سرعت نور چیست؟

بیگ بنگ: فلاسفه و پژوهشگران از دیرباز در جستجوی راه هایی برای درک نور بوده اند. آنان علاوه بر تلاش برای درک ویژگی های اصلی نور(اینکه نور از ذره یا موج تشکیل شده)، در خصوص اینکه نور با چه سرعتی حرکت می کند، محاسبات متناهی انجام داده اند. دانشمندان از اواخر قرن هفدهم محاسبات را با تاکید بر افزایش دقت در دستور کار خود قرار داده اند. به همین منظور، آنان به بینش بهتری پیرامون مکانیک نور و نقش مهمی که در فیزیک، اخترشناسی و کیهان شناسی ایفا می کند، دست یافته اند. به عبارت ساده تر، نور با سرعتی باورنکردنی حرکت می کند و سریع ترین چیزی است که در جهان شناخته می شود.

به گزارش بیگ بنگ، سرعت نور بصورت یک ثابت و مانعی غیر قابل شکست در نظر گرفته شده و به عنوان ابزاری جهت اندازه گیری مسافت مورد استفاده قرار می گیرد. اما سرعت حرکت نور چقدر است؟ نور با سرعت ثابت ۱,۰۷۹,۲۵۲,۸۴۸٫۸ (۱٫۰۷ میلیارد) کیلومتر بر ساعت حرکت می کند. بعبارت دیگر، نور در ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه قابلیت حرکت دارد. با در نظر گرفتن اعداد فوق، اگر شما می توانستید با سرعت نور حرکت کنید، شما از توانایی پیمودن جهان به تعداد هفت و نیم بار در یک ثانیه برخوردار می بودید.

همچنین، شخصی که با سرعت متوسط ۸۰۰ کیلومتر بر ساعت پرواز می کند، می تواند در بیش از ۵۰ ساعت یکبار دور سیاره بچرخد. از دیدگاه اخترشناسی، فاصله میانگین از زمین تا ماه ۳۸۴,۳۹۸٫۲۵ کیلومتر میباشد. نور این فاصله را در حدود یک ثانیه می پیماید. علاوه براین، فاصله میانگین از خورشید تا زمین تقریبا ۱۴۹,۵۹۷,۸۸۶ کیلومتر می باشد. این بدان معناست که نور در حدود هشت دقیقه آن مسافت را در می نوردد.

تصویر نشان دهنده ی مسافتی که نور بین زمین و خورشید طی می کند.

پس اندکی جای تعجب دارد که چرا سرعت نور به عنوان متریک برای تعیین فواصل نجومی استفاده می شود. زمانی که گفته می شود ستاره ای نظیر پروکسیما سنتوری ۴٫۲۵ سال نوری از زمین فاصله دارد، بدان معناست که با سرعت ثابت ۱٫۰۷ میلیارد کیلومتر بر ساعت، چهار سال و سه ماه طول می کشد تا مسافت مورد نظر طی گردد. اما ما چگونه به این اندازه گیری دقیق از سرعت نور دست یافتیم؟

تاریخچه مطالعات:

پژوهشگران تا قرن هفدهم از این مسئله اطمینان نداشتند که آیا نور با سرعتی متناهی حرکت می کند یا بصورت آنی. از یونان باستان گرفته تا دانشمندان عصر مدرن این بحث ادامه پیدا کرد و نقطه نظرات مختلفی هم مطرح شد. اما تحقیقات اخترشناس دانمارکی به نام اول رومر نخستین اندازه گیری کمّی را در پی داشت.

مشاهدات رومر در سال ۱۶۷۶ نشان داد که دوره های ماه در مشتری با نزدیک شدن زمین به مشتری کوتاه تر می شود. بنا به این ادعا، وی نتیجه گرفت که نور با سرعتی متناهی حرکت می کند. بر اساس برآوردهای این محقق، در حدود ۲۲ دقیقه زمان برای پیمودن قطر مدار زمین لازم است.

عکسی از پروفسور آلبرت اینشتین در حال سخنرانی در موسسه فناوری کارنگی در تاریخ ۲۸ دسامبر ۱۹۳۴ – او در این سخنرانی به تفسیر نظریه اش در خصوص یکسان بودن ماده و انرژی ولی موجودیت آنها به اشکال مختلف می پردازد.

کریستین هویگنس از این ارزیابی بهره جسته و آن را با ارزیابی قطر مدار زمین ادغام نمود تا به ۲۲۰ هزار کیلومتر بر ثانیه برسد. آیزاک نیوتن نیز اشاراتی پیرامون محاسبات رومر در پژوهش های أپتیک خود داشته است. او با بررسی فاصله میان زمین و خورشید به این محاسبه دست یافت که نور می تواند در طول هفت یا هشت دقیقه از یکی به دیگری حرکت کند.

اندازه گیری های بعدی انجام شده توسط فیزیکدان های فرانسوی به نام های هیپولیت فیزو و لئون فوکو محاسبات‌ قبلی را اصلاح و تکمیل کرد. ماحصل این کارها، مقدار ۳۱۵ هزار کیلومتر بر ثانیه بود. و دانشمندان در نیمه ی دوم قرن نوزدهم به پیوند میان نور و الکترومغناطیس پی بردند. دانشمندانی که مسئولیت اندازه گیری بارهای الکترومغناطیسی و الکترواستاتیکی را برعهده داشتند، از این مسئله با خبر گشتند. بر طبق یافته های بعدی آنان، مقدار عددی بسیار نزدیک به سرعت نور بود.

نظریه ارائه شده توسط فیزئو نشان داد که امواج الکترومغناطیسی در فضای خالی انتشار می یابند. فیزیکدان آلمانی ویلهلم ادوارد مدعی شد که نور یک نوع موج الکترومغناطیسی است. پیشرفت چشمگیر دیگری در اوایل قرن بیستم به دست آمد. آلبرت اینشتین در مقاله ی سال ۱۹۰۵ خود با عنوان ” الکترودینامیک اجرام در حال حرکت ” تصریح نمود که سرعت نور در خلا در کلیه ی نظام های مرجع یکسان و مستقل از منبع یا ناظر است.

تابش پرتو لیزری بر روی لیوانی پر از آب نشان دهنده ی میزان تغییرات سرعت به محض عبور آن از هوا به درون شیشه و آب می باشد.

اینشتین به کمک این ایده و اصل نسبیت گالیله توانست نظریه نسبیت خاص را مطرح نماید که طی آن، سرعت نور در خلا ثابت است. قبل از نظریه فوق، دانشمندان اتفاق نظر داشتند که فضا با اتر درخشانی(ماده ای نامرئی که معتقد بودند فضا را پر کرده و موجب انتقال امواج نور و غیره می شود) پر شده است. این بدان مفهوم بود که سرعت اندازه گیری شده ی نور مجموع ساده ای از سرعت در محیط به اضافه ی سرعت آن محیط می باشد. با این حال، نظریه اینشتین به شکل موثری مفهوم اتر ساکن را بی اعتبار کرده و انقلابی در مفاهیم فضا و زمان پدید آورد.

نظریه وی نه تنها این ایده را در بر داشت که سرعت نور در کلیه نظام های مرجع یکسان است، بلکه موجب گسترش این گفتمان شد که در صورت حرکت چیزی نزدیک به سرعت نور، تغییرات شگرفی حاصل می آید. مشاهدات او با معادلات الکتریسیته و مکانیک ماکسول مطابقت داشت. لذا محاسبات ریاضی با کنار گذاشتن توضیحات اضافی که توسط سایر دانشمندان مورد استفاده قرار می گرفت، تسهیل پیدا کرد. سرانجام، شاهد تطابق محاسبات با سرعت مشاهده شده ی نور هستیم. در طول نیمه دوم قرن بیستم، اندازه گیری های بسیار دقیق حاصل از تداخل سنج های لیزری و روش های رزونانس باعث شفاف تر شدن برآورد ها از سرعت نور گردید. در سال ۱۹۷۲ میلادی، گروهی در سازمان استاندارد ایالات متحده در بولدر کلرادو از روش تداخل سنج لیزری برای به دست آوردن مقداری هم اکنون ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه می باشد، استفاده کردند.

نقش سرعت نور در اختر فیزیک:

نظریه اینشتین که می گوید سرعت نور در خلأ مستقل از حرکت منبع است از آن زمان تاکنون بارها توسط دانشمندان طی آزمایش های مختلف مورد تأیید قرار گرفته است. این نظریه همچنین بیان می دارد که تمامی امواج و ذرات بدون جرم از قابلیت حرکت در خلأ برخوردار اند. یکی از پیامد های چنین ایده ای آن است که اکنون کیهان شناسان فضا و زمان را به عنوان یک ساختار متحد در نظر گرفته و آن را فضا زمان می نامند. سرعت نور در این ساختار برای تعریف مقادیر استفاده می شود. اندازه گیری سرعت نور نیز به هنگام تعیین میزان بسط کیهانی حائز اهمیت بسیاری است.

با آغاز مشاهدات ادوین هابل و لمیتر در دهه‌ی ۱۹۲۰ میلادی، دانشمندان و اخترشناسان از موضع آگاهی یافتند که جهان در حال انبساط و گسترش است. بر اساس مشاهدات این تلسکوپ ها، هرقدر کهکشانی در دوردستها واقع شده باشد، سرعت حرکت آن زیادتر خواهد بود. در آن چیزی که اکنون به عنوان پارامتر هابل شناخته می شود و با سرعت کهکشان های دورتر بدلیل انبساط کیهان در حال فاصله گرفتن از ما هستند.

این پدیده از دیدگاه نظری بدان معناست که احتمال دارد برخی کهکشان ها سریع تر از سرعت نور هم حرکت کنند و این حدی را بر هر چیز قابل مشاهده در دنیای ما اٍعمال می کند. کهکشان هایی که سریع تر از سرعت نور حرکت می کنند، توانایی گذر از افق رویداد کیهانی را دارند، یعنی جایی که امکان مشاهده برای ما وجود ندارد. اندازه گیری های “سرخ گرایی( اثر دوپلر )” تا دهه‌ی ۱۹۹۰ از کهکشان های دوردست نشان داد که گسترش جهان در طول چند میلیارد سال گذشته در حال شتاب گیری بوده است. همین عامل منجر به مطرح شدن ” انرژی تاریک ” شد، یعنی نیرویی مشاهده نشده که نقش پیشران را در گسترش فضا ایفا می کند.

توأم با نظریه نسبیت عام و خاص، مقدار سرعت نور در خلأ امروزه با دخالت علومی نظیر کیهان شناسی، فیزیک کوانتوم و مدل استاندارد فیزیک ذرات محاسبه شده است. وقتی در خصوص حدی صحبت می کنیم که ذرات بدون جرم می توانند در آن حرکت کنند، سرعت نور ثابت می ماند. اما برای ذراتی که دارای جرم اند، به صورت یک مانع عمل می کند. شاید روزی راهی برای تخطی از سرعت نور پیدا کنیم. از آنجا که هیچ ایده ی عملی برای نحوه ی تحقق این هدف در دست نیست، باید در زمینه ی فناوری هایی سرمایه گذاری شود که امکان دور زدن قوانین فضا زمان را فراهم آورد. تا آن زمان باید احتمالا با جهان قابل مشاهده فعلی سر کنیم و به کاوش در آن ادامه دهیم.

ترجمه: امین میرزایی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: universetoday.com

سرعت نور چیست؟, ۵٫۰ out of 5 based on 7 ratings