Недавно наткнулся вот на этот https://pikabu.ru/story/lampochka_v_korobke_iz_zerkal_585822... пост и зачем-то почитал комментарии. Тема, которая, многих волновала с детства: что будет, если засунуть лампочку между двумя зеркалами? Оказывается, она будоражит умы всех возрастов, и подчас всплывает (и плюсуется) какая-то совершенная дичь.
Так уж получилось, что описанная конструкция стоит фактически в центре моего образования, так что давайте как-нибудь разберём, что же происходит, когда свет попадает в ловушку между двух зеркал.
На самом деле, описанная конструкция есть очень у многих дома. Но начнём мы немного издалека. С другой конструкции, которая есть почти у всех:
Гитары.
Итак, что же происходит с физической точки зрения, когда мы дёргаем за гитарную струну? В ней возбуждается волна, а точнее можно сказать, что сразу две волны: одна из них бежит в сторону колков, другая — наоборот, в сторону подставки. Достигнув порожков, волна теряет возможность бежать дальше и отражается. Обе наши волны таким образом начинают бегать навстречу друг другу, складываясь и образуя то, что называется стоячей волной.
Частота образующейся волны определяется во многом длиной струны (мензурой), потому что чем длиннее струна, тем больше времени понадобится волне, чтобы пробежать туда и обратно. Зажимая лады, человек уменьшает это время, а значит увеличивает частоту. На самом деле на струне может существовать сразу много волн, а время, необходимое для пробегания струны туда-обратно один раз определяет то, что называется основным тоном. Если бы существовал только он — гитара гудела бы как камертон, а богатство её тембра определяется именно дополнительными волнами — обертонами. И всё же, все они зависят от длины вибрирующей струны.
Вся эта конструкция называется акустическим резонатором. То есть это такая система, по которой волна может гулять туда-сюда, а время пробега по этой системе будет определять частоту волн, которые могут в ней существовать. Акустических резонаторов уйма. Любой музыкальный инструмент содержит их так или иначе, да и не только он.
Естественно, отражаясь от порожков, волна теряет часть своей амплитуды. Другая часть уходит на трение о воздух и другие небольшие потери. Поэтому звучание струны довольно быстро затухает, и пройдя сотенку раз туда-обратно, волна перестаёт существовать. Немного грубо, но на первое время достаточно, можно сказать, что число пробегов, в течение которых волна ещё не затухла, определяется параметром, который называется добротностью резонатора. А кроме того этот параметр отвечает ещё за одну важную характеристику: ширину спектра.
Например, если мы настроили гитару с добротностью 100 на Ля первой октавы (440Гц), то "погрешность" частоты, которую мы услышим, будет не больше 4.4Гц. Поскольку Си бемоль первой октавы — это уже примерно 466Гц такая точность нас вполне устроит. Но вот если мы собрали гитару на коленке и сделали это очень плохо, и добротность у неё получилась всего 10, то во-первых звук такой гитары будет слышно очень недолго, а во-вторых он будет "размазан" по частотам и понять, что мы там за ноту сыграли будет уже непросто. То есть короткая нота => широкий спектр, узкий спектр => долгая нота.
Хорошо, а при чём тут два зеркала?
А при том, что многие знают, что свет — это электромагнитная волна. Конечно, тут сейчас должна появиться куча умников, которые скажут, что свет — это и частицы, и вообще. Но ребят, не стоит вскрывать эту тему. Корпускулярные свойства света значительно сложнее для описания, чем волновые, и абсолютно большая часть того, что пишут пикабушники о фотонах — лютая дичь. Фотоны — это сложно.
Ну а как волна свет умеет бегать между двумя зеркалами довольно долго, и для него становится справедливо всё, что мы говорили о звуке. Таким образом, два зеркала, поставленные друг напротив друга, образуют оптический резонатор.
Свету свойственна дифракция, иными словами расплывание. Поэтому если поставить два обычных зеркала друг напротив друга — очень долго его не удержать. Но дифракцию несложно скомпенсировать, сделав одно или оба зеркала вогнутыми. Такой резонатор может стать устойчивым, то есть "удерживать" в себе свет (если он туда как-то попал) сравнительно долго.
Как мы уже знаем, это "долго" характеризуется добротностью. Так вот, если для акустических резонаторов хорошие добротности бывают порядка 100—1000, то для оптических резонаторов добротности могут достигать миллионов и даже миллиардов. Иными словами, у людей есть достаточно хорошие зеркала, чтобы свет "бегал" между ними очень много раз. Хотя самые хорошие резонаторы делаются заметно сложнее, чем просто двумя зеркалами, но всё же. К сожалению, свет бегает так быстро, что даже при добротности в 10 000 000 не очень-то видно, что вспышка удлиняется. Но главная проблема даже не в этом. Ведь существуют резонаторы с добротностью около триллиона, хоть они и устроены несколько сложнее.
Главная проблема, естественно, состоит в том, что мы не можем посмотреть. Если открыть окошко, или поместить внутрь датчик, или сделать что угодно ещё, чтобы зарегистрировать, бегает ли ещё наш свет — добротность тотчас упадёт драматически. Так же и идеальную гитару, с очень высокой добротностью, звучащую бесконечно долго и на строго одной ноте невозможно было бы услышать: пока есть воздух, способный "принести" нам её звук, будет и трение об этот воздух.
Кроме прочего, в обсуждении всплывала идея сделать зеркала прозрачными только "на вход", чтобы накопить побольше света, а потом им бахнуть. Что ж, не смотря на то, что таких зеркал не бывает, идея на самом деле давно реализована и всем знакома. Нет, мы не будем делать зеркало, которое пропускало бы свет только в одну сторону. Но мы можем сделать лучше. Мы можем сделать полупрозрачное зеркало (в обе стороны), а добавлять свет сразу внутри.
Чиво? Объясняю. Проходя, через среду, свет взаимодействует с ней одним из двух способов:
1) поглощение (вошёл фотон, но не вышел, а среда получила энергию).
2) вынужденное испускание (вошёл фотон, а вышло два, а среда отдала энергию).
В обыденной жизни 1 всегда преобладает над 2. Но физики научились создавать то, что называется средой с инверсной заселённостью. Или просто "активной средой". В активной среде 2 преобладает над 1, и проходя через неё, свет будет усиливаться, покуда мы можем "накачивать" среду энергией.
Теперь представьте, что у нас есть специальный кристалл, проходя через который, свет усиливается на 1%. Тогда возьмём резонатор с добротностью хотя бы 200. То есть такой, что за один пробег свет теряет в нём 0.5% энергии. Как я говорил, люди умеют делать резонаторы и сильно лучше. Конечно, там используются не бытовые зеркала вроде вашего трюмо, а штуки посложнее, но можно создать зеркало, которое отражает 99.99% света. Это уже давно не новости науки.
Ну а теперь засунем этот кристалл в наш резонатор. Как вы можете понять, с каждым "пробегом" свет будет терять 0.5% и получать 1%, то есть в среднем он будет усиливаться. Усиливаться он будет внутри, а значит и наружу будет выходить всё больше и больше света. И продолжаться это может столько, сколько мы можем подводить энергию для накачки нашей активной среды. Итак, господа, я уже говорил, что подобная конструкция есть у многих. Время раскрыть карты: я только что описал устройство лазера.
Обратим внимание на то, что резонатор с высокой добротностью заставляет свет быть одноцветным, подобно тому, как длина струны настраивает частоту звука. На самом деле цвет лазера определяется в первую очередь активной средой (не бывает сред, которые усиливают любой свет, только какой-нибудь конкретный), но и резонатор вносит определённый вклад в исключительные свойства лазерного луча.
Гифка в начале поста, вызывающая у всех, знакомых с физикой, полный хохотач, на самом деле оказывается очень недалёкой от того, что делается в жизни. Не хватает только активной среды. А вот если бы мультяшные девочки поместили между своими зеркалами активный кристалл — гифка бы фактически была наглядной демонстрацией принципа работы лазера с модуляцией добротности. То есть такого, в котором резонатор сначала "закрыт", чтобы внутри могло накопиться мощное излучение, а потом открывается, чтобы это излучение выпустить. Вот такие пироги.
Ну и напоследок ещё вопрос, который люди обсуждали в оригинальном посте: "А если бы зеркала отражали 100% света — их бы разорвало от перегрева?"
Нет. Если бы зеркала отражали 100% света — греться бы они не могли, ибо греется только то, что поглощает. Но если бы потом на зеркало попала пылинка — да. Другой вопрос, что существует масса странных эффектов, которые случились бы с воздухом между зеркалами. При малых интенсивностях он бы просто поглощал и рассеивал свет, затем начал бы работать как линза (эффект самофокусировки), чем понизил бы добротность резонатора и остановил дальнейший рост энергии. Если бы удалось его ещё как-то нагрузить — воздух бы превратился в плазму, которая непрозрачна. Если воздух откачать напрочь — ограничений вроде как меньше. Только вакуум не может быть активной средой, поэтому лазер из вакуума не создашь. Но если уже заготовленное очень (ОЧЕНЬ) мощное излучение пустить в вакуум — должен наступить его оптический пробой. Многие слышали, что вещество и антивещество, встречаясь, взаимоуничтожаются (аннигилируют). Теоретически, при ОЧЕНЬ мощном излучении может начаться обратный процесс: вещество и антивещество могут рождаться из фотонов, унося их энергию. Экспериментально это проверить очень непросто, ибо любая активная среда сгорит гораздо раньше. Но определённые подвижки в эту сторону есть.