Si se colocara una luz dentro de una esfera reflejada perfecta, ¿qué pasaría con la luz?

Bueno, si es una esfera de espejo perfecta (no infinita), con un vacío perfecto dentro, y tiene en el centro exacto una luz omnidireccional (con fuente de energía) que de alguna manera no ‘se interpone’ en el camino de los fotones reflejados:

A medida que los fotones se reflejan desde el espejo perfecto, algo de impulso y, por lo tanto, energía, se unirán a la esfera como una fuerza mecánica. Parte de esta transferencia se cancelará (ya que la esfera se ‘recuperará’ y dará una patada extra al siguiente fotón reflejado)
Sin embargo, estas vibraciones en el material de la esfera, causarán trabajo mecánico y, por lo tanto, calentarán la esfera, que irradiará ese calor desde su superficie exterior.
Además, la pérdida continua (y la posterior recuperación parcial aleatoria) de energía de los fotones hará que cambie la longitud de onda de los fotones.
Eventualmente, algunos de ellos se desplazarán hacia el rojo tan bajo, que el espejo (o el diámetro de la esfera) ya no permitirá reflejos perfectos, y el fotón se dispersará dentro o a través de la esfera. (de nuevo, calentándolo o irradiándolo)
Por lo tanto, existe una vía de pérdida de energía del sistema. Eventualmente, el sistema alcanzará un equilibrio, donde la esfera está lo suficientemente caliente como para fundirse o simplemente irradiar la misma cantidad de energía (a una longitud de onda más baja) que la fuente de luz está proporcionando.
Hasta que se agote la fuente de energía, en ese momento el sistema se enfriará y se oscurecerá.

Sin embargo, la fuente de energía puede agotarse antes de alcanzar el equilibrio …
Y si la fuente de energía es suficientemente grande (o infinita), colapsará en un agujero negro, tal vez llevándose la esfera.

También es posible que los fotones puedan (¡raramente!) Hacer un túnel cuántico a través del espejo, pero si eso es significativo dependerá de la escala del sistema.

De acuerdo, el interior de la esfera se refleja perfectamente y hay un diodo óptico ideal para dejar entrar la luz pero mantenerla dentro. Al mantener la luz encendida, la densidad de fotones en la esfera aumenta y aumenta, por supuesto. “Se ve” cada vez más brillante, pero no lo ves porque la luz no puede escapar. Después de apagar la luz, se mantiene brillante, los fotones siguen rebotando. Si “asoma la cabeza” para mirar, verá un resplandor uniforme y brillante que se desvanece rápidamente porque su cabeza y ojos están absorbiendo todos los fotones.

¿Pero los fotones rebotan para siempre? ¡¡No!! Incluso una esfera perfectamente reflectante seguirá interactuando con la luz, debido a la presión de radiación. Cada vez que un fotón rebota en una pared, la pared es pateada hacia atrás, ganando energía a expensas del fotón (en promedio). La luz no puede producir una fuerza suave, solo una serie de patadas con estadísticas de ruido de disparo, porque un fotón golpea la pared a la vez. Estas patadas eventualmente calientan las paredes y enfrían los fotones. (Desde el punto de vista del fotón, la frecuencia de los fotones está disminuyendo debido a los cambios Doppler durante la reflexión de las paredes móviles.) Finalmente todo se equilibra a una temperatura uniforme, más caliente que la esfera comenzó. No sé cuánto tiempo tomaría eso. [En cualquier circunstancia realista, este efecto de presión de radiación puede ser ignorado, porque es mucho menos importante que el efecto “el reflejo no es 100% perfecto”].

Depende, existen ciertos casos, pero en los siguientes casos, vamos a asumir un espejo perfectamente reflectante.

Caso 1 : – El espejo es extremadamente grueso (ignore el espejo unidireccional)
Si este es el caso, entonces sí, tiene un espejo perfectamente reflectante con luz atrapada indefinidamente para siempre. Nada más que decir, buen día.

Caso 2 : – El espejo es extremadamente delgado (incluye su espejo unidireccional)
Aquí, hay un par de cosas interesantes que sucederán. Por un lado, no todos los fotones (sí, vamos a QM aquí) se quedarán allí. Si la probabilidad lo permite, el fotón puede “hacer un túnel” hacia el otro lado del espejo y, por lo tanto, escapar. El número de fotones que hacen esto en cualquier momento en particular será extremadamente bajo, pero con el tiempo, escaparán lentamente, oscureciendo la habitación. Vale la pena mencionar que este suele ser el caso la mayor parte del tiempo, ya que los espejos se vuelven más y más delgados.

Reflejaría la fuente de luz. Si su fuente de luz es una bombilla, verá una bombilla en cada espejo, también verá el reflejo del reflejo en el espejo frente al espejo que está mirando, por lo que verá muchos reflejos de las bombillas ( y usted mismo) en cada espejo a cada lado de la caja. Ningún espejo es físicamente perfecto, por lo que eventualmente los fotones serán absorbidos por los propios espejos, por lo que realmente no verías un número infinito de bombillas reflejadas. Esta es también la razón por la cual cuando apaga la luz, los fotones no continúan rebotando entre los espejos y el interior de la caja estará oscuro nuevamente.

El mejor espejo podría ser 99.99% reflectante. Pero si la habitación tiene 3 metros de ancho, la luz la cruza en unos 10 nanosegundos. Entonces, en un milisegundo, la luz ha rebotado 100,000 veces. Y 0.9999 multiplicado 100,000 veces es solo 0.00004537723. Entonces, en un milisegundo, la luz habrá disminuido a 4 milésimas de uno por ciento, efectivamente, todo se habrá ido.

Aquí hay una pregunta similar que realmente puede responder mediante un experimento: si enfoca una cámara de video para que solo vea un monitor que muestra lo que ve la cámara, ¿qué mostrará el monitor?

¡Es emocionante y realmente vale la pena intentarlo! Recuerde experimentar también con el control del zoom (o la distancia desde la pantalla), el brillo y el contraste. También intente inclinar la cámara.

Desafortunadamente, no podemos “ver” la luz. Todo lo que vemos es una pequeña pieza de luz que se refleja de algo, o una sección de luz que fue generada por una estrella o algo. La mayor parte del espectro de ‘luz’ está fuera de nuestro rango de visión, ya sea como ‘infrarrojo o ultravioleta (o longitudes de onda más bajas / más altas). lo que vemos como “luz blanca” es una mezcla de todas las longitudes de onda ‘visibles’ que vemos como ‘colores’. El rojo, el naranja, el amarillo, el verde, el azul, el índigo y el violeta son los más comúnmente vistos, pero cada uno de ellos tiene una gama de ‘tonos’ para que podamos ver más colores de los que se pueden nombrar fácilmente. Cuando te das cuenta de que lo que vemos es solo una pequeña fracción de lo que hay, se vuelve casi inspirador. Más allá de eso, si ‘atraparas’ una colección de fotones de alguna manera, sería una corriente de luz en constante movimiento, el color dependiendo de su frecuencia, mientras durara.

Teniendo en cuenta que tiene una fuente finita de energía de la que proviene la luz. la fuente de energía terminará eventualmente e incluso si la esfera refleja el 99.99% de la luz, será absorbida por el espejo esférico después de todo. porque la velocidad a la que se absorbe el 0.01% de luz es muy alta después de golpear las paredes del espejo esférico es demasiado alta. al final será una esfera oscura. Para obtener más información, busque el canal vsauce de youtube y uno de sus videos lo muestra. El video se llama dentro de un espejo esférico.

La fuente de luz en la esfera reflejada en el interior, con vacío, no propagará la luz sin medios. La luz no puede viajar sin medios y sin energía forzada para empujar al vacío.

Si el espejo es perfecto y la fuente de luz no obstruye el camino de la luz de ninguna manera, tendremos un espejo esférico en el que la luz ha quedado atrapada para siempre.

Si el espejo no es completamente perfecto, la luz se “desvanecería” en menos de un segundo, absorbida por el espejo (incluso si el espejo es 99.99% perfecto).

Debo mencionar que, lo mencionado anteriormente es válido solo para la física clásica. Si quieres la mecánica cuántica, la tunelización cuántica entra en la ecuación.

Creo que la respuesta de Ciaran es probablemente realista, pero si hubiera una cavidad reflectora teóricamente perfecta, actuaría como si tuviera una masa equivalente a la energía de los fotones que contiene. En otras palabras, si calcula la presión de la luz causada por la luz y el efecto de acelerar la esfera, la diferencia de presión causada por la luz resultaría para que se comportara como si la esfera tuviera una masa igual a E / c ^ 2 ! E = hv, entonces sería M = nhv / (cc) donde n es el número de fotones, h es la constante del tablón y v es la frecuencia cuando la esfera está en reposo. … Puede que haya estropeado algo. Ha pasado un tiempo desde que miré esto.

Lo que me hace preguntarme a veces si la masa faltante, la llamada materia oscura en el universo, es en realidad la luz que viaja entre las estrellas.

No, no lo hará. Los espejos no reflejan el 100% de la luz, absorben parte de ella. Entonces, después de cada reflejo, la intensidad de la luz disminuirá. Y estará oscuro dentro de nano segundos.

El haz de luz se atenuará pronto porque los espejos no son perfectos y una pequeña parte será absorbida en cada reflejo y en un segundo el número de reflejos será de cien millones.

Si no me equivoco (podría serlo fácilmente) sin ninguna absorción, no habría señales de luz que podamos ver. Para saber esto, tendríamos que estar dentro de esa esfera y eso destruiría la premisa porque nos quitaría la premisa de la no absorción en nuestro estado físico. Parece que habría un fotón que rebota tan rápido desde cualquier posición posible a una velocidad instantánea y, por lo tanto, llenaría completamente la esfera con energía prácticamente en cada longitud de tablón de espacio. No creo que se caliente sin transferir estados de energía. Tal vez los neutrinos pueden soltarse después de que un fotón se descompone. Eso podría causar un pico en el … aquí: https://arxiv.org/pdf/hep-ph/021 … Las matemáticas están muy por encima de mi cabeza, pero la interacción neutrino / fotón se discute aquí. Es una pregunta muy profunda. De nuevo.

Gracias por el A2A.

No soy un científico, pero creo que si ocurriera tal evento, sería muy brillante.

La luz iría a todas partes, y debido a que no se absorbe, seguiría rebotando en el espejo.