ماهیت نور چیست و چرا سرعت آن در محیط‌های مختلف متفاوت است؟ در این مقاله به این سوالات پاسخ داده‌ایم.

به گزارش دیجیاتو، در این مقاله قصد داریم سرعت نور در محیط‌های مختلف را بررسی کنیم. پیش‌ازآن، لازم است با ماهیت نور آشنا شویم.

ماهیت نور چیست؟

راه‌های زیادی برای تعریف نور وجود دارد؛ در ساده‌ترین تعریف، می‌توان گفت نور بخشی از تابش الکترومغناطیسی است. تابش الکترومغناطیسی گستره‌ای از طول موج‌های مختلف –از رادیویی تا گاما– را در برمی‌گیرد و نور مرئی در جایگاه بخشی از تابش الکترومغناطیسی، با طول موج بین ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر تعریف می‌شود که برای چشم ما مشهود است.

هنگامی که نور بین دو مکان حرکت می‌کند، انرژی بین این دو نقطه به جریان درمی‌آید. این انرژی به‌صورت الگویی ارتعاشی از امواج الکتریکی و مغناطیسی منتقل می‌شود که امواج الکترومغناطیسی نام دارد. این امواج الکتریکی و مغناطیسی برهم عمودند و با سرعت نور منتشر می‌شوند.

نور چگونه تولید می‌شود؟

فارغ از اینکه نور از چه منبعی منتشر می‌شود، اگر در حوزه فیزیک کوانتومی کاوش کنیم، متوجه می‌شویم نور زمانی تولید می‌شود که الکترون‌ها در اتم‌ها و مولکول‌ها انرژی آزاد کنند. هنگامی که الکترون‌های جسمی انرژی می‌گیرند، به سطوح انرژی بالاتر می‌پرند و زمانی که به حالت اولیه‌شان بازمی‌گردند، انرژی آزاد می‌کنند. این انرژی از طریق گسیل «فوتون» ها، ذرات کوچک انرژی نور، آزاد می‌شود.

نور با روش‌های گوناگون، ازجمله هم‌جوشی هسته‌ای (مثل ستاره‌ها)، داغ شدن جسم تا دما‌های بالا (مثل لامپ رشته‌ای)، تحریک الکتریکی الکترون‌های جسم با اعمال ولتاژ (مثل چراغ قوه)، تحریک نوری (مثل لیزر) و … تولید می‌شود.

نور موج است یا ذره؟

معمولاً تصور ما از واقعیت مبتنی‌بر تجربیات روزمره است. در دوران حکم‌فرمایی فیزیک کلاسیک و تا قبل از ظهور کوانتوم، همواره فرض می‌شد نور از ذره‌های کوچکی تشکیل شده است. در واقع اولین کسی که چنین دیدگاهی را مطرح کرد، «آیزاک نیوتن» بود. نظریه ذره‌ای نور را نیوتن سال ۱۷۰۴ معرفی کرد. این نظریه بر این اساس استوار بود که نور از ذره‌هایی به نام «گویچه» (Corpuscles) تشکیل شده است که جرم ناچیزی دارند، کاملاً کشسان هستند، همواره در یک خط راست منتشر می‌شوند، دارای انرژی جنبشی هستند، سرعت بسیار زیادی دارند و از منابع نور، مثل شمع و خورشید، منتشر می‌شوند. نیوتن فرض کرد ذرات کوچک نور می‌توانند اندازه‌های مختلفی داشته باشند و این اندازه‌های مختلف هستند که رنگ‌های مختلف را به وجود می‌آورند.

همان‌طورکه همواره در کتاب‌های درسی تأکید می‌شود، بخشی از توصیفات نیوتن از نور با واقعیت هم‌خوانی دارند؛ مثلاً پدیده‌های انعکاس نور و شکست نور با همین نظریه به‌راحتی قابل‌درک‌اند و روابط ریاضی آن‌ها با این فرض که نور در خط راست منتشر می‌شود، به‌سادگی فرمول‌بندی می‌شود.

درکل، اگرچه اکثر توصیفات نیوتن از نور نادرست نیستند، بعدتر پدیده‌هایی مشاهده شدند که با نظریه ذره‌ای نور قابل‌توصیف نبودند. سال ۱۶۷۸، «هویگنس» فیزیک‌دان هلندی، نظریه موجی نور را بنا کرد و آن را اصل هویگنس نامید.

به نظر می‌رسید پس از سال‌ها تعصب دانشمندان روی نظریه نیوتن، تئوری ذره‌ای نور دارد شکست می‌خورد؛ تا اینکه فیزیک‌دان فرانسوی، «آگوستین ژان فرنل»، دو منشور نازک را روی هم قرار دارد و نور را از شکافی بسیار ریز به آن‌ها تاباند. نقش نوار‌های تاریک و روشن با توصیف دیگری به‌جز خاصیت موجی نور قابل‌توجیه نبود. فرنل این پدیده را به‌صورت ریاضی اثبات کرد. همچنین سال ۱۸۱۵ توانست قوانین شکست نور را با همین نظریه فرمول‌بندی کند. دو سال بعد در ۱۸۱۷ هم فیزیک‌دان انگلیسی، «توماس یانگ»، با استفاده از الگوی تداخل موج، طول موج نور را محاسبه کرد؛ بنابراین تا مدت‌ها به نظر می‌رسید نظریه ذره‌ای نور منسوخ شده و جایش را به نظریه موجی نور داده است.

در فاصله سال‌های ۱۸۶۱ تا ۱۸۶۴، فیزیک‌دان اسکاتلندی «جیمز کلارک ماکسول»، روابط ریاضی میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی را وحدت بخشید و وجود امواج الکترومغناطیسی را پیش‌بینی کرد. پس از این وحدت تاریخی در علم فیزیک، توصیف نور به‌صورت موجی الکترومغناطیسی در کانون توجهات قرار گرفت.

فیزیک مدرن: نور خاصیت ذره‌گونه دارد

نظریه ذره‌ای نور تقریباً تا قرن ۱۹ میلادی به دست فراموشی سپرده شد و همه پدیده‌ها با توصیف موجی نور قابل‌توجیه بودند؛ تا اینکه «اینشتین» با توصیف کوانتومی «اثر فوتوالکتریک»، دوباره نظریه ذره‌ای بودن نور را احیا کرد. تفسیر اینشتین از پدیده فوتوالکتریک جایزه نوبل سال ۱۹۲۱ را نصیبش کرد.

پاسخ علم: نور هم موج است هم ذره!

حالا دو دسته پدیده وجود داشت: با آزمایش‌های مختلف، مشخص شد نور نه همیشه به‌شکل موج است نه همیشه به‌شکل ذره، بلکه در بعضی شرایط (مشاهده میکروسکوپی) از خودش خاصیت موجی نشان می‌دهد و در شرایط دیگر (مشاهده ماکروسکوپی) خاصیت ذره‌ای دارد؛ به‌این‌ترتیب، در جامعه علمی پذیرفته شد که نور هم ذره است هم موج. این خاصیت نور با عنوان «دوگانگی موج و ذره» شناخته می‌شود و باید آن را به‌عنوان حقیقتی علمی پذیرفت.

سرعت نور چقدر است؟

«امپدوکلس آکراگاس» که حدود ۴۵۰ سال قبل از میلاد می‌زیست، از اولین فیلسوفانی بود که حدس زد نور با سرعت محدودی حرکت می‌کند. تقریباً هزار سال بعد، حدود ۵۲۵ میلادی، دانشمند و ریاضی‌دان رومی، «آنیسیوس بوتیوس»، تلاش کرد سرعت نور را مستند کند، اما پس از متهم شدن به خیانت و جادوگری، به‌دلیل تلاش‌های علمی‌اش سرش را از تنش جدا کردند.

سال ۱۶۷۶، اندکی پس از اختراع تلسکوپ، ستاره‌شناس دانمارکی، «اوله رومر»، اولین دانشمندی بود که برای تخمین سرعت نور جدی تلاش کرد. رومر با مطالعه قمر مشتری، آیو و خسوف‌های مکرر آن، توانست تناوب یک دوره خسوف را برای آن پیش‌بینی کند. او طی چند سال، بار‌ها این اندازه‌گیری را انجام داد و نتیجه گرفت زمان خسوف مشتری ثابت نیست. در واقع زمانی که زمین به مشتری نزدیک می‌شد، خسوف ۱۱ دقیقه زودتر رخ می‌داد. درعین‌حال، زمانی که دو سیاره در دورترین فاصله قرار داشتند، خسوف‌ها ۱۱ دقیقه دیرتر شروع می‌شدند.

رومر با کشف این الگو، پیش‌بینی دقیقی از خسوف بعدی قمر آیو کرد. تخمین زد نور نیاز به ۲۲ دقیقه دارد تا مسافتی معادل قطر مدار زمین (۳۰۰ میلیون کیلومتر) را طی کند؛ معادل ۲۲۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه به واحد‌های کنونی. این عدد حدود ۲۶ درصد نسبت به مقدار واقعی خطا دارد که احتمالاً به‌خاطر اشتباه در محاسبه فاصله مشتری از زمین بوده است.

نفر بعدی که تخمین مفیدی از سرعت نور ارائه کرد، فیزیک‌دان بریتانیایی، «جیمز بردلی»، بود. ۱۷۲۸، یک سال پس از مرگ نیوتن، بردلی با استفاده از انحرافات ستاره‌ای، سرعت نور در خلأ را تقریباً ۳۰۱,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه تخمین زد. این پدیده‌ها با تغییر ظاهری در موقعیت ستارگان به‌دلیل حرکت زمین به دور خورشید آشکار می‌شوند. درجه انحراف ستاره را می‌توان از نسبت سرعت مداری زمین به سرعت نور تعیین کرد. بردلی با اندازه‌گیری زاویه انحراف ستاره‌ای و اعمال آن داده‌ها بر سرعت مداری زمین، توانست تخمین بسیار دقیقی بزند.

به‌دنبال آزمایشات پیشین، فیزیک‌دانی آمریکایی‌ـ لهستانی به نام «آلبرت مایکلسون» تلاش کرد دقت این روش را افزایش بدهد و سال ۱۸۷۸ با موفقیت سرعت نور را اندازه‌گیری کرد. مایکلسون با استفاده از لنز‌ها و آینه‌های باکیفیت، نتیجه نهایی را ۲۹۹,۹۰۹ کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد. مایکلسون به‌خاطر این کشف جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۰۷ را از آن خود کرد.

نظریه نسبیت خاص اینشتین

سال ۱۹۰۵، اینشتین نظریه نسبیت خاص سپس نظریه نسبیت عام را را منتشر کرد. نظریه اول مربوط به حرکت اجسام با سرعت ثابت نسبت به یکدیگر است و نظریه دوم بر شتاب و پیوند‌های آن با گرانش تمرکز دارد.

اینشتین اثبات کرد سرعت نور ثابت و برابر با ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه است. او این مقدار را یک ثابت فیزیکی معرفی کرد که سرعت نور در خلأ شناخته می‌شود.

آیا سرعت نور ثابت است؟

در پاسخ به این سؤال باید بگوییم همان‌طورکه گفته شد، سرعت نور در خلأ ثابت است. بااین‌حال، نور وقتی از محیطی مادی، مانند آب (۲۲۵,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) یا شیشه (۲۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) عبور می‌کند، سرعت آن کاهش می‌یابد.

چرا سرعت حرکت نور پس از عبور از ماده کاهش می‌یابد؟

به‌دلیل ساختار اتمی و ملکولی ماده، سرعت نور در آن کاهش می‌یابد. در بسیاری از مواد، الکترون‌های موجود در ذرات ماده هنگام تابش نور، شروع به نوسان می‌کنند و انرژی نور را جذب یا پراکنده می‌کنند. این فرایند موجب کاهش سرعت پیشروی نور در ماده می‌شود. همچنین، در مواد با چگالی بالاتر که ذرات باردار بیشتری در واحد حجم وجود دارد، برخورد و پراکندگی نور بیشتر شده و سرعت نور کاهش می‌یابد.

سرعت نور در خلأ

سرعت حرکت نور در خلأ دقیقاً برابر ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه یا ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ کیلومتر بر ثانیه است؛ ثابتی جهانی که در معادلات با پارامتر c شناخته می‌شود. در محاسبات ساده، معمولاً سرعت نور را به‌تقریب برابر ۱۰۸×۳ متر بر ثانیه یا ۱۰۵×۳ کیلومتر بر ثانیه در نظر می‌گیرند.

سرعت نور در محیط‌های مختلف

برای اینکه سرعت نور در محیط را محاسبه کنیم، باید ضریب شکست آن محیط را بدانیم. وقتی نور از محیطی به محیط دیگر می‌رود، مسیرش تغییر می‌کند. این پدیده شکست نور شناخته می‌شود و مقدار آن به ضریب شکست دو محیط بستگی دارد. ضریب شکست آب برابر ۱.۳۳ است. با محاسبه، به این نتیجه می‌رسیم که سرعت نور در آب برابر با ۱۰۵×۲.۲۵ کیلومتر بر ثانیه است.

در هوا نیز سرعت نور تغییر می‌کند. محاسبات نشان می‌دهد سرعت نور در هوا برابر ۱۰۵×۲.۹۹,۹۱۰ کیلومتر بر ثانیه است.

جمع‌بندی

برای دیدن محیط اطرافمان به نور نیاز داریم. نور به اجسام مختلف می‌تابد و پس از بازتاب به چشم ما، می‌توانیم آن جسم را ببینیم. نور مرئی بخشی از تابش الکترومغناطیسی است که شامل طول موج‌های ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر می‌شود.

از زمان نیوتن تا قرن بیستم، همواره ماهیت نور بررسی شده است. دانشمندان در دوره‌های مختلف نظریه‌های مختلفی در این زمینه ارائه داده‌اند. ابتدا دو نظریه «ذره‌ای» و «موجی» نور موردتوجه قرار گرفتند و هرکدام در توجیه برخی پدیده‌های فیزیکی کاربرد داشتند، اما دانشمندان درنهایت نتیجه گرفتند اگر نور را از در سطح ماکروسکوپیک مشاهده (اندازه‌گیری) کنیم، خاصیت ذره‌ای دارد و اگر آن را در سطح میکروسکوپی مشاهده کنیم، خاصیت موجی دارد؛ بنابراین جامعه علمی پذیرفت نور هم‌زمان هم موج است هم ذره.

تلاش‌های زیادی برای محاسبه سرعت نور شده است؛ درنهایت با ارائه نظریه نسبیت خاص، سرعت نور در خلأ ثابت و برابر ۱۰۸×۳ متر بر ثانیه به‌عنوان قانون علمی پذیرفته شد. چگونگی برهم‌کنش نور با ماده فصل جدیدی از سؤالات علمی را آغاز کرد که همواره به پیشرفت تجهیزات اپتیکی و صنعت کمک شایانی کرده است. ساخت سلول‌های خورشیدی، دوربین‌ها، کاوش در جهان دوردست با تلسکوپ‌ها، فیبر نوری، کاوش در جهان میکروسکوپی با میکروسکوپ‌های نوری، توسعه لیزر‌ها و بسیاری دیگر نتیجه شناخت نور و درک برهم‌کنش آن با مواد مختلف بوده است.