سفر به دنیای الکترومغناطیس: نور چیست؟

چشم‌هایمان را باز می‌کنیم و آنچه به ما کمک می‌کند تا عالم اطراف خود را مشاهده کنیم چیزی نیست جز «نور یا همان تابش الکترومغناطیسی. این مولفه خارق‌العاده عالم را برای ما روشن می‌کند و به ما اجازه می‌دهد با دنیای اطراف خود ارتباط برقرار کنیم.

اما چقدر این مولفه اساسی در دنیای اطرافمان را می‌شناسیم؟ آیا از اجزای سازنده آن و یا نحوه گسترش‌اش در عالم اطلاع داریم؟ در این مقاله قرار است وارد دنیای شگفت‌انگیز نور شویم!

نور چیست؟

نور را می‌توان دریچه‌ای به عالم هستی دانست – از مقیاس اتمی تا مقیاس‌های بزرگ کیهانی. نور یا تابش الکترومغناطیسی تقریبا تمام اطلاعات مربوط به عالم را به ما می‌رساند.

نور از بسته‌های گسسته انرژی یا اصطلاحا «کوانتای انرژی» به نام «فوتون» تشکیل شده است. فوتون‌ را می‌توان واحد بنیادی تابش الکترومغناطیس دانست. هنگامی که از کلمه بنیادی صحبت می‌کنیم، بدین معناست که نمی‌توان آن را به ذرات یا اجزایی کوچکتر تجزیه کرد.

نوری که همین لحظه از صفحه نمایش به چشم شما می‌رسد، از میلیاردها میلیارد فوتون تشکیل شده است. به جرات می‌توان گفت در تمام صنایع کاربرد دارد. هرچه بیشتر به نور و کاربردهای آن در دنیای روزمره فکر می‌کنیم، بیشتر متوجه می‌شویم زندگی ما حول نور بنا شده است. ما به صورت پیوسته به فوتون‌ها نیاز داریم.

اما این فوتون‌ها تحت چه رفتاری به چشمان ما می‌رسند؟

تابش الکترومغناطیسی

در علم فیزیک، امواج به دو دسته «امواج مکانیکی» و «امواج الکترومغناطیسی» تقسیم می‌شوند. امواج مکانیکی آن دسته از امواجی هستند که برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند. به عنوان مثال، می‌توان به «صوت» اشاره کرد. امواج صوتی در خلاء منتشر نمی‌شوند.

از سوی دیگر، امواج الکترومغناطیسی برای انتشار نیاز به محیط مادی ندارند و در خلاء نیز انتشار می‌یابند. می‌توان گفت امواج الکترومغناطیسی اساسا رسانه خودشان هستند. مثلا، نور یک موج الکترومغناطیسی – تابش الکترومغناطیسی – است. پس به عبارت دیگر، نور نوعی انرژی است.

طیف‌های تابش الکترومغناطیسی

با این‌حال در نظر داشته باشید که یک تابش الکترومغناطیس که ما آن را نور می‌نامیم، شامل تمام طیف الکترومغناطیسی است. این گستره برحسب افزایش بسامد (متناظر با کاهش طول موج) عبارت است از: امواج رادیویی، ریزموج، فروسرخ (مادون قرمز)، نور مرئی، فرابنفش، پرتو ایکس و پرتو گاما. در این گستره تنها نور مرئی با چشم غیرمسلح قابل دیدن است.

تمام این امواج الکترومغناطیسی با سرعت نور حرکت می‌کنند، اما هرکدام برهمکنش متفاوتی با ماده دارند. به عنوان مثال، درحالیکه اشعه ایکس می‌تواند از پوست بدن انسان عبور کند، نور مرئی چنان توانایی را ندارد. برهمکنش نور – همان موج الکترومغناطیسی – با ماده به فرکانس آن بستگی دارد.

جالب است بدانید تمام اجسام تابش الکترومغناطیسی دارند. اکثر اجسام تشعشعات الکترومغناطیسی را در طیف مادون قرمز انجام می‌دهند – که این تابش با چشم غیرمسلح قابل دیدن نیست.

اما اگر یک دوربین مادون قرمز دستی داشته باشیم، می‌توانیم تابش‌های اجسام با رنگ‌های مختلف که ناشی از دمای آن‌ها است را، ببینیم. اجسام با گرم‌تر شدن طول موج‌های کوتاه‌تری ایجاد می‌کنند. اما در دماهای بالاتر، نور فرابنفش تولید می‌شود.

دوگانگی موج-ذره

فیزیکدانان سال‌ها برای درک رفتار امواج الکترومغناطیسی مطالعه کرده‌اند. آن‌‌ها درنهایت با انجام آزمایشات متعدد مانند آزمایش «فوتوالکتریک» یا مطالعه پدیده «کامپتون» دریافتند فوتون‌ها رفتار دوگانه دارد. به عبارت دیگر، مانند سایر ذرات زیراتمی، فوتون‌ها رفتار دوگانه موج-ذره دارند.

بدین ترتیب، فوتون‌ها گاهی رفتار موجی دارند و همانند امواج در فضا گسترش پیدا می‌کنند – نحوه گسترش یک موج روی سطح یک برکه آرام پس از انداختن یک سنگ کوچک را تصور کنید – و گاهی نیز رفتار ذره گونه دارند و به صورت ذرات نقطه مانند رفتار می‌کنند.

حالا که می‌دانیم با رفتار دوگانه خود در فضا منتشر می‌شود، آیا می‌توانیم سرعت انتشار آن را بدست آوریم؟ آیا به یک عدد ثابت – که به عنوان ثابت جهانی شناخته شده است – دست می‌یابیم؟

سرعت نور

باز هم پای «آلبرت اینشتین» به میان آمد! این اعجوبه دنیای علم در سال 1905 با بیان جمله‌ای عجیب تحولی در دنیای فیزیک ایجاد کرد. او گفت: «سرعت نور ثابت است!». این نکته درک ما از ماهیت نور را به کلی تغییر داد.

امروزه ما می‌دانیم هیچ چیز نمی‌تواند از نور سریع‌تر باشد! به عبارت دیگر، نور همیشه پرسرعت‌ترین است – حداقل در تئوری. شاید بتوان روزی در عالم ذراتی را کشف کرد که قادر هستند با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کنند.

اما حالا فوتون‌ها هستند که به علت نداشتن جرم می‌توانند با بالاترین سرعت ممکن در عالم حرکت کنند. به عبارت دیگر، بدون جرم بودن فوتون‌ها به آن‌ها اجازه می‌دهد که به حد بالای سرعت در عالم دست‌ یابند.

سرعت نور یک ثابت اساسی در طبیعت است که اهمیت آن بسیار گسترده‌تر از نقش آن در توصیف امواج الکترومغناطیسی است. سرعت نور به عنوان یک کران بالا برای سرعت انتشار سیگنال‌ها و ذرات مادی در عالم در نظر گرفته می‌شود.

مقدار دقیق سرعت نور در خلاء دقیقاً ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه است. این رقم را می‌توان با سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه نیز تقریب زد. دقت کنید که این رقم، درحقیقت سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در خلاء است.

سرعت نور که به عنوان یک ثابت بنیادی در نظر گرفته می‌شود، در معادله معروف نسبیت خاص اینشتین E=mc^2 ظاهر می‌شود. مشاهده می‌کنیم که در این رابطه، سرعت نور که با c نشان داده شده است، انرژی (E) و جرم (m) را بهم مرتبط می‌کند.

ثابت بودن سرعت نور به چه معناست؟

اینشتین در پاسخ به این سوال، بینشی غیرمنتظره و متناقض داشت: سرعت نور از یک منبع متحرک برابر با سرعت نور از یک منبع ساکن است.

به عنوان مثال، پرتوهای نوری که از یک فانوس دریایی منتشر می‌شوند با پرتوهای نور چراغ‌ یک ماشین درحال حرکت و یا یک جت مافوق سرعت، سرعت برابری دارند و همگی با سرعت ثابتی که توسط ناظر اندازه‌گیری می‌شوند، حرکت می‌کنند – علیرغم تفاوت در سرعت حرکت منابع این پرتوها.

پس سرعت نور در خلاء مقداری ثابت است و به سرعت حرکت منبع خود بستگی ندارد.

بدین ترتیب، اکنون می‌دانیم سرعت نور یک حد نظری است و هیچ چیز نمی‌تواند به سرعت نور برسد.

ستاره‌شناس دانمارکی و اندازه‌گیری سرعت نور

تلاش دانشمندان و فیزیکدانان برای درک نور و ماهیت آن به زمان‌های گذشته برمی‌گردد. «اولاوس رومر» اولین ستاره‌شناسی بود که موفق به اندازه‌گیری سرعت نور در سال 1676 شد. درحقیقت، او در هنگام مشاهده فاصله زمانی بین کسوف‌های متوالی قمرهای مشتری دریافت سرعت انتشار نور چقدر است – با این‌حال، ثابت بودن این سرعت در قرن پیش به اثبات رسید.

پس از آن دانشمندان همواره در تلاش بودند تا رقم بدست آمده توسط رومر را با دقت بیشتری اندازه گرفته و مقدار آن را تصحیح کنند.

گول نخورید. سرعت نور همیشه ثابت نیست!

شاید همه ما بارها شنیده‌ باشیم که سرعت نور با رقم سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه یک ثابت جهانی است. حتی ما نیز در بخش پیش به آن اشاره کردیم. اما گول نخورید! سرعت نور ثابت نیست. پس منظور ما از رقم مذکور چیست؟

نکته اینجاست که نور بسته به محیطی که در آن حرکت می‌کند، می‌تواند سرعت‌های مختلفی داشته باشد.

این عبارت که سرعت نور مقداری ثابت و برابر با سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه است، تنها برای خلاء صحت دارد. پس تنها در خلاء است که هیچ چیز نمی‌تواند از نور پیشی بگیرد. با این‌حال، اگر یک ناحیه حاوی ماده باشد – حتی در حد گرد و غبار – می‌تواند سبب کاهش سرعت نور شود.

نوری که در جو زمین حرکت می‌کند، با همان سرعت نور در خلا درحرکت است. درحالیکه نوری که از درون یک الماس می‌گذرد، به سرعتی کمتر از نصف سرعت مذکور می‌رسد.

محدودیت سرعت نور، محدودیت پرواز ما!

هر زمان که کسی برای چیزی محدودیت قائل می‌شود، ما تمایل داریم به نحوی آن محدودیت را از بین ببریم. خیال‌پردازی در مورد حرکت با سرعتی بیشتر از سرعت نور همیشه وجود داشته است و در داستان‌های علمی-تخیلی بسیار با آن روبرو شده‌ایم.

جهان ما – حدی در حد کهکشان راه شیری – مکان بزرگی است. سریع‌ترین فضاپیمایی که ناسا درحال حاضر دارد، فضاپیمای «Solar Probe Plus» است که برای در سال 2018 با هدف نزدیک شدن به خورشید به آسمان پرتاب شد. این فضاپیما دارای حداکثر سرعت 200 کیلومتر بر ثانیه است. با این سرعت می‌توان در عرض نیم ساعت از زمین تا ماه را سفر کرد.

شاید به ظاهر سریع به نظر برسد. اما در مقایسه با سرعت نور مقدار بسیار ناچیزی است. فرض کنیم خدمه و سفینه می‌توانستند برای مدتی طولانی با چنین سرعتی حرکت کنند. با این‌حال حدود 6400 سال طول می‌کشد تا این فضاپیما با سرعت مذکور به نزدیکترین ستاره یعنی «پروکسیما قنطورس» برسد – در این مقاله، رصد دورترین ستاره در عالم را بررسی کرده‌ایم.

پس اگر بنا باشد نسبیت خاص را بپذیریم، می‌بینیم که اوضاع برای ما اندکی پیچیده است.

داستان‌های علمی-تخیلی بسیاری هستند که تلاش دارند با مطرح کردن حرکت با سرعت بیشتر از سرعت نور، بر چنین محدودیت‌هایی غلبه کنند. اما باید بدانیم حرکت با سرعتی بیشتری از نور سبب نقض قوانین علت و معلولی می‌شود، پس ما برطبق قوانین عالم ناچار به پذیرفتن این حد بالا برای سرعت هستیم.

تابش الکترومغناطیسی که از گذشته می‌آید!

همه ما می‌دانیم برای آنکه بتوان جسمی را مشاهده کرد، باید پرتو نوری از آن به مردمک چشم ما برسد.

البته باید ذکر کنیم نور به دو صورت وارد چشم ما می‌شود: منبع نور (مانند لامپ) نور ایجاد می‌کند که مستقیما آن پرتوهای نور وارد چشم می‌شوند که مغز سیگنال آن را به عنوان نور تفسیر می‌کند و یا یک منبع نور به یک جسم می‌تابد و ما سپس انعکاس آن نور از جسم مذکور را دریافت می‌کنیم.

حالا فرض کنید که تلاش داریم تا اجرام سماوی – که در فاصله دوری از ما قرار دارند را – تماشا کنیم. بدیهی است که هرچه فاصله جسم با ما بیشتر باشد، پرتو نور آن باید مسافت طولانی‌تری را تا رسیدن به چشم ما بپیماید.

همین امر سبب می‌شود ما در هنگام اجرام سماوی – اجرام دور – همواره گذشته آن‌ها رصد کنیم. به عنوان مثال، هر فوتون نور خورشید حدود هشت دقیقه زمان نیاز دارد تا از سطح خورشید به چشم ما برسد. به عبارت دیگر، ما هر زمان که خورشید را رصد می‌کنیم، درحقیقت هشت دقیقه قبل آن را می‌بینیم.

حالا جرم سماوی دورتری را درنظر بگیرید. به عنوان مثال، «آلفا قنطورس» که نزدیکترین منظومه ستاره‌ای به ماست، حدود 4.3 سال نوری از ما فاصله دارد. پس می‌توان گفت 4.3 سال طول می‌کشد تا نور آن را دریافت کنیم.

سلام مجدد به اینشتین!

درک ما از سرعت نور از نظریه «نسبیت خاص» ناشی می‌شود که بیان می‌کند هرچه سرعت حرکت جسمی به سرعت نور نزدیک‌تر شود، نرخ گذر زمان کاهش می‌یابد. به عبارت دیگر، هرچه سرعت حرکت جسمی به سرعت نور نزدیک‌تر شود، عقربه‌های ساعت متحرک کندتر حرکت می‌کنند.

با این‌حال، ریاضیاتی که در توصیف نظریه نسبیت خاص به کار برده می‌شوند، فقط برای اجسامی کاربرد دارد که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند. این روابط مستقیما برای فوتون‌ها که با سرعت نور حرکت می‌کنند، به کار برده نمی‌شود.

پس نمی‌توان گفت یک فوتون از نظر زمانی چه چیزی را تجربه می‌کند. به عبارت دیگر، دانشمندان زبان ریاضی لازم برای توصیف آن را ندارند. برخی استدلال می‌کنند که مفهوم جریان زمان – پیشروی زمان – برای فوتون‌ها تعریف نشده و بی‌معناست.

سال نوری

حالا با دانستن نکات مذکور، می‌توانیم اصطلاح «سال نوری» را به درستی تعریف کنیم. اساساً مسافتی که نور در طول یک سال طی می‌کند را سال نوری می‌گویند.

در علم نجوم، به علت آنکه فواصل میان اجرام بسیار بسیار زیاد است، استفاده از مفهوم سال نوری در توصیف مسافت‌ها بسیار رایج است.

در مقیاس‌های بزرگتر که عمدتا در علم کیهانشناسی تعریف می‌شوند، از مفهوم سال نوری و سرعت نور برای تعریف فواصل کیهانی برحسب واحدهایی مانند «پارسِک» یا «مگا پارسک» استفاده می‌شود.

امیدواریم از خواندن این مطلب لذت برده باشید.