Załóżmy, że wewnątrz cylindra znajduje się pewna ilość światła (promieniowania elektromagnetycznego). Zwróć uwagę, że promieniowanie elektromagnetyczne składa się z cząstek zwanych fotonami, a jeśli weźmiemy pod uwagę, że wewnątrz cylindra znajduje się bardzo duża liczba fotonów, możemy użyć mechaniki statystycznej do stworzenia modelu foton gazu . Tak, system, który opisujesz, będzie zachowywał się jak gaz , a jego właściwości można wyprowadzić ze statystyk i właściwości fotonów.

Jeśli częstotliwość fotonu wynosi $ f $ , jego energia wynosi $ E_γ = hf $ , gdzie $ h $ jest stałą Plancka. Należy również pamiętać, że fotony mają pęd liniowy $$ p = \ frac {E_γ} {c} = \ frac {hf} {c} $$

Ale fakt, że fotony mają niezerowy pęd liniowy oznacza, że ​​będą wywierać nacisk na ścianki cylindra . Gdy foton odbije się od ściany, jego pęd zmieni kierunek, co oznacza, że ​​ściana wywarła siłę na foton, aby zmienić kierunek. Dlatego gaz fotonowy wywiera pressure na ściany .

Można wykazać, że jeśli całkowita energia gazu fotonowego wynosi $ U $ , to zależność między ciśnieniem $ P $ , a objętość $ V $ gazu wynosi $ U = 3PV $ span >.

Jeśli popchniesz tłok, wykonasz pozytywną pracę i tym samym dodasz energię do systemu. Można również wykazać, że jeśli naciskasz tłok bardzo powoli (proces odwracalny), jednocześnie utrzymując izolację układu (przemiana adiabatyczna), zależność między ciśnieniem a objętością będzie wyglądać następująco:

$$ PV ^ {4/3} = \ text {constant} $$

Innymi słowy, yes, światło może być skompresowane i będzie działać jak każdy inny gaz wewnątrz butli.Po naciśnięciu tłoka poczujesz wzrost ciśnienia (ciśnienie gazu fotonowego wzrośnie)!

Ten gaz fotonowy może być użyty do stworzenia prostego modelu gwiazd, jak omówiono w The Feynman Lectures on Physics, tom.1 .Wyprowadzenie innych wyników przedstawionych wcześniej można również znaleźć w tej samej książce.

Jak wskazano w odpowiedzi Yly, wzrost energii podczas naciskania tłoka spowoduje wzrost częstotliwości promieniowania, zasadniczo powodując przesunięcie ku niebieskiemu.

Idealnie jest to w zasadzie to samo, co kompresja gazu kwantowego dowolnego innego bozonu.Makroskopowo, ciśnienie wywierane przez gaz fotonowy na ścianki komory, więc ściskanie tłoka będzie działać, a tym samym zwiększy wewnętrzną energię gazu fotonowego.Mikroskopowo, ściskając komorę, skracamy długości fal obsługiwanych modów, a tym samym zwiększa się częstotliwość i energia fotonów w komorze.Tak czy inaczej, wewnętrzna energia gazu fotonowego wzrośnie.

Dokładna wartość, o jaką wzrasta energia wewnętrzna, zależy od sposobu ściśnięcia tłoka, np.adiabatycznie vs diabatycznie.

W szczególnym przypadku, gdy tłok jest ściskany adiabatycznie, zajęcie komory w każdym trybie pozostaje niezmienione.Czyli światło w komorze zostaje „przesunięte na niebiesko”, ale liczba fotonów w danym trybie nie zmienia się.Podsumowując, światło staje się bardziej niebieskie (wyższa częstotliwość).