Πού πηγαίνει το φως όταν σβήνετε μια λάμπα μέσα σε ένα δωμάτιο;

Όταν ένας λαμπτήρας είναι αναμμένος, εκπέμπει φωτόνια που διασκορπίζονται προς κάθε κατεύθυνση ενός δωματίου και χτυπούν κάθε αντικείμενο που υπάρχει μέσα σε αυτό. Αυτά τα αντικείμενα απορροφούν την πλειονότητα των φωτονίων που τα χτυπούν, αλλά αντανακλούν επίσης ένα μικρό κλάσμα, το οποίο μας βοηθά να δούμε πραγματικά πράγματα μέσα στο δωμάτιο. Όταν ο λαμπτήρας είναι απενεργοποιημένος, δεν εκπέμπονται νέα φωτόνια και αυτά που υπάρχουν ήδη μέσα στο δωμάτιο αντανακλώνται από αντικείμενα αμέτρητες φορές μέχρι να απορροφηθούν όλα πλήρως.

Αν δώσατε προσοχή στο μάθημα των φυσικών επιστημών όταν ο δάσκαλος εξήγησε τα βασικά της οπτικής, πιθανότατα γνωρίζετε ότι το φως αποτελείται από εκατομμύρια εξαιρετικά μικροσκοπικά (όπως στα «αόρατα στο γυμνό μάτι» μικροσκοπικά σωματίδια, γνωστά ως φωτόνια. Αυτά είναι τα θεμελιώδη σωματίδια που μεταφέρουν όλα τα είδη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένων των ραδιοκυμάτων, των ακτίνων UV, των μικροκυμάτων και φυσικά του ορατού φωτός.

Η αναπαράσταση ενός καλλιτέχνη των φωτονίων που «μεταφέρουν» ορατό φως. (Photo Credit :ProMotion / Shutterstock)

Όταν μπαίνεις σε ένα δωμάτιο και ανάβεις μια λάμπα, το δωμάτιο πλημμυρίζει αμέσως με φως. Πιο συγκεκριμένα, το δωμάτιο είναι γεμάτο με εκατομμύρια δισεκατομμύρια φωτόνια, τα οποία μας βοηθούν να δούμε τι υπάρχει μέσα στο δωμάτιο. Ωστόσο, όταν σβήνετε τη λάμπα, πού πηγαίνει πραγματικά το φως; Τι συμβαίνει με αυτά τα δισεκατομμύρια φωτόνια που υπάρχουν μέσα στο δωμάτιο; Πεθαίνουν ή παύουν να υπάρχουν;

Πριν απαντήσουμε σε αυτό, ας κάνουμε μια γρήγορη ανακεφαλαίωση μερικών βασικών εννοιών.

Φωτόνια:Στοιχειώδη σωματίδια που μεταφέρουν φως

Ίσως γνωρίζετε ήδη ότι το ορατό φως είναι ένας τύπος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και ένα μικρό συστατικό του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος – η ίδια ομάδα που περιέχει ραδιοκύματα, υπέρυθρες ακτίνες, ακτίνες UV, ακτίνες γάμμα κ.λπ.

The Electromagnetic Spectrum (Photo Credit:Designua / Shutterstock)

Ένα φωτόνιο είναι το πιο θεμελιώδες σωματίδιο οποιουδήποτε τύπου ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, είτε πρόκειται για ραδιοκύματα που μεταφέρουν σήματα WiFi, μικροκύματα που θερμαίνουν τα τρόφιμα μέσα σε έναν φούρνο ή ορατό φως που μας βοηθά να δούμε τον κόσμο γύρω μας. Με μάζα ηρεμίας μηδέν, ένα φωτόνιο κινείται με εκπληκτική ταχύτητα σχεδόν 300.000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο στο κενό (σημειώστε ότι η ταχύτητα των φωτονίων αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του φωτός).

Πώς τα φωτόνια φωτίζουν τα πράγματα;

Μια πηγή φωτός (ας πούμε, ένας λαμπτήρας) που βρίσκεται μέσα σε ένα δωμάτιο εκπέμπει εκατομμύρια φωτόνια που ανακατεύονται προς όλες τις κατευθύνσεις μετά το άναμμα της λάμπας. Δεδομένου ότι η λάμπα διατηρείται σε ένα δωμάτιο (δηλαδή σε έναν κλειστό χώρο), τα φωτόνια που εκπέμπει θα χτυπήσουν ό,τι βρεθεί στο πέρασμά τους, φωτίζοντας έτσι οτιδήποτε διατηρείται μέσα στο δωμάτιο.

Ακολουθεί ένα υπέροχο βίντεο με το πώς ένα πακέτο φωτονίων φωτίζει έναν μικρό, κλειστό χώρο.

Είτε το πιστεύετε είτε όχι, η κάμερα έχει συλλάβει πραγματικά φως σε κίνηση!

Το παραπάνω βίντεο είναι ένα βίντεο TED από τον Ramesh Raskar – έναν καθηγητή και ερευνητή του MIT που μίλησε για τη φωτογραφία femto – μια τεχνική απεικόνισης αιχμής που καταγράφει ένα τρισεκατομμύριο καρέ ανά δευτερόλεπτο και επομένως είναι σε θέση να συλλάβει κινούμενο φως!

Πού πηγαίνουν τα φωτόνια όταν μια πηγή φωτός είναι απενεργοποιημένη;

Όσο η λάμπα ανάβει, το δωμάτιο θα έχει συνεχή παροχή φωτονίων. Από τα αμέτρητα φωτόνια που χτυπούν ένα αντικείμενο (ας πούμε, ένα τραπέζι) που διατηρείται μέσα στο δωμάτιο, μερικά θα απορροφηθούν, ενώ άλλα θα αντανακληθούν και θα χάσουν ένα ορισμένο ποσό ενέργειας στη διαδικασία. Αυτά τα ανακλώμενα φωτόνια θα χτυπήσουν κάτι άλλο στο δωμάτιο και θα χάσουν λίγη περισσότερη ενέργεια. Βασικά, ένα φωτόνιο συνεχίζει να αναπηδά από αντικείμενα μέχρι να απορροφηθεί πλήρως από κάτι.

Ένα δωμάτιο παραμένει φωτισμένο όσο υπάρχει σταθερή παροχή φωτονίων μέσα του.

Με αυτόν τον τρόπο, το δωμάτιο παραμένει φωτισμένο όσο η λάμπα ανάβει. Ωστόσο, τη στιγμή που απενεργοποιείται, τα πράγματα αλλάζουν αρκετά γρήγορα.

Τα φωτόνια - αυτά που εκπέμπονταν πριν σβήσει ο λαμπτήρας - συνεχίζουν να αναπηδούν από αντικείμενα μέχρι να απορροφηθούν πλήρως από τα πράγματα μέσα στο δωμάτιο. Σε ένα κλάσμα του χιλιοστού του δευτερολέπτου, όλα τα φωτόνια απορροφώνται πλήρως μέσα στο δωμάτιο.

Εάν η λάμπα έλαμπε, η ταχεία απορρόφηση αυτών των φωτονίων δεν θα έκανε καμία διαφορά, αφού η λάμπα θα συνέχιζε να χύνει συνεχώς φρέσκα φωτόνια στο δωμάτιο. Ωστόσο, τώρα που είναι απενεργοποιημένο, χωρίς νέα παροχή φωτονίων, τα φωτόνια (που εκπέμπονται όταν η λάμπα ήταν αναμμένη) εξαλείφονται καθώς απορροφώνται από αντικείμενα στο δωμάτιο. Η ενέργεια αυτών των απορροφημένων φωτονίων χρησιμοποιείται για τη θέρμανση αντικειμένων σε αμελητέα μικρή ποσότητα, γιατί όπως γνωρίζουμε…

Όλα αυτά, δηλαδή η εκπομπή φωτονίων από τη λάμπα, η ανάκλαση και η απορρόφησή τους από άλλα αντικείμενα, συμβαίνουν περίπου στο ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, κάτι που είναι τρελά γρήγορο για εμάς τους απλούς ανθρώπους να το αντιληφθούμε ή ακόμα και να το αντιληφθούμε. Γι' αυτό ένα δωμάτιο βυθίζεται στο σκοτάδι τη στιγμή που σβήνουν τα φώτα του.

Είναι ενδιαφέρον ότι το να σβήνεις έναν λαμπτήρα στο διάστημα δεν θα ήταν το ίδιο όπως σε ένα δωμάτιο στη Γη, γιατί σε αντίθεση με ένα κανονικό δωμάτιο, τα φωτόνια που εκπέμπονται στο διάστημα θα συνεχίζονταν και θα ανάβουν στο τεράστιο κενό του διαστήματος χωρίς στην πραγματικότητα να χτυπήσουν τίποτα. για πολύ καιρό!