Sonnenlicht ausgesetzt ist, gibt es etwa 1,6*10^21 sichtbare Lichtphotonen. Selbst wenn die sechs Seiten des Behälters die gleiche Menge direkter Photonen empfangen würden, läge die Gesamtzahl bei etwa 9,7*10^21.

Wie lange können diese 97 Billionen Photonen erhalten bleiben?

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300.000 Kilometer pro Sekunde. Wenn wir eine mögliche Brechung außer Acht lassen und vertikal reflektieren, wird es 300 Millionen Mal pro Sekunde an der Innenwand in einer Entfernung von 1 Meter reflektiert. Basierend auf der Berechnung, dass der Verlust jedes Mal 0,01 % beträgt, verbleiben nach 5000 Reflexionen weniger als 1,5 Photonen im Behälter. Nach 5100 Reflexionen bleibt theoretisch nur noch ein halbes Photon übrig. Es ist jedoch unmöglich, dass ein Photon ein halbes Photon ist, also gibt es tatsächlich keine Photonen.

Wie lange dauern 5000 Reflexionen? Das entspricht 1/60.000 Sekunde. Das heißt, selbst wenn es sich um eine vollkommen abgedichtete Kugel mit einem Reflexionsgrad von 99,99 % handelt und 97 Billionen Photonen hineingegeben werden, ist nach einer Sechzigtausendstelsekunde keines dieser Photonen mehr übrig. Was ist das Konzept einer Sechzigtausendstelsekunde? Das menschliche Auge kann es nicht erkennen.

Und wenn Sie tagsüber eine an allen Seiten undichte Tasche verwenden, um Licht einzuschließen, und Sie dann nach mehreren Stunden die Tasche öffnen und immer noch das Licht darin rauschen sehen möchten, ist diese Situation nur im Traum möglich.

Heutige Solarzellen speichern jedoch tagsüber Sonnenenergie, wandeln diese in elektrische Energie um und geben nachts Licht ab. Diese Methode zum „Einfangen von Licht“ ist viel einfacher als die Verwendung eines Behälters zum Aufbewahren von Licht. Vielen Dank fürs Lesen und herzlich willkommen zur Diskussion.

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