האם אפשר ללכוד אור בקופסה?

האם אפשר לכלוא גלי אור בקופסה שדפנותיה הפנימיות מכוסות מראות שמחזירות 100% מהאור? ואם כן, מה יקרה אם הקופסה תלך ותתכווץ?

תודה, אבי כ'

לא תאמין כמה שעות ביליתי בילדותי במחשבה על השאלה הזאת. ואז למדתי קצת פיזיקה.

אור, אתה בטח יודע, עשוי פוטונים שטסים - איזו הפתעה - במהירות האור. אם הם לא פוגעים בשום דבר הם ממשיכים לטוס באותו כיוון, אך הפוטונים בקופסה הדמיונית שלך יפגעו כמעט מיד באוויר, שעשוי מאטומים, וכשפוטון פוגע באטום הוא נבלע בו.

עכשיו לאטום יש עודף קטן של אנרגיה שהוא קיבל מהפוטון, והוא צריך להחליט מה לעשות איתה. האוויר שקוף, וזה אומר שברוב המקרים האטום פשוט יפלוט פוטון מהצד השני כאילו לא אירע דבר. התהליך הזה עדיין לוקח קצת זמן, ולכן האור מתקדם לאט יותר באוויר מאשר בריק. הפוטונים עצמם לא מאטים, אך התנועה שלהם נהיית מקוטעת.

האוויר אינו שקוף לחלוטין. לפעמים האטומים שלו פולטים את הפוטון לכיוון אחר והאור מתפזר צילום: שאטרסטוק

אבל האוויר אינו שקוף לחלוטין. לפעמים האטומים שלו פולטים את הפוטון לכיוון אחר והאור מתפזר (זה מה שצובע את האטמוספרה בכחול ומסתיר לנו את הכוכבים). ולפעמים במקום לפלוט את הפוטון הוא פולט אלקטרון והופך לחומר קצת אחר, או סתם בולע את האור ומתחמם. כך או כך, בכל התנגשות יש לפוטון סיכוי מסוים להפסיק להיות אור. וכיון שהפוטונים בקופסה שלך רצים הלוך ושוב במהירות עצומה, מספר ההתנגשויות עצום גם הוא, ובתוך זמן קצר כל האור יתפוגג.

אתה יכול להתגבר על המכשול הזה אם תשאב מהקופסה את כל האוויר, אך היא עדיין לא תהיה ריקה. יש בה אור, זוכר? ואור יכול להתנגש באור. לפעמים אורות מתנגשים מגבירים זה את זה, לפעמים הם מבטלים זה את זה, ובאופן כללי אנחנו נכנסים לסוג החישובים שמככבים בסיוטי הלילה של סטודנטים לפיזיקה. אז בוא נגיד שאנחנו מאד נזהרים ומכוונים את האור כך שלא יתנגש בעצמו לעולם.

הדבר היחיד שהאור אמור להתנגש בו זו המראה, וכשפוטון פוגע בה היא יורקת אותו בדיוק בזווית ההפוכה לזו שבה הוא הגיע (ביחס לכיוון המראה, כמובן). אפילו ללא מראה מושלמת, אגירת אור בין שתי מראות היא טריק שימושי. רוב מכשירי הלייזר מבוססים על שתי מראות שמשחקות פינג פונג עם קרני אור בזמן שהמכשיר מזרים לתוכן עוד ועוד אנרגיה. אבל אצלנו המראה מושלמת, מה שאומר שהיא לעולם לא תבלע פוטון, או תחזיר אותו לכיוון הלא נכון.

בהינתן מראה קסומה כזו, האור ימשיך לנוע בקופסה לנצח. ואם תפתח אותה ברגע המתאים תזנק לך קרן אור קצרצרה החוצה (אורכה, מן הסתם, יהיה תלוי בממדי הקופסה). קסם אמיתי. וזה ימשיך לעבוד גם אם הקופסה תתכווץ. מובן שככל שהקופסה קטנה יותר, כך יקשה עליך יותר למנוע מהאור המוחזר להתנגש בעצמו, אבל אתה עושה רושם של בחור מוכשר. אני סומך עליך שתסתדר.