فرارو | چه میزان است سرعت نور؟

ماهیت نور به چه شکل است و چرا سرعت آن در محیط‌های گوناگون متغیر است؟ در این مقاله به این پرسش‌ها پاسخ خواهیم داد.

به نقل از دیجیاتو، در این نوشته در نظر داریم تا سرعت نور را در شرایط مختلف بررسی کنیم. پیش از آن، لازم است تا با ماهیت نور آشنا شویم.

ماهیت نور چیست؟

تعاریف متعددی برای نور وجود دارد؛ به ساده‌ترین شکل می‌توان گفت که نور بخشی از تابش الکترومغناطیسی است. تابش الکترومغناطیسی شامل طیفی از طول موج‌های متنوع –از امواج رادیویی تا تابش گامایی– می‌باشد. نور مرئی که تنها بخشی از این تابش است، در بازه‌ای از طول موج بین ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر تعریف می‌شود و برای چشم انسان قابل رؤیت است.

زمانی که نور از یک نقطه به نقطه‌ای دیگر حرکت می‌کند، انرژی بین آن دو مکان به جریان در می‌آید. این انرژی به‌صورت الگویی از امواج الکتریکی و مغناطیسی منتقل می‌شود که آن را امواج الکترومغناطیسی می‌نامند. این امواج با هم عمود هستند و با سرعت نور پراکنده می‌شوند.

چگونه نور تولید می‌شود؟

صرف‌نظر از منبع نور، اگر به دنیای فیزیک کوانتومی نگاهی بیندازیم، به درک خواهیم رسید که نور زمانی به وجود می‌آید که الکترون‌ها در اتم‌ها و مولکول‌ها انرژی را آزاد می‌سازند. وقتی الکترون‌ها انرژی جذب می‌کنند، به سطوح بالاتر انرژی می‌پرند و هنگامی که به حالت قبلی برمی‌گردند، از خود انرژی آزاد می‌کنند. این انرژی از طریق گسیل «فوتون‌ها» که ذرات کوچک نور هستند، آزاد می‌شود.

نور به روش‌های مختلفی از جمله هم‌جوشی هسته‌ای (مانند ستاره‌ها)، گرما دادن به اجسام تا دماهای بالا (مثل لامپ‌های رشته‌ای)، تحریک الکتریکی الکترون‌ها با ولتاژ (مانند چراغ قوه) و تحریک نوری (مانند لیزر) تولید می‌شود.

نور چه نوع خصوصیتی دارد؟

معمولاً نگرش ما به پدیده‌ها بر مبنای تجربیات روزمره است. در دوران پادشاهی فیزیک کلاسیک و پیش از ظهور فیزیک کوانتومی، تصور بر این بود که نور از ذرات ریز تشکیل شده است. نخستین شخصی که چنین نظریه‌ای را پیشنهاد داد، «آیزاک نیوتن» بود. نیوتن در سال ۱۷۰۴ نظریه ذره‌ای نور را مطرح کرد و بر این اساس استوار بود که نور از ذراتی به نام «گویچه» (Corpuscles) تشکیل شده که جرمی کم، خاصیت کشسانی، حرکت به‌صورت خطی و انرژی جنبشی فراوانی دارند و از منابع نوری همچون شمع و خورشید منتشر می‌شوند. او فرض کرد که این ذرات می‌توانند اندازه‌های مختلفی داشته باشند و این اندازه‌های متفاوت، به شکل‌گیری رنگ‌های گوناگون منجر می‌شود.

همان‌طور که در کتاب‌های درسی بیان می‌شود، بخشی از توضیحات نیوتن درباره نور با واقعیت هم‌خوانی دارند؛ به‌خصوص پدیده‌های انعکاس و شکست نور که به راحتی با این نظریه قابل درک هستند و روابط ریاضی آن‌ها به سادگی قابل‌تدوین است.

به‌طور کلی، اگرچه بیشتر توصیفات نیوتن از نور نادرست نیستند، اما پدیده‌هایی وارد عرصه شدند که با نظریه ذره‌ای قابل توضیح نبودند. در سال ۱۶۷۸، فیزیک‌دان هلندی «هویگنس»، نظریه موجی نور را بنا نهاد و آن را اصل هویگنس نامید.

به‌نظر می‌رسید که بعد از سال‌ها پافشاری دانشمندان بر نظریه نیوتن، نظریه ذره‌ای نور در حال افول است؛ تا اینکه فیزیک‌دان فرانسوی «آگوستین ژان فرنل» دو منشور نازک را روی هم قرار داد و نور را از یک شکاف ریز به آن‌ها تاباند. الگوهای نوارهای تاریک و روشن هیچ توصیفی جز خاصیت موجی نور نداشتند. فرنل این پدیده را به‌صورت ریاضی ثابت کرد و در سال ۱۸۱۵ قوانین شکست نور را بر مبنای همین نظریه فرمول‌بندی کرد. دو سال پس از آن، فیزیک‌دان انگلیسی «توماس یانگ» با استفاده از الگوی تداخل موج، توانست طول موج نور را محاسبه کند. به این ترتیب، برای مدتی به نظر می‌رسید نظریه ذره‌ای نور کنار گذاشته شده و نظریه موجی نور برتر شده است.

در بازه زمانی ۱۸۶۱ تا ۱۸۶۴، فیزیک‌دان اسکاتلندی «جیمز کلارک ماکسول»، روابط ریاضی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را به‌هم پیوند داد و وجود امواج الکترومغناطیسی را پیش‌بینی کرد. پس از این وحدت تاریخی در علم فیزیک، توصیف نور به‌عنوان موجی الکترومغناطیسی مورد توجه قرار گرفت.

فیزیک مدرن: نور دارای خواص ذره‌ای است

نظریه ذره‌ای نور تقریباً تا قرن ۱۹ میلادی به فراموشی سپرده شده بود و همه پدیده‌ها با توصیف موجی نور توضیح داده می‌شدند تا اینکه «اینشتین» با توصیف کوانتومی خود از «اثر فوتوالکتریک»، مجدداً نظریه ذره‌ای بودن نور را احیا کرد. تفسیر اینشتین از پدیده فوتوالکتریک باعث شد تا جایزه نوبل سال ۱۹۲۱ را دریافت کند.

پاسخ علم: نور هم موج است و هم ذره!

اکنون دو گروه از پدیده‌ها وجود دارد: با آزمایش‌های مختلف روشن شد که نور نه به‌طور همیشگی به‌صورت موج است و نه به‌طور همیشگی به‌صورت ذره، بلکه در برخی شرایط (مانند مشاهده میکروسکوپی) خاصیت موجی خود را نشان می‌دهد و در شرایط دیگر (مشاهده ماکروسکوپی) خاصیت ذره‌ای دارد؛ با این وصف، در جامعه علمی پذیرفته شد که نور به‌صورت هم‌زمان هم ذره و هم موج است. این خاصیت با عنوان «دوگانگی موج و ذره» شناخته می‌شود و باید به‌عنوان حقیقتی علمی در نظر گرفته شود.

سرعت نور چقدر است؟

«امپدوکلس آکراگاس» که حدود ۴۵۰ سال پیش از میلاد می‌زیست، از نخستین فیلسوفانی بود که حدس زد نور با سرعتی محدود حرکت می‌کند. تقریباً هزار سال بعد، در حدود ۵۲۵ میلادی، دانشمند و ریاضی‌دان رومی، «آنیسیوس بوتیوس»، سعی کرد سرعت نور را مستند کند، اما به‌دلیل اتهام خیانت و جادوگری به مرگ محکوم شد.

در سال ۱۶۷۶، پس از اختراع تلسکوپ، ستاره‌شناس دانمارکی «اوله رومر» اولین فردی بود که به شکلی جدی برای تخمین سرعت نور تلاش کرد. او با بررسی قمر مشتری، آیو و خسوف‌های مکرر آن، توانست زمان دقیقی برای یک دوره خسوف پیش‌بینی کند. او در طول چند سال، بارها این اندازه‌گیری را تکرار کرد و به این نتیجه رسید که زمان خسوف مشتری ثابت نیست. آیا دانستید که وقتی زمین به مشتری نزدیک‌تر می‌شد، خسوف‌ها ۱۱ دقیقه زودتر واقع می‌شدند و زمانی که دو سیاره در دورترین فاصله بودند، این خسوف‌ها ۱۱ دقیقه دیرتر آغاز می‌گردید؟

رومر با کشف این الگو، پیش‌بینی دقیقی از خسوف بعدی قمر آیو ارائه داد. او تخمین زد که نور نیاز به ۲۲ دقیقه دارد تا مسافتی معادل قطر مدار زمین (معادل ۳۰۰ میلیون کیلومتر) را بپیماید؛ که به‌میزان ۲۲۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه به واحدهای امروزی برمی‌گردد. این عدد تقریباً ۲۶ درصد نسبت به مقدار واقعی خطا دارد که احتمالاً به‌دلیل اشتباه در محاسبه فاصله مشتری از زمین ایجاد شده است.

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

پس از آزمایشات قبلی، فیزیک‌دانی آمریکایی-لهستانی به نام «آلبرت مایکلسون» تلاش کرد دقت این روش را ارتقاء دهد و در سال ۱۸۷۸ با موفقیت سرعت نور را اندازه‌گیری کرد. مایکلسون با بهره‌گیری 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 دریافت کرد.

نظریه نسبیت خاص اینشتین

در سال ۱۹۰۵، اینشتین نظریه نسبیت خاص و سپس نظریه نسبیت عام را منتشر کرد. نظریه اول به حرکت اجسام با سرعت ثابت نسبت به یکدیگر مرتبط بود و نظریه دوم بر شتاب و ارتباطات آن با گرانش تمرکز داشت.

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

آیا سرعت نور ثابت است؟

به این سؤال باید با قاطعیت پاسخ داده شود که همان‌طور که پیش‌تر بیان شد، سرعت نور در خلأ ثابت است. با این حال، نور هنگامی که از محیط‌های مادی مانند آب (با سرعت ۲۲۵,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) یا شیشه (با سرعت ۲۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) عبور می‌کند، دستخوش کاهش سرعت می‌شود.

چرا سرعت نور پس از عبور از ماده کاهش می‌یابد؟

این امر به ساختار اتمی و مولکولی ماده مربوط می‌شود؛ در بسیاری از مواد، الکترون‌های درون ذرات هنگام تابش نور شروع به نوسان می‌کنند و انرژی نور را جذب یا پراکنده می‌سازند. این فرایند منجر به کاهش سرعت حرکت نور در ماده می‌شود. همچنین در مواد با چگالی بیشتر که ذرات باردار بیشتری در یک واحد حجم دارند، برخورد و پراکندگی نور افزایش می‌یابد و در نتیجه سرعت نور کاهش می‌یابد.

سرعت نور در خلأ

سرعت نور در خلأ دقیقاً برابر با ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه یا ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ کیلومتر بر ثانیه محسوب می‌شود؛ این یک ثابت جهانی است که در معادلات با نماد c شناخته می‌شود. در محاسبات ساده، معمولاً سرعت نور را معادل ۱۰۸×۳ متر بر ثانیه یا ۱۰۵×۳ کیلومتر بر ثانیه در نظر می‌گیرند.

سرعت نور در محیط‌های گوناگون

برای محاسبه سرعت نور در محیطی مشخص، نیازمند دانستن ضریب شکست آن محیط هستیم. وقتی نور از یک محیط به محیط دیگر منتقل می‌شود، مسیر آن تغییر می‌کند. این پدیده به‌عنوان شکست نور شناخته می‌شود و مقدار آن به ضریب شکست دو محیط وابسته است. ضریب شکست آب برابر با ۱.۳۳ است. با انجام محاسبات، به نتیجه می‌رسیم که سرعت نور در آب برابر با ۱۰۵×۲.۲۵ کیلومتر بر ثانیه است.

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

جمع‌بندی

برای دیدن دنیای اطراف خود به نور نیاز داریم. نور به اجسام مختلف تابیده و پس از انعکاس به چشمان ما می‌رسد و بدین‌منظور می‌توانیم آن جسم را مشاهده کنیم. نور مرئی بخشی از تابش الکترومغناطیسی است که شامل طول موج‌های بین ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر می‌شود.

از زمان نیوتن تا قرن بیستم، همیشه ماهیت نور تحت بررسی و تجزیه و تحلیل قرار داشته است. دانشمندان در دوره‌های مختلف نظریه‌های متنوعی را در این زمینه ارائه کرده‌اند. ابتدا نظریات «ذره‌ای» و «موجی» درباره نور مورد توجه واقع شدند و هریک در تبیین پدیده‌های فیزیکی خاص خود کاربرد داشتند، اما در نهایت دانشمندان به این نتیجه رسیدند که نور در سطح ماکروسکوپی به‌عنوان ذره و در سطح میکروسکوپی به‌عنوان موج قابل مشاهده است؛ لذا جامعه علمی به پذیرش هم‌زمان ماهیت موج و ذره برای نور رسید.

تلاش‌های بسیاری برای اندازه‌گیری سرعت نور انجام گرفته است و در نهایت با ارائه نظریه نسبیت خاص، سرعت نور در خلأ ثابت و معادل ۱۰۸×۳ متر بر ثانیه به‌عنوان یک قانون علمی شناخته شد. فهم چگونگی تعامل نور با ماده، آغازگر فصل جدیدی از سؤالات علمی بود که همواره به پیشرفت ابزارهای اپتیکی و صنایع مختلف کمک کرده است. از جمله‌ی آن می‌توان به ساخت سلول‌های خورشیدی، دوربین‌ها، کاوش در کهکشان‌های دوردست به‌وسیله تلسکوپ‌ها، فیبر نوری، تحقیقات در دنیا میکروسکوپی با میکروسکوپ‌های نوری، و توسعه لیزرها اشاره کرد که همگی ثمره شناخت و درک نور و تعامل آن با مواد مختلف هستند.