علت آهسته بودن سرعت نور چیست؟
مجموعه: چرا ، زیرا و چگونه
نظریۀ نسبیت خاص انیشتین، سرعت نور را ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه اعلام نموده است، دانشمندان با انجام تحقیقاتی بر روی الکترومغناطیس و ستاره های دوردست، به این نتیجه رسیدند که سرعت نور، بیشترین سرعتی است که می توان به آن دست یافت. اما در مقایسه با ابعاد کیهان این سرعت چندان سریع به نظر نمی رسد.
نظریۀ نسبیت خاص انیشتین، سرعت نور را ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه اعلام نموده است
محاسبه سرعت نور همیشه یکی از دغدغه های دانشمندان در طول تاریخ بوده است. تا قبل از قرن ۱۷ میلادی بحث سر این بود که آیا سرعت نور محدود است و یا از نقطه ای به نقطۀ دیگر در یک چشم به هم زدن حرکت می کند. در سال ۱۶۷۶ میلادی، اوله رومر اخترشناس دانمارکی، با مشاهدات خود از قمر مشتری به این مباحث پایان داد و مشخص شد سرعت نور محدود می باشد. کریستیان هویگنس اخترشناس مشهور آلمانی سرعت نور را معادل ۲۲۰ هزار کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد. در خلال دو قرن بعد، محاسبه سرعت نور دقیق تر و دقیق تر شد تا به محدوده ۲۹۹ هزار تا ۳۱۵ هزار کیلومتر بر ثانیه رسید.
بعد از آن جیمز کلرک ماکسول در سال ۱۸۶۵ این فرضیه را ارائه داد که نور یک موج الکترومغناطیسی است. در این فرضیه، سرعت نور با c نشان داده می شد. سپس در سال ۱۹۰۵ میلادی آلبرت انیشتین نظریه نسبیت عام را ارائه داد که در آن، سرعت نور همواره ثابت می باشد. تا سال ۱۹۷۵ میلادی، سرعت نور در خلاء ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر بر ثانیه براورد شده بود. مطالعات دیگری نشان داد که نور در طول موج های مختلف حرکت کرده و از ذرات زیراتمی به نام فوتون، که جرم نداشته و رفتاری مشابه رفتار ذره و موج دارد، تشکیل شده است.
سال نوری
همانطور که قبلا گفته شد، سرعت نور (متر بر ثانیه) به این معنی است که نور مسافتی معادل ۹۴۶۰۵۲۸۰۰۰۰۰۰ کیلومتر در یک سال را می پیماید. این مسافت را به عنوان سال نوری شناخته و از آن در اندازه گیری فواصل زیاد استفاده می کنند. برای مثال، نزدیکترین ستاره به زمین(پروکسیما قنطورس) در حدود ۴٫۲۲ سال نوری با زمین فاصله دارد. مرکز کهکشان راه شیری در ۲۶ هزار سال نوری ما قرار دارد. طبق آخرین مشاهدات، دورترین کهکشان احتمالی از زمین، با نام MACS0647-JD در فاصله ۱۳٫۳ میلیارد سال نوری از ما قرار دارد.
تابش پس زمینه کیهانی یا همان تابش های باستانی، در فاصله ۱۳٫۸ میلیارد سال نوری ما قرار دارد
تابش پس زمینه کیهانی یا همان تابش های باستانی، در فاصله ۱۳٫۸ میلیارد سال نوری ما قرار دارد. کشف این تابش به اخترشناسان کمک کرد که حدسیاتی تقریبا دقیق از سن کیهان داشته باشند. این مسئله نکته دیگری در مورد تعیین فواصل با سال نوری مطرح می کند که فضا و زمان، در هم پیچیده هستند.
زمانی که ما نوری از یک شیء دوردست را مشاهده می کنیم، در واقع ما در زمان سفر می کنیم. زمانی که ما نور ستاره ای در فاصله ۴۰۰ سال نوری را مشاهده می کنیم، در واقع ما نوری که ۴۰۰ سال پیش از این شیء ساتع شده است را می بینیم. از این رو ما ستارهای که ۴۰۰ سال پیش وجود داشته است را می بینیم. در نتیجه، رصد اجرامی که میلیاردها سال نوری با زمین فاصله دارند، رصد گذشته کیهان میباشد.
نور با سرعت بسیار بالایی حرکت می کند اما با توجه به شکل و اندازه کیهان، ممکن است از برخی نقاط جهان، میلیاردها سال زمان برای مشاهده آن نیاز باشد، زیرا در هر صورت سرعت نور با محدودیت روبرو است. از همین رو تعیین سرعت دقیق نور برای دانشمندان سیار مهم می باشد. تعیین سرعت نور نه تنها به ما کمک می کند اندازه کیهان را مشخص کنیم، بلکه میتوانیم به کمک آن فرایند تکامل کیهان را نیز دنبال کنیم.
تغییر سرعت نور
در سال ۲۰۱۵، یک تیم از دانشمندان اسکاتلندی اعلام نمودند که راهی برای کاهش سرعت نور یافته است. محققان با ارسال فوتون از طریق ماسکی خاص، شکل آن را تغییر دادند. در این حالت نابهنجار، این ذرات بی نهایت نور، آهسته تر از فوتون های معمولی حرکت می کنند. تفاوت در سرعت تقریباً غیرقابل چشم پوشی بود، اما دستاورد آن به نوبۀ خود خیره کننده بود! در سرعت ۲۹۹٫۷۹۲٫۴۵۸ متر بر ثانیه، سرعت نور در مواجهه با محدودیت سرعتی نامنظم و غیرقابل تغییر، توقف می کند. اما چرا باید کسی بخواهد که سرعت نور را کم کند؟ با این وجود، این سرعت به اندازۀ کافی آهسته است!
سرعت نور در مواجهه با محدودیت سرعتی نامنظم و غیرقابل تغییر، توقف می کند
سفر با سرعت نور
این مقیاس شاید برای کسانی که با تنها با سرعت ۱۱۰ کیلومتر بر ساعت در بزرگراه ها حرکت می کنند عجیب و غریب باشد؛ اما در مقیاسی کیهانی، بسیار بزرگ است. در نظر بگیرید، اگر کیهان قابل مشاهده به اندازه سیارۀ زمین کاهش یابد، عبور از کهکشان راه شیری تقریباً به مثابۀ رفتن به خانه همسایه خود است. و در عین حال، حرکت در مقیاس سرعت کیهانی کوچک ما، یعنی جهانی به اندازۀ زمین، در حدود ۱۰۰ هزار سال به طول می انجامید!
این مثال نشان می دهد که برای فضاپیمایی با سرعت نور، چقدر کاوش در کهکشان خسته کننده خواهد بود. چنین سفری بیش از یکصد نسل از بشر را در بر می گیرد! حتی اگر شما آرزوی بشر برای مسافرت میان ستاره ای با سرعت نور را در نظر نگیرید، و به جای آن به فوتون هایی که در سامانۀ خورشیدی ما وجود دارد فکر کنید، سرعت هنوز هم بسیار کند به نظر می رسد. همان طور که برایان کوبرلین ستاره شناس محاسبه نمود، ۴۵ دقیقه زمان نیاز است تا نور از خورشید به مشتری برسد و پنج ساعت برای رسیدن به پلوتو نیاز دارد.
و البته، هنگامی که با چشم غیرمسلح به آسمان نگاه می کنیم، ستارگانی را می بینیم که در ۴ هزار سال پیش وجود داشته اند ـ همین قدر زمان نیاز است تا نور آنها به ما برسد! بنابراین ما اکنون متوجه شدیم که نور سریع نیست، بلکه به طرز عذاب آوری آهسته است؛ اکنون ما می توانیم به این مسألۀ جدی تر و سخت تر بازگردیم: چرا؟ فیریکدانان نظری می توانند اندیشه کنند و کیهان شناسان اندازه گیری کنند. اما تمام روش های آموخته شدۀ آنها در حال حاضر منجر به پاسخی غیرقابل بازگشت رسیده است: به این دلیل که.
به لطف افزایش سرعت نور، رایانه ها و شبکه ها سریع تر عمل می کنند
افزایش سرعت نور
گنارو تدسکو، فیزیکدان نظری، نسخۀ نسبتاً رضایت بخش تری را ارائه نموده است: گیتی به گونه ای ساخته شده است تا فوتون بتواند با آن سرعت در آن منتشر گردد، هیچ دلیلی وجود ندارد که چرا باید این گونه باشد، اما این، تنها راه است. فیزیک توضیح نمی دهد که چرا همه چیز آن گونه ای هست، که وجود دارد، بلکه توضیح می دهد که چگونه با استفاده از مدل های اثبات شده آنها را می توان پیش بینی نمود. بسیار خب، در گزاره ای بسیار شبیه به فیزیک نظری، پاسخ، یک پاسخ غیرمستقیم است، و ما هنوز در جهانی کم سرعت گیر کرده ایم.
برای نجات از این وضعیت، اجازه دهید تا سناریویی را بررسی نماییم که در آن سرعت نور بسیار سریع تر است. چطور می شود که بگوییم سرعت نور با استفاده از عامل ۱۰۰۰، افزایش یافته است؟ استیو جونز این فرضیه را مورد بررسی قرار داده است. یک کشتی با سرعت نور می تواند در کمتر از یک قرن از کهکشان راه شیری عبور کند! سفر به آلفا قنطورس، خانه ای که به طور بالقوه احتمال سکونت در آن بسیار بالا است، کمتر از دو روز طول می کشد! به لطف افزایش سرعت نور، رایانه ها و شبکه ها سریع تر عمل می کنند، بسیار محتمل است که سیگنال هایی ار بیگانگان دریافت نماییم! اما ـ و این امایی بزرگ است ـ خورشید یک میلیون بار داغ تر می شود؛ بنابراین ما پخته خواهیم شد. بنابراین بهتر است که بیاموزید سرعت کم نور را دوست داشته باشید، هر چند که ممکن است شبیه تنبل سه انگشتی به نظر برسد اما اگر نور سریعتر بود، دیگر حیاتی بر روی زمین وجود نداشت!
منابع: bigbangpage.com – universetoday.com – space.com
ترجمه: محبوبه رحیمی- رضا کاظمی
چند دقیقه با دانستنی هامریخ چقدر با ما فاصله دارد؟چرا سرعت نور اینگونه است؟آیا سفر انسان به خارج از سامانه خورشیدی ممکن است؟سال نوری چیست؟سرعت جهان از سرعت نور پیشی خواهد گرفت؟سرعت نور و اصل نسبیت
