可以⽤镜⼦困住光吗?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-05-26 13:06:15

本文讨论了关于光的反射、引力影响、以及如何利用镜子困住光的问题,通过问答形式解释了相关物理现象和理论。

可以⽤磁铁鉴别不锈钢的真假吗?答:不可以,⻢⽒体不锈钢有磁性,奥⽒体不锈钢⽆磁性,它们都是不锈钢。为什么断了线的⻛筝会⻢上掉下来,⽽不是越⻜越⾼?答:因为它挣脱了缰绳后失去了控制,开始放纵⾃⼰,于是眼看它起⾼楼,眼看它抟扶摇,眼看它跌跌撞。⻛筝能迎⻛⻜翔的秘诀,在于有稳定的迎⻆。如果⻛筝有侧翻的趋势,⻛筝线的拉⼒会把它拽回来,这就像是压箱底的重物给船提供了⼀个稳定的重⼼,这样船能在⻛浪中保持平衡。

船的重⼼与⽔浪提供的摆动的浮⼒形成⼀对恢复⼒矩。同理,⻛筝的布⾯能以稳定的迎⻆迎着⻛,借势获得斜向上的推⼒,并与线的拉⼒和重⼒达成平衡。但当绳⼦断掉后,不再有拉⼒稳住⻛筝的⾯,⻛筝不能保持迎⻆,就会迷失在混乱的⻛向中,最终不能把⻛的推⼒稳定在向上的⽅向,并掉了下来。光会受到引⼒的影响是因为它有运动质量,还是因为时空被⼤质量物体弯曲,导致沿直线运动的光看起来像是弯了⼀样?

答:认为“光受到引⼒影响是因为其具有运动质量”的解释是⼀种谬论。因为在相对论的框架下,并不存在没有运动质量的粒⼦。那说它“因为有运动质量”实际上是⼀句废话,既然所有的粒⼦都有运动质量,这句话本身和“所有粒⼦都会受引⼒的影响”没有区别。⽽正确的解释就是时空被⼤质量物体弯曲,引⼒场的存在修改了“直”的定义,所以光线的路径在欧⼏⾥得时空是弯的。如果⽤镜⼦做⼀个容器,可以困住光吗?答:理论上可以。

这其实是个加强版的绝对⿊体。这个容器不但不能让光逸出,甚⾄不能把光吸收掉。不过在真空中球形鸡的条件下,我们还是可以试⼀试。如果我们获得了可以将⼊射的光全部反射的理想镜⾯,同时忽略光注⼊孔的存在(也就是假设容器壁是完整的),那么就可以构建⼀个让光⽆限反射⽽不损耗的容器,也就是“困住光”。如果我们把上⾯的理想假设逐步现实化。⾸先考虑容器⼏何形状,不可能做到容器任何位置的反射率都是100%。

那应该怎么尽可能困住光呢?两个平⾏的平⾯镜!将光从镜⾯边缘以接近垂直的⻆度射⼊两个平⾯镜之间,这束光就可以在两个镜⾯之间往复反射许多次。在这样的平⾏平⾯镜系统中,我们再考虑镜⾯发射率不可能达到100%的问题。光照到镜⾯上,总会有⼀部分反射⽽另⼀部分透射,反射的能量占总能量的⽐例叫做反射率。通常的镜⾯反射率可以达到95%乃⾄更⾼。这样,光在平⾯镜之间来回反射24次(12个来回)仍有30%的强度。

如果我们将平⾯镜反射率调低⼀些,使每⼀次反射的透射光都变强。这些透射光的⼲涉效应会变得显著,波⻓满⾜的光会⼲涉相⻓,光强明显变⼤,其中L是两个平⾯镜距离,n是镜⾯间介质折射率;另⼀些满⾜的光会⼲涉相消,光强⼏乎消失——这样我们就可以获得特定频率的光了。到了现在,我们就从“理论上可以困住光的容器”出发,得到了⼀个实际应⽤中可以选频的器件,他就是⼤名鼎鼎的法布⾥-珀罗⼲涉仪。

它是⼀种能实现多光束⼲涉的重要仪器,可以有效地计量纳⽶乃⾄⽪⽶量级的⻓度、研究光谱的超精细结构。在光学实验室中,FP仪的身影⽆处不在。

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