鏡ばりの部屋に電球を置くとどうなる？

質問

こんにちは。

「光は粒子であり、波でもある」といいますが、もし粒子だとすると、蓄積することもできるんでしょうか？

例えば、全面鏡ばりの部屋に電球を置いて発行させると、室内の光量はどんどん増えていきませんか？

すると、いつかは爆発するのでしょうか？

おわかりになる方、よろしくお願いします。

回答No.7

ichiro-hot

思考実験としては意味が有りますね。
●全面鏡ばりの部屋、これは外から見たら何？
　光すらもれ出てこない部屋、宇宙論で言えば「ブラックホール」ですね。
●「いつかは爆発する」
　宇宙創造は「ビッグバン」から始まったとされています。
　現実には不可能でも、宇宙規模の話であれば考えられるし、実際にそれに近いことがあるということです。

●身近な現実；「電球」だと・・・・
　電球は「熱輻射」という現象を利用しています。高温になった物体が光を発生するという現象です。電子の流れ⇒フィラメントの原子の熱運動⇒高温になったフィラメントの中に生じる電磁波、というエネルギーの変換を利用しています。根本原理で「熱により光を発生」させています。
　だからどこかで熱的な釣り合いが取れた状態があって、そこで電流が流れなくなる、温度がそれ以上上がらなくなる。もしくは高温になってフィラメントが融けてしまうことになるでしょうね。金属は高温になると抵抗が大きくなり、はじめは大きな電流を流せますが、あるところで電流が一定になってそれ以上明るくすることはできません。
　電球にとってはこの熱が問題で、フィラメントが高温になって融けてしまわないように、融点の高い金属＝タングステンを使い、さらに電球から熱を逃がし温度を下げるための工夫がいろいろとしてあります。窒素や不活性気体の封入や、ハロゲンガスの封入はそのためのものです。もしアルミホイルとかで電球をくるんだりすると内部に熱がこもって電球の寿命が非常に短くなってしまうでしょう。
　最近の話題、白色LEDや青色LEDは原理が違い効率は非常によいものの、半導体なのでやはり熱には非常に弱く、ちょっと熱を持つと熱暴走と同じ仕組みで壊れてしまいます。

●物理学史からいうと；
　むしろ逆の方向から研究が始まりました。『高温の物体の温度を測るにはどうするか？』ということです。これは１９ｃ末のドイツで製鉄が発展し、融けた鉄の温度を正確に測る技術研究から始まったとされています。
　高温ではアルコールも水銀も蒸気になってしまいます。８００℃あたりからガラスもとけ、金属を用いた熱伝対温度計もほぼ鉄が溶ける温度が限度です。１５００℃以上の温度をどうすれば測れるか、どのようにすれば「温度計の作れない温度」を計れるか・・・
　答えは加熱された真空の空間の持つ『色』の変化です。８００℃ぐらいまでは赤外線領域にあった光が、やがて赤色の光あたりにピークを持つようになり、もっと高温では青白く光るようになる。この「色の変化」で温度が測れるというわけです。　この光の色の分布（スペクトル分布といいます）の温度変化をうまく説明したのがプランクで、その理論から光が粒子としての性質を持たなければならないという結論が出てきてしまったのです。そこから量子力学が始まっています。
　空間のエネルギー密度が高くなってくると空間の温度が高くなり、光の分布が変わり、だんだん波長の短い光が増えてくる。だから光をためていくと空間の温度が上がって、「より波長の短い別の光になっていく」（空間の色が変わっていく、粒子性がより強くなるので光子ガスといわれたりする）ということも考えられます。

●青い光りよりもっともっと短い光になっていったら？
　このときどうなるでしょう。
　赤い光よりも青い光のほうが光のエネルギーは大きく、波長の短い青い光のほうが粒子の性質が強くなることは知っていますね？さらに可視光線や紫外線よりもっと短い光になっていったら？
　その例に放射線のγ線が有ります。そして狭い空間にγ線があたると電子と陽電子ができるという素粒子論の実験があります。だからエネルギーの大きな光を空間に当てると、その真空から新しい粒子がどんどん沸き出すように生まれてくるかもしれないと考えてもよさそうです。そのように『光をためることができれば真空から素粒子を作り出すことができるようになる』と考えられますね。
　単位に空想ですが、なにもない真空は光や素粒子を生み出すエネルギーがびっちり詰まった爆発寸前の小部屋の集まりかもしれない、と思ったりします。

　光のエネルギーを蓄えることができたら、
　ピンポンだまのようにたまっていくのではなく、ただ同じものが増えていくだけじゃなく，
　違う波長の光になったり、粒子の生成を伴うことも・・・
　といいたかったのですが。

※これは余談です。
　太陽の表面温度や何万光年も離れた星の表面温度を推定するのにこの理論が使われています。星の色が星の温度と関係があるから星の温度を推測することが可能です。
　もう1つ、日本にも製鉄の技術があり、それは「たたら製鉄」といわれています。古くは４C頃？今の岡山県あたりに最古の製鉄炉跡が発見されていると思います。その製鉄の頭領を「村下（むらげ）」といいますが、「村下」はふいごから送る空気の量や加える炭の量を決めるときに、炉の横に空けた小さな穴から内部を覗き込み、その「色」で炉の状態を判断したそうです。これは上の話につながります。
　「村下」は高温の炉を覗き続けるうちに目をやられ失明することもあったとかで、それが「一つ目小僧」の原型だといわれています。私のすんでいた地域に神楽の盛んな地域があって、その神社の祭り神に「一つ目の神」という神様が祭られていることが有ったりしました。伝統的な技術の中で「光の色と温度」の関係を使っていたのですから、日本の技術、すごいと思いませんか？

回答No.6

noname#175206

P.S.

　光を波と考えても粒子と考えても同じことです。エネルギーであることに変わりはありません。

回答No.5

noname#175206

思考実験ですから理想的な状態を考えても良いでしょうね。反射率100%、電球の電力は外から供給とすると、エネルギーは部屋の中に蓄積される一方ですから、光量＝エネルギーはたまり続け、壁面を押す圧力は高くなっていき、いつかは部屋が壊れます。もし部屋の内部に電池が置かれているなら、収支は0ですから光量は増えても、何も起こらない可能性は高くなります。

回答No.4

halnoske

鏡の反射率が100%じゃないので、
減耗の部分は熱になって鏡やその周りの空気を暖めます。

電球をつけてしばらくは部屋の温度がだんだん上昇しますが、
部屋の外と部屋の中との温度差が大きくなるほど、
一定時間内に部屋の中から外に逃げる熱量も大きくなるので、
やがて部屋の温度は一定になります。

鏡の反射率を100%と仮定した場合は…どうなるんだろう、、、
有識者の方教えてください。

部屋の中の気体の分子を振動させて温度が上がるのかな…？
部屋が真空だったらどうなるんだろう…？？

答えになってなくてすみませんが、僕に分かることは以上ですm(＿)m

回答No.3

wand88

蓄積できないから爆発はしません

光が熱に変わってそれが満たされてというのであれば爆発っしますけどね。

回答No.2

sanori

こんばんは。

完全な真空で、反射も理想的（１００％）だとすると、
おっしゃるとおり、室内の光量はだんだん増えていきます。
電源のエネルギーが、光に変わって、それが蓄積していきます。

空気があると、分子に光が当たって、熱になります。
赤外線ヒーターと同じことです。
すると、空気は膨張しますね。
強く密封しているとすると、いつかは爆発するかもしれません。

ご参考になりましたら。

回答No.1

ORUKA1951

それを応用すると
レーザー - Wikipedia ( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%82%B6%E3%83%BC )
になります。