به گزارش آماج، خاموش‌کردن چراغ یکی از عادی‌ترین اتفاق‌های روزمره است؛ اما پشت تاریکی ناگهانی اتاق، فرایندی فیزیکی جریان دارد که کمتر به آن فکر می‌کنیم. وقتی کلید برق را می‌زنیم، به نظر می‌رسد نور یک‌باره ناپدید می‌شود، اما فوتون‌هایی که پیش از خاموش‌شدن لامپ در اتاق حرکت می‌کردند، واقعاً غیب نمی‌شوند. آن‌ها در مدت‌زمانی بسیار کوتاه با دیوارها، وسایل و دیگر سطوح برخورد می‌کنند و انرژی‌شان به شکل‌های دیگری تبدیل می‌شود.
نور چیست و فوتون‌ها چگونه حرکت می‌کنند؟
نور نوعی تابش الکترومغناطیسی است که می‌توان آن را در قالب بسته‌های کوچک انرژی به نام «فوتون» توصیف کرد. فوتون‌ها در خلأ با سرعتی نزدیک به ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. نور در فیزیک کوانتومی هم ویژگی‌های ذره‌ای دارد و هم رفتار موج‌مانند نشان می‌دهد، اما برای درک اتفاقی که پس از خاموش‌کردن چراغ رخ می‌دهد، می‌توان حرکت فوتون‌ها و برخورد آن‌ها با سطوح را در نظر گرفت.
ما اجسام را زمانی می‌بینیم که نور به آن‌ها برخورد کند و بخشی از آن به سمت چشم بازتاب پیدا کند. برای مثال، وقتی نور لامپ به میز می‌تابد، بخشی از آن جذب سطح میز می‌شود و بخشی دیگر بازتاب پیدا می‌کند. نور بازتاب‌شده وارد چشم می‌شود و مغز با پردازش اطلاعات دریافتی، تصویر میز را شکل می‌دهد.
لامپ نیز مانند مخزنی نیست که مقدار مشخصی نور را برای استفاده در آینده ذخیره کرده باشد. لامپ تا زمانی که انرژی دریافت می‌کند، فوتون تولید می‌کند و با قطع جریان برق، تولید نور آن متوقف می‌شود یا به‌سرعت کاهش می‌یابد.
پس از خاموش‌شدن لامپ چه اتفاقی می‌افتد؟
در لامپ‌های رشته‌ای، عبور جریان برق رشته‌ای فلزی را داغ می‌کند و باعث انتشار نور می‌شود. با قطع برق، رشته به‌سرعت سردتر می‌شود و تابش مرئی آن کاهش می‌یابد. در لامپ‌های LED سازوکار تولید نور متفاوت است، اما نتیجه کلی مشابه است: با قطع برق، تولید فوتون‌های جدید تقریباً متوقف می‌شود.
بااین‌حال، فوتون‌هایی که پیش از خاموش‌شدن لامپ در اتاق حضور داشته‌اند، همچنان به حرکت خود ادامه می‌دهند. این فوتون‌ها پس از برخورد با سطوح مختلف ممکن است بازتاب پیدا کنند، جذب شوند یا در مواد شفافی مانند شیشه از آن‌ها عبور کنند.
در یک اتاق معمولی، دیوارها، فرش، میز، لباس و سایر وسایل نه تمام نور را بازتاب می‌دهند و نه همه آن را جذب می‌کنند. بخشی از نور در هر برخورد بازتاب می‌شود و بخشی دیگر جذب سطح می‌شود. فوتون‌های بازتاب‌شده ممکن است دوباره به سقف، کف یا وسایل دیگر برخورد کنند؛ اما در هر مرحله بخشی از انرژی نور جذب می‌شود و شدت نور باقی‌مانده کاهش می‌یابد.
چرا تاریکی تقریباً آنی به نظر می‌رسد؟
سرعت بسیار زیاد نور باعث می‌شود این فرایندها در زمانی کوتاه‌تر از توان تشخیص معمول چشم و مغز انسان رخ دهند. نور در یک میلیونیوم ثانیه حدود ۳۰۰ متر حرکت می‌کند؛ بنابراین می‌تواند در همین مدت چندین بار طول یک اتاق معمولی را طی کند و به سطوح مختلف برخورد داشته باشد.
به همین دلیل، پس از خاموش‌کردن چراغ، فرصت نمی‌کنیم حرکت آخرین فوتون‌ها و جذب تدریجی آن‌ها را ببینیم. در شرایط معمول، بخش عمده نور مرئی در مدت‌زمانی بسیار کوتاه جذب می‌شود و اتاق برای ما تقریباً بلافاصله تاریک به نظر می‌رسد.
چرا بعضی اجسام نور را بازتاب می‌دهند و بعضی دیگر جذب می‌کنند؟
میزان بازتاب و جذب نور به ویژگی‌های ماده، ساختار سطح و طول موج نور بستگی دارد. برای نمونه، یک توپ قرمز زیر نور سفید، بخشی از طول موج‌ها را جذب می‌کند و نور قرمز را بیشتر به سمت چشم بازمی‌تاباند. به همین دلیل، توپ را قرمز می‌بینیم.
آینه‌ها بخش زیادی از نور مرئی را بازتاب می‌دهند، درحالی‌که بسیاری از سطوح مات، مانند دیوار یا فرش، بخشی از نور را جذب و بخش دیگری را در جهت‌های مختلف پراکنده می‌کنند. حتی آینه‌های بسیار بازتابنده نیز کاملاً بی‌نقص نیستند و مقداری از انرژی نور را جذب می‌کنند.
اگر اتاقی فرضی با دیواره‌هایی ساخته می‌شد که تقریباً تمام نور را بدون جذب بازتاب می‌دادند، نور می‌توانست مدت بیشتری میان دیوارها رفت‌وبرگشت کند. اما در محیط‌های واقعی، جذب نور در سطوح مختلف باعث می‌شود نور مرئی به‌سرعت تضعیف شود.
آیا انرژی فوتون‌های جذب‌شده از بین می‌رود؟
خیر. انرژی از بین نمی‌رود، بلکه در جریان برهم‌کنش نور با ماده به شکل‌های دیگری تبدیل می‌شود. هنگامی که سطح یک جسم فوتون را جذب می‌کند، انرژی آن می‌تواند به افزایش انرژی حرکت و ارتعاش اتم‌ها و مولکول‌های ماده منجر شود. در نتیجه، بخشی از انرژی نور به گرما تبدیل می‌شود.
البته گرمای حاصل از جذب نور یک لامپ معمولی در مدت بسیار کوتاه، معمولاً آن‌قدر اندک است که نمی‌توان آن را احساس کرد. بنابراین، اگرچه انرژی فوتون‌ها به محیط منتقل می‌شود، این اتفاق به معنای گرم‌شدن محسوس اتاق پس از خاموش‌کردن چراغ نیست.
نکته جالب این است که اجسام پس از جذب انرژی نیز می‌توانند تابش الکترومغناطیسی منتشر کنند. تقریباً هر جسمی که دمای آن بالاتر از صفر مطلق باشد، تابش حرارتی دارد. در دمای معمولی اتاق، بخش عمده این تابش در محدوده فروسرخ قرار می‌گیرد؛ محدوده‌ای که چشم انسان قادر به دیدن آن نیست.
آیا در تاریکی هیچ نوری وجود ندارد؟
خاموش‌شدن چراغ به این معنا نیست که اتاق کاملاً از تابش الکترومغناطیسی خالی شده است. آنچه به‌سرعت از بین می‌رود، نور مرئی ناشی از لامپ است که چشم انسان می‌تواند تشخیص دهد. اجسام داخل اتاق همچنان تابش حرارتی، عمدتاً در محدوده فروسرخ، منتشر می‌کنند.
به همین دلیل، دوربین‌های حرارتی می‌توانند در محیطی که برای چشم انسان تاریک است، تفاوت دمای اجسام را آشکار کنند. این دوربین‌ها تابش فروسرخ را ثبت می‌کنند، نه اینکه نور مرئی معمولی را مانند چشم انسان ببینند.
پاسخ نهایی؛ فوتون‌ها ناپدید نمی‌شوند
وقتی چراغ را خاموش می‌کنیم، تولید فوتون‌های جدید تقریباً متوقف می‌شود. فوتون‌های باقی‌مانده نیز پس از برخوردهای پی‌درپی با دیوارها و وسایل، عمدتاً جذب می‌شوند و انرژی آن‌ها به شکل‌های دیگری، به‌ویژه گرما، درمی‌آید.
بنابراین، نور به معنای واقعی کلمه ناپدید نمی‌شود؛ بلکه انرژی آن منتقل و تبدیل می‌شود. تاریکی ناگهانی اتاق نتیجه سرعت بسیار زیاد نور و جذب سریع آن در محیط است؛ فرایندی که آن‌قدر سریع رخ می‌دهد که برای ما تقریباً آنی به نظر می‌رسد.
برای خواندن مطالب بیشتر درباره فیزیک، فناوری و شگفتی‌های جهان، به آماج مراجعه کنید.
