光子是一種粒子,那為什麼沒人能將光子搜集到瓶子里?人可搜集一瓶氣體含各種元素,為什麼不能搜集一瓶光子?
===2016-02-20更新開始===
看到討論區大家的討論非常活躍,這裡回答一下。
1、我把普通的瓶子比喻成 紙或者海綿 的瓶子,其實只是個比喻。真正的鏡子或者介質吸收光,是把光轉化成了熱。(熱可能會被傳導出去,但是我們把瓶子懸浮在真空中,就不會有傳導了)此時熱又會變成光(電磁輻射)出去(可以搜索紅外熱成像的原理)。但是這個過程,丟失了原始光的信息(頻率,偏振,時域信號等),並且熱輻射就不是只向瓶內的了,也同時向瓶外。所以還是會導致光含有的能量跑掉。用熱來存儲光,仍舊保證不了光被限制在瓶子里,而且丟失了原本光的所有信息(轉化為量子態存儲就能保存),其實是一種很差的存儲方式。
2、關於看到光路的問題
灰塵顯示蹤跡(丁達爾效應)是可以顯示光蹤跡的。
但是,目前的材料做不到肉眼可見。冷原子的EIT現象,7us就衰減到了20%。光子晶體里最佳記錄也是1ns衰減0.1db左右,也就是1us-100db。而人眼要區分兩個脈衝信號,至少要40ms(視覺暫留)的時間差。所以目前的慢光技術,距離被肉眼看到蹤跡還早著呢。
===2016-02-20更新結束===
瓶子能裝水,是因為兩點:1、向瓶子里倒水時,由於重力,水只進不出(這樣水就被裝進去了)。2、瓶子不吸收水,不漏水(這樣水就不會少)。
存儲光的瓶子非常難找,因為1、一般材料滿足光路可逆,光進瓶子的時候也在往外出。
2、絕大部分材料都會吸收光,光被存起來不到1s就被吸收沒了。
具體的可以看我的另一個答案:可不可能製造一組有鏡片組成的裝置,儲存光。? - qcmsqas 的回答
終於回到學校可以查文獻了,好好回答這個問題。
儲存光是一個非常困難的工作,主要有以下幾個原因。
1、光路是可逆的。大部分裝置,光怎麼進來,就能怎麼出去。瓶子能裝水,因為重力瓶口不用封住水也不會從上面飛出來。可是地球的重力根本不能把光限制在裝置里,光可以從瓶口跑掉。當然,如果是黑洞就不一樣了。為了存儲光,要不然就要發明一個單向瓶口(只許進,不許出),要不然就需要一個光子的黑洞(把光吸住跑不掉)。
2、光的吸收普遍存在在所有的物質中。這就比如,用玻璃瓶可以裝水,因為玻璃不吸收水,也不漏水。可是普通的紙瓶子就不能裝水,它吸水啊!對於光來講,各種材料的吸收都不小(就像海綿做的瓶子裝水)。即使把光裝進某個裝置里,也會很快被吸收光。另外,即使材料對光的吸收率非常小,可是光速太高,光和鏡子的反射次數太多,光的衰減也太快。
比如,我們用銀鏡(最好的金屬鏡子,對可見光的反射率可以達到98%+,我們就認為是99%好了),做成0.1m大小的盒子,把光裝起來。那麼,只要1us,光大概被反射3000次,剩下的光強就只有0.99^(3000)=8x10^(-14)了,這樣估計一下,1s後,光強就只剩下10^(-14000000)這個數量級了。
如果我們不利用鏡子反射,而利用全反射(介質吸收比金屬小),那麼能達到什麼水平呢?目前使用的通訊光纖,大概能做到每40km衰減一個數量級(10倍)。如果理想的實驗室條件,用最不計成本的工藝和材料,能做到好於民用兩個數量級,假設是4000km一個數量級的衰減,那麼光每0.02s就會衰減一個數量級,1秒鐘,存儲裝置里的光就衰減50個數量級。
可以看到,光在物質中傳播,或者在物質表面的反射,所普遍存在的衰減(光吸收),使得我們無法在宏觀可用的時間尺度里存儲光。這個問題目前還沒有方法能夠解決(你要儲存光,總歸要用物質做成裝置吧,可是只要是物質,不論反射還是透射,總有光的吸收)。可是,人們還是在不懈努力去尋找儲存光的方法,但並不是用來在宏觀尺度上把光存起來再放出來的,而是做一些其他的事情。主要包括兩點
1、光信號處理方面,暫存光可以製作一些信號處理器件。
2、光與物質相互作用方面,把光關進某個系統里,那光就只好跟系統里的物質作用了。(例如增加太陽能電池的效率,增加光催化反應的速率等等)。出於上述目的,目前儲存光的手段,已經實現了如下一些:
1、高Q值的腔,可以暫存光一定的時間。
2、慢光介質,可以把光速降低到很低,從而存儲光一小段時間。
3、單通波導做成的腔,可以讓光只進不出(但還是會被吸收掉)。
4、介質分布模擬空間扭曲做成「光子黑洞「
5、把光轉換成量子態存儲起來(不破壞光含有的信息)。我們逐一看下科研成果
1、高Q值腔。
這部分工作主要是日本研究組做的光子晶體(Photonic Crystal)腔比較領先。不過具體這個腔能存儲光多長時間,一般不是研究重點。國內的一篇工作仔細測量了某種超材料(meta-material)腔的時間延遲效應[1]。下圖來自引文[1]這篇文獻利用4mm厚的人工材料腔,將光暫時存儲了2ns的時間。
2、慢光介質。
1998年,Harvard的Hau等人,在波色-愛因斯坦凝聚的冷原子中,利用電磁感應透明(EIT)現象,將光速首次降低到了17m/s(注意單位哦!)。在這之後,很多工作都實現了慢光,甚至趨近於0的光速[2]。如果讓介質中的光速逐漸趨近於0,光就被停在某個位置,也就相當於被存儲起來了(可是還是很快被吸收掉了)。
圖片引自文獻[2],可以看出,光被延遲了7us之多,但是也被吸收了80%。05年,IBM公司實現了1/300光速的光子晶體器件[3],07年利用光子晶體器件成功實現了20GHz通訊中10bit的延遲(0.5ns),給了慢光通訊學上的實際應用。
3、單通波導
如果我們做一個光學腔,腔的開口處有隻許進不許出的「門」,光不就被收集到腔體裡面了么~,然而,在腔裡面的光,還是逃不開被吸收的命運。
2008年,Stanford的華人教授范汕洄,就利用穩恆磁場下的金屬材料,實現了單通波導[4]:可以看到,在這個波導里設置一個點源,光只向右邊傳播,不向左邊傳播。
4、光子黑洞
2006年,Pendry提出了轉換光學(Transformation Optics)的概念,指出,光感受到的空間扭曲可以用材料的介電常數和磁導率分布等效地實現。由此設計出了隱身衣[5]。
我們都知道,光經過大質量物體,受到引力作用,路徑會扭曲。根據廣義相對論,這是由於大質量物體周圍的空間扭曲了。同樣,光穿過折射率變化地介質(沙漠空氣下熱上冷),路徑也會扭曲(形成海市蜃樓)。Pendry發現,這兩種扭曲可以用相同的數學等價起來。
那麼,我們只要設計特定的折射率分布,就可以等效出黑洞周圍的空間扭曲,從而束縛住光,讓其無法離開,這就是「光子黑洞」。
光子黑洞在2013年由南京大學的劉輝課題組實現[6](注意,這篇的通訊作者是劉輝,雖然他寫在第二個),他們也做了很多後續工作。下圖引自文獻[6]可以看到,光子黑洞,可以讓光圍繞某個東西打轉,可是結果還是被吸收了(看那條轉圈的光線軌跡,越來越弱)
5、光轉化為量子態存儲
上面介紹的方法都可以把光存起來,或是一段時間,或是把光完全束縛住。可是問題是,這些方法存儲的光都會被吸收。從增強光與物質相互作用的角度來講,這是好事,可是從信號學的角度講,這麼大的信號衰減,就不好了。
於是有人就發明了一種方法,把光轉化為量子態存儲起來,過一段時間再放出來(這個時間延遲可以達到1s!)並且在此過程中不丟失光攜帶的信息[7]。
當然,這種方法已經不是在存儲光了,而是把光轉化為量子態存起來。在信號處理上,這種方法更有用。要知道,在計算機內存裡面存儲電信息,也要1us以內就刷新一次。而1s的信息存儲壽命遠遠夠用了。這個技術就是為了實現光計算中的Memory。總之,目前有很多方法存儲光,但是由於光吸收的問題,無法在宏觀的時間尺度上存儲光,即使把光收集到某個系統里,在短時間內光就會被吸收掉。
如果把光轉化為其他狀態,比如量子態,可以在宏觀的時間尺度上存儲光信息,但那就已經不是光了。[1] "Enhancement of light-matter interactions in slow-wave metasurfaces",
Shiyi Xiao, Qiong He, Xueqin Huang, Shiwei Tang, and Lei Zhou,
PRB 85, 085125 (2012).
[2]"The art of taming light: Ultra-slow and stopped light"
Zachary Dutton, Naomi S. Ginsberg, Christopher Slowe, and Lene Vestergaard Hau,
Europhysics news 35(2), March 2004
[3]"Active control of slow light on a chip with photonic crystal waveguides"
Yurii A. Vlasov, Martin O』Boyle, Hendrik F. Hamann, and Sharee J. McNab
Nature 438, 04210 (2005)
[4]"One-way electromagnetic waveguide formed at the interface between a plasmonic metal under a static magnetic field and a photonic crystal"
Y Zongfu, V Georgios, W Zheng, and F Shanhui,
PRL 100(2):802-809 (2008)
[5]"Controlling electromagnetic fields"
JB Pendry,D Schurig,DR Smith
Science, 2006, 312(5781):1780-1782
[6]"Trapping light by mimicking gravitational lensing"
C. Sheng, H. Liu, Y. Wang, S. N. Zhu, and D. A. Genov,
Nature Photonics 7, 902–906 (2013)
[7]"Efficient quantum memory for light"
MP Hedges, JJ Longdell, L Yongmin, MJ Sellars
Nature, 2010, 465(7301):1052-6
好多答案都是錯的。
其實收集光子很容易,比如用諧振腔就可以了,並且可以感受到光壓。
大學電動力學課程會學到這個。
其實這是非常好的一個問題。嚴肅地想,如果我們把儲存光子定義為把光子(而不是光能)限定在一定範圍內,需要的時候仍然可以原樣放出的話,為什麼我們不能儲存光子呢?
其實從這個定義說保存光子並不是不可以。15年科學家已經實現了在光纖內「保存」光子。 http://m.phys.org/news/2015-05-physicists-optical-fiber.html而如果我們把目光放眼地球之外的話,也有類似的環境。比如太陽的光子在核心通過熱核反應生成後,要通過上十萬年才能穿透內部的等離子體傳導到表面。其間光子在高溫高壓的環境下不停地和帶電粒子反應,被捕獲,又被放出,又被捕獲,又被放出。。從這個意義上來說,也算是儲存光子了。 http://songshuhui.net/archives/71827
因為構成瓶子的原子分子會不斷吸收和發射光子,所以普通瓶子是難以存放光子的。正確做法是弄一個內壁全是鏡面的瓶子,並且鏡面反射率能達到百分之百。
感謝評論區啟發,超導體鏡面似乎能完成這個任務,也避免了瓶里只能存在特定的諧振模式。
因為光子跑得比誰都快。
事實上是可以的,而且這個實驗特別簡單,小盆友都可以做的。
實驗材料:手電筒*1 瓶子*1
打開手電筒,對準瓶子。
這時你就有了一滿瓶光子拉!
眾人:(╯‵□′)╯︵┻━┻你TM在逗我么
事實上收集光子特別容易,唯一的難點就在如何儲存。因為你也發現了,當你關掉手電筒的時候,你辛辛苦苦(笑)收集的一瓶子光子都不見了!這是因為光子不能靜止,所以它要一直的到處亂跑。初中以上學歷的同學們應該知道,光路是可逆的,所以說你收集的光子事實上一直在跑出去,你瓶子里的光子永遠是新的光子。
這時候可能有人就開洞自己的腦袋了,腦洞一開就發現:誒我要是把瓶蓋蓋起來不就行了?我的太你太機智了!我給你滿分!
那麼問題又來了,挖掘機,啊呸。為什麼我再打開瓶蓋就啥都沒了?這個是個很關鍵的問題,因為所有的材料都會吸收光,也就是說在你關上瓶蓋的時候,你收集的光子都被瓶子本身吃了。
認真的總結:收集光子到瓶子里最重要的在於瓶子,你需要一個幾乎不吸收光子的瓶子才可以!
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既然有人看,那我就再說一點哈。
有人說黑洞可以的,請仔細看題。看到收集了沒?
黑洞是吸收光子,簡單來說就是吧光子吃掉了。變成純粹的能量了。
舉個栗子:媽媽讓你去菜地里收集幾個胡蘿蔔,你卻把胡蘿蔔吃了。那麼這還叫收集么?
還有就是 @古祥龍簡稱古龍說的那個例子,確實是收集了一瓶光子哦。雖然說這些光子還在不斷地產生和消失,但是確實瓶子里有一瓶光子。
你別笑哈,你看這個就知道了:N2+3H2==高溫高壓催化劑===2NH3
是不是很熟悉?
光學諧振腔即可儲存光子。
光波導可以約束光的傳播路徑。靜質量0,自旋為1,電荷為0,你怎麼禁錮它……
摘自 維基
光子也能夠被分子、原子或原子核吸收,引發它們能級的躍遷。一個經典的例子是視黃醛(C20H28O,見右圖)的分子躍遷,這是由諾貝爾獎得主、生物化學家喬治·沃爾德和他的同事於1958年發現的。光子的吸收甚至能夠打破化學鍵,例如氯的光解過程,這是光化學的研究主題。視黃醛在經過恰當波長的光子照射後分子結構會被拉直
哪有什麼容器能夠裝下它 不是吸收就是穿過(霧
題主知道絕對的黑體么?
光子(Photon)是一種基本粒子,是電磁輻射的量子。在量子場論里是負責傳遞電磁力的力載子。這種作用力的效應在微觀層次或宏觀層次都可以很容易地觀察到,因為光子的靜止質量為零,它可以移動至很遠距離,這也意味著它在真空中的傳播速度是光速。如同其它微觀粒子,光子具有波粒二象性,能夠展現出波動性與粒子性。
——摘自維基百科
首先糾正題主一點,光子不應該僅僅視作一種粒子來理解,因為具有波粒二象性,所以不要忽視光子還具有波動性這一性質,二者不可一分為二。
對於光子為什麼不能收集到一個瓶子里,可以理解為光為什麼不能收集到一個瓶子里?我認為有以下困難:
1、光子具有輻射性。輻射指的是能量以波或是次原子粒子移動的型態,在真空或介質中傳送,也就是說光子自身因為不斷向外界輻射被吸收,參考黑紙吸熱。但是請注意光子壽命穩定,沒有半衰期,這個要注意。
2、光子在靜止狀態下靜止質量為0。光子不是一種實體粒子。
3、光子的速度很大,真空中為光速。
4、光是一種電磁波,那麼就有波的性質:反射,折射,干涉,衍射。其中衍射是說可以波波可以繞過障礙物繼續傳播,參考聲音,聲音是一種波,隔牆有耳就是說衍射,把聲音關在一個瓶子里的難度可想而知。
最後要關住束縛住光子,目前已知的是黑洞;
類似的電容器儲存電子,有的答主提到可以利用光纖,讓光子不斷反射形成閉合迴路,往複運動傳播,不過可以想像難度也是非常大的。
人造黑體。確實能把光子裝進去。但你如果想把光子裝瓶里然後看著一個眩目燦爛的瓶子,那對不起,你的光子瓶漏了。
光子收納瓶索引見PDG.
請根據光子能量選合適的瓶子。
光子雖然是粒子,但是沒有靜質量,和其他有靜質量的粒子不同,不能隨便保存在一個瓶子里。
題主問的問題可以看出對「粒子」這個概念並不了解,「粒子」和「可以裝到瓶子里」毫無直接必然邏輯關係
因為根本停不下來
題主沒聽說過光纖、光纜嗎? 這玩意為啥能取代銅線【傳統電視信息號線】成為超長距離、超大容量、超低衰減的信息傳輸通道?? 我估計是因為題主沒聽說過光纖對光的全反射。可見中學物理老師死得早啊
物理學上還有個詞叫做黑體。你拿一個黑糊糊的,不透光的瓶子,裡面放置一個發光的小電珠【即手電筒的小燈泡】,包嚴實了。這不就是題主想要的「光子搜集到瓶子"嘛。 老農都想得到。你能看到的一個透明的瓶子裡面都是光子,就是是流動的。
黑洞
貌似可以收集一瓶子光。
當然,得不漏。
這個問題成功引出了一大批自認為自己很懂的人在這裡強答→_→
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