سرنوشت فوتون‌ها؛ چرا وقتی لامپ خاموش می‌شود نور کجا می‌رود؟

خلاصه مقاله:

• فوتون‌های باقی‌مانده پس از خاموش‌شدن چراغ، در مدت بسیار کوتاهی به سطوح مختلف اتاق برخورد می‌کنند.
• بخشی از نور بازتاب می‌شود، اما در هر برخورد مقداری از آن جذب دیوارها، وسایل و دیگر اجسام می‌شود.
• انرژی فوتون‌های جذب‌شده از بین نمی‌رود و عمدتاً به مقدار اندکی گرما تبدیل می‌شود.
• تاریکی آنی به نظر می‌رسد، زیرا این فرایندها با سرعتی بسیار بیشتر از توان تشخیص چشم و مغز انسان رخ می‌دهند.

فرض کنید در اتاقی بدون پنجره نشسته‌اید و چراغ روشن است. به‌محض اینکه کلید را می‌زنید، اتاق تقریباً فوری تاریک می‌شود. در نگاه اول انگار نور یک‌باره «ناپدید» شده است. اما از نظر فیزیکی چنین اتفاقی نمی‌افتد. فوتون‌هایی که پیش از خاموش‌شدن چراغ در اتاق حرکت می‌کردند، جایی غیب نمی‌شوند؛ آن‌ها خیلی سریع با دیوارها، وسایل و دیگر سطوح برخورد می‌کنند و انرژی‌شان به شکل‌های دیگر تبدیل می‌شود.

برای فهمیدن ماجرا، اول باید ببینیم نور چیست. نور نوعی تابش الکترومغناطیسی است؛ می‌توان آن را به‌صورت بسته‌های بسیار کوچکی از انرژی به نام «فوتون» توصیف کرد. فوتون‌ها در خلأ با سرعت نور، یعنی حدود ۳۰۰هزار کیلومتر بر ثانیه، حرکت می‌کنند. از نظر فیزیک کوانتومی، نور هم ویژگی‌های ذره‌ای دارد و هم رفتاری موج‌مانند نشان می‌دهد، اما برای توضیح خاموش‌شدن چراغ، همان تصور فوتون‌های در حال حرکت کافی است.

ما اجسام را زمانی می‌بینیم که نور به آن‌ها برخورد کند و بخشی از آن به سمت چشم ما بازگردد. برای مثال، نور لامپی به یک میز برخورد می‌کند، بخشی از آن جذب می‌شود و بخشی دیگر بازتاب پیدا می‌کند. فوتون‌های بازتاب‌شده وارد چشم می‌شوند و مغز براساس اطلاعاتی که دریافت می‌کند، تصویر میز را می‌سازد.

لامپ نیز چیزی شبیه مخزن نور نیست که هنگام خاموش‌شدن، نور ذخیره‌شده درون آن باقی بماند. لامپ فقط تا زمانی که انرژی دریافت می‌کند، فوتون تولید می‌کند.

سؤال اصلی اما درباره‌ی فوتون‌هایی است که درست پیش از خاموش‌شدن لامپ در اتاق بوده‌اند. آن‌ها همچنان به حرکت ادامه می‌دهند، اما برای مدتی بسیار کوتاه. وقتی نور به سطحی برخورد می‌کند، چند اتفاق ممکن است رخ دهد. بخشی از نور ممکن است بازتاب پیدا کند، بخشی جذب شود و در بعضی مواد، مقداری از آن از جسم عبور کند. شیشه‌ی شفاف نمونه‌ی واضحی از حالت سوم است.

در اتاقی معمولی، بیشتر سطوح نور را نه کاملاً بازتاب می‌دهند و نه کاملاً جذب می‌کنند. دیوار، فرش، میز، لباس و تقریباً هر جسم دیگری در هر برخورد بخشی از نور را جذب می‌کند. برای مثال، اگر فوتونی از لامپ به دیوار برخورد کند، ممکن است بازتاب پیدا کند و سپس به میز برسد. بخشی از نور در آنجا جذب می‌شود و بخش دیگری دوباره به سمت سقف یا کف می‌رود. این رفت‌وبرگشت‌ها ادامه پیدا می‌کند، اما در هر برخورد مقدار بیشتری از انرژی نور جذب می‌شود.

از آنجایی که سرعت نور فوق‌العاده زیاد است، همه‌ی این اتفاق‌ها در زمانی بسیار کوتاه رخ می‌دهند. نور در یک میلیونیوم ثانیه حدود ۳۰۰ متر حرکت می‌کند. بنابراین یک فوتون می‌تواند در مدت زمانی بسیار کمتر از توان واکنش چشم و مغز ما، بارها طول یک اتاق معمولی را بپیماید و به سطوح مختلف برخورد کند.

به همین دلیل وقتی چراغ را خاموش می‌کنید، احساس می‌کنید نور همان لحظه از بین رفته است. در واقع، آخرین فوتون‌ها هنوز برای مدت بسیار کوتاهی در اتاق حرکت می‌کنند، اما آن‌قدر سریع جذب می‌شوند که انسان قادر به دیدن این مرحله نیست.

رنگ اجسام نیز به همین جذب و بازتاب نور مربوط است. یک توپ قرمز را در نظر بگیرید. وقتی نور سفید به آن می‌تابد، سطح توپ بخشی از طول موج‌ها را جذب می‌کند و نور قرمز را بیشتر از بقیه به سمت چشم بازتاب می‌دهد. به همین دلیل توپ را قرمز می‌بینیم.

انرژی طول موج‌هایی که جذب شده‌اند، از بین نمی‌رود. بخش عمده‌ی آن در نهایت به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود؛ یعنی حرکت و ارتعاش اتم‌ها و مولکول‌های ماده اندکی افزایش پیدا می‌کند. البته مقدار گرمایی که از نور یک لامپ معمولی و در مدت کوتاه ایجاد می‌شود، آن‌قدر کم است که معمولاً نمی‌توان آن را احساس کرد.

نکته‌ی جالب اینجاست که انرژی پس از تبدیل‌شدن به گرما همچنان می‌تواند دوباره به شکل تابش الکترومغناطیسی از اجسام خارج شود. تقریباً هر جسمی که دمایی بالاتر از صفر مطلق دارد، تابش الکترومغناطیسی منتشر می‌کند. دیوارها، میز، بدن انسان و وسایل داخل اتاق نیز دائماً چنین تابشی دارند. در دمای معمولی اتاق، بخش عمده‌ی این تابش در محدوده‌ی فروسرخ قرار می‌گیرد که چشم انسان قادر به دیدنش نیست.

یک سؤال جالب دیگر این است که چرا فوتون‌ها برای مدت طولانی در اتاق گیر نمی‌افتند. دلیلش این است که دیوارها و وسایل داخل اتاق آینه‌های بی‌نقص نیستند. اگر اتاقی فرضی می‌ساختیم که دیواره‌های آن تقریباً تمام نور را بدون هیچ جذبی بازتاب دهند، نور می‌توانست مدت بیشتری میان دیوارها رفت‌وبرگشت کند.

در دنیای واقعی چنین سطحی وجود ندارد. حتی بهترین آینه‌ها هم بخشی از نور را جذب می‌کنند. بنابراین بعد از هر برخورد، تعداد فوتون‌های باقی‌مانده کمتر می‌شود تا در مدت بسیار کوتاهی تقریباً همه‌ی نور مرئی جذب شود.

پس پاسخ ساده به سؤال «وقتی چراغ را خاموش می‌کنیم، فوتون‌ها کجا می‌روند؟» این است: بیشتر آن‌ها پس از چندین برخورد با سطوح اتاق جذب می‌شوند و انرژی‌شان عمدتاً به مقدار بسیار اندکی گرما تبدیل می‌شود.

چراغ خاموش می‌شود، تولید فوتون‌های جدید متوقف می‌شود و فوتون‌های باقی‌مانده آن‌قدر سریع جذب می‌شوند که برای ما، تاریکی تقریباً آنی به نظر می‌رسد.