سفر با سرعت نور
اگه بتونیم با سرعت نور حرکت کنیم، تقریبا ۲۵ هزار سال
طول می‌کشه تا برسیم به مرکز کهکشان خودمون.
۲۵ هزار سال با سرعت نور!
یعنی حتی سفرهای داخل کهکشانی هم نیاز به سرعتی داره که خیلی خیلی بالاتر از
سرعت نور باشه، دیگه سفرهای بین‌کهکشانی که جای خود داره.
از اون طرف هم چیزی که تا الان متوجه شدیم اینه که
هیچ چیزی توی این دنیای ما نمی‌تونه سریع‌تر از نور حرکت کنه.
پس این سفرهایی که تو فیلم‌های علمی‌تخیلی می‌بینیم همچنان جاش تو همون فیلماست.
تو این ویدیو، اول یه بررسی کوتاهی می‌کنیم ببینیم اولین نفراتی که سعی کردن
سرعت نور رو اندازه‌گیری کنن چیکار کردن، بعد یه نگاهی میندازیم به اینکه اصلا ماهیت نور
چیه، بالاخره از جنس امواج الکترومغناطیسه یا از جنس ذرات فوتونه؟
بعدشم میریم سراغ اینکه دقیقا چرا نمیشه به سرعت نور رسید یا سریع‌تر از نور حرکت کرد.
تهش هم سعی می‌کنیم جواب چندتا از سوالایی که
در مورد نور و سرعتش وجود داره پیدا کنیم.
پس تا آخر این ویدیو همراه من باشید تا
شناختمون از این پدیده‌ی عجیب یه کوچولو بیشتر بشه.
بحث نور از زمان‌های خیلی قدیم برای ما سوال بوده،
با اینکه همیشه توش غرق بودیم ولی هیچی ازش نمی‌دونستیم.
اولین نظراتی که در مورد نور مطرح شد از یونان باستان بود.
فیثاغورث فکر می‌کرد دلیل اینکه ما یه چیزی رو می‌بینیم اینه که پرتوهای نور
از چشم ما بیرون میاد و به اون جسم برخورد می‌کنه.
اپیکور برعکس فکر می‌کرد، معتقد بود اجسام مختلف پرتوهای نوری تولید می‌کنن
که وارد چشم ما میشه و باعث میشه ما ببینیمشون.
در مورد سرعت نور هم اختلاف‌نظرهای زیادی وجود داشت.
ارسطو نظرش این بود که سرعت نور نامحدوده،
اما امپدوکلس فکر می‌کرد نور یه چیزیه که حرکت می‌کنه،
برای همین یه سرعت مشخصی داره، نامحدود نیست.
حتی همین سه چهار قرن پیش هم دانشمندای بزرگی مثل
کپلر و دکارت معتقد بودن که سرعت نور نامحدوده.
به نظر میاد اولین تلاش عملی برای تشخیص سرعت نور،
از طرف یه دانشمند هلندی بود به نام ایزاک بیکمن، سال 1629.
کاری که کرد این بود که چندتا آینه تو فاصله‌های مختلف قرار داد،
بعدش یه انفجار با استفاده از باروت ایجاد کرد و سعی کرد بررسی کنه که
نور این انفجار از آینه‌های مختلف، با فاصله‌های زمانی مختلفی بازتاب میشه یا نه.
اما خب سرعت نور خیلی بیشتر از این حرفا بود که
با یکی دو کیلومتر فاصله بشه تشخیصش داد.
تلاش بعدی حدود ده سال بعد، یعنی 1638 از طرف گالیله انجام شد.
آزمایش گالیله اینجوری بود که خودش با یه فانوس و یه زمان‌سنج
که گفته میشه یه ساعت آبی بوده، اینجا وایمیسه،
دستیارش هم با یه فانوس دیگه تو فاصله‌ی چند کیلومتری.
گالیله فانوسشو روشن می‌کنه و تایمر رو راه میندازه، بعد دستیارش
به محض اینکه نور گالیله رو می‌بینه، اونم فورا فانوسشو روشن می‌کنه.
گالیله هم وقتی که نور دستیارشو می‌بینه، تایمر رو قطع می‌کنه.
یعنی در واقع می‌خواد اون زمانی که طول می‌کشه تا نور فانوس خودش به دستیارش
برسه، بعد نور فانوس دستیارش به خودش برسه، اندازه‌گیری کنه.
اما هرچقدرم که فاصله‌شونو بیشتر می‌کردن بازم موفق نمیشدن
سرعت درستی به دست بیارن چون نور خیلی سریع‌تر از اینا حرکت می‌کرد.
در نهایت تنها نتیجه‌ای که گالیله تونست بگیره این بود که
سرعت نور نامحدود نیست، اما خیلی زیاده، حداقل ده‌برابر سرعت صوته.
البته الان می‌دونیم که درستش یک میلیون برابره.
چهل سال بعد، یعنی 1676 دانشمند دانمارکی اوله رومر زمانی که تو رصدخونه‌ی
پاریس داشت روی قمر مشتری، آیو (Io) تحقیق می‌کرد متوجه اتفاق عجیبی شد.
چند ماه از سال، این قمر با یه تاخیر کوتاهی از جلوی مشتری رد میشد،
بعدش تو چند ماه بعدی، این تاخیر رو جبران می‌کرد و زودتر از موعد رد میشد.
رومر با مطالعات بیشتری که انجام داد به این نتیجه رسید که این بی‌نظمی
به خاطر کم و زیاد شدن فاصله‌ی زمین از مشتریه،
که باعث میشه نور این قمر یه کمی دیر و زود به زمین برسه.
با ادامه دادن تحقیقاتش در نهایت اعلام کرد که نور تقریبا
۲۲ دقیقه طول می‌کشه تا به اندازه‌ی قطر مدار زمین حرکت کنه.
همون زمان‌ها یه دانشمند هلندی به نام کریستین هویگنس
از این اطلاعاتی که رومر به دست آورده بود، با دونستن قطر مدار زمین،
به این نتیجه رسید که سرعت نور تقریبا 220 هزار کیلومتر بر ثانیه‌ست.
یعنی حدود 26 درصد کمتر از مقدار واقعیش به دست آورده بود،
که دلیلش هم خطاهای محاسباتی رومر بود.
پس این اولین مقداری بود که برای سرعت نور به دست آوردیم،
یعنی 220 هزار کیلومتر بر ثانیه، که بیشتر از سه قرن پیش انجام شد.
پنجاه سال بعد از رومر، یه ستاره‌شناس انگلیسی به نام جیمز بردلی
با کشف یه پدیده‌ی نجومی به نام انحراف ستاره‌ای موفق شد
سرعت نور رو با دقت خیلی بیشتری اندازه‌گیری کنه.
مقداری که بردلی به دست آورد، 295 هزار کیلومتر بر ثانیه بود،
یعنی فقط حدود یک درصد با مقدار واقعیش فاصله داشت.
البته این دقت هم دانشمندا رو راضی نکرد.
هر چقدر که زمان گذشت و ابزارهامون دقیق‌تر شدن،
سرعت دقیق‌تری به دست آوردیم، تا اینکه تقریبا پنجاه سال پیش
مقدار دقیق سرعت نور اعلام شد که 299,792,458 متر بر ثانیه هست.
این سرعت دقیق نور تو خلا هست، که خیلی وقتا برای اینکه محاسباتمون ساده‌تر بشه
گِردش می‌کنیم به 300 میلیون متر بر ثانیه یا سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه.
سرعت نور تو محیط‌های غلیظتر کمتره، مثلا سرعتش تو هوا تقریبا
90 کیلومتر بر ثانیه کمتر میشه، یا سرعتش تو آب از هوا هم کمتره.
حالا بریم یه نگاهی بندازیم به ماهیت نور ببینیم که نور بالاخره از چی ساخته شده.
قبلا هم گفتم که نوری که چشمای ما می‌بینه، در واقع یه بخش خیلی کوچیکی
از امواج الکترومغناطیسه، به نام نور مریی.
امواج الکترومغناطیس از یه میدان الکتریکی و یه
میدان مغناطیسی تشکیل شدن که به همدیگه عمودن.
ما اومدیم بر اساس مقدار فرکانس، این امواج رو به دسته‌های مختلفی تقسیم کردیم.
اونایی که فرکانس کمتری دارن، یعنی با شدت کمتری نوسان می‌کنن،
بهشون میگیم امواج رادیویی، یه مقدار که فرکانسشون بیشتر میشه
بهشون میگیم مایکروویو یا ریزموج، بعدشم که به ترتیب میشه
فروسرخ، نور مریی، فرابنفش، پرتوی ایکس، پرتوی گاما.
پس نوری که چشمای ما می‌بینه، با اون اشعه‌ی ایکسی که تو بیمارستان‌ها برای
عکسبرداری استفاده میشه، با اون امواجی که تو گوشی و تلویزیون و رادیو و این چیزا
استفاده میشه، همه‌شون از یه جنسن، همشون امواج الکترومغناطیسن
که با سرعت نور حرکت می‌کنن، ولی فرقشون اینه که
هرکدومشون با یه شدت مشخصی نوسان می‌کنن.
اما احتمالا همتون شنیدید که گفته میشه نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده.
بالاخره نور از جنس امواج الکترومغناطیسه یا از جنس ذرات فوتون؟
چون این یکی موجه، اون یکی ذره‌ست،
موج با ذره خیلی فرق داره، فرمول‌های متفاوتی دارن.
این سوال از چند قرن پیش وجود داشته، بعضی وقتا بعضی از آزمایش‌ها نشون میداد که
نور رفتار موجی داره، بعدش یه آزمایش دیگه نشون میداد که نه، رفتار ذره‌ای داره.
تا حالا چند بار این اتفاق افتاده که دیدمون نسبت به رفتار نور تغییر کرده.
دو تا پدیده‌ی عجیب وجود داره که باعث سردرگمی ما میشدن.
یکیش آزمایش دو شکاف یانگ بود که به ما ثابت می‌کرد نور رفتار موجی داره،
یکیشم اثر فوتوالکتریک بود که ثابت می‌کرد نور رفتار ذره‌ای داره.
خیلی جالبه، یعنی دو تا آزمایش که هردوشونم کاملا درستن،
اما یکیشون میگه نور موجه، اون یکی میگه نور ذره‌ست!
آزمایش دوشکاف رو که قبلا چند بار توضیح دادم.
وقتی نور به یه صفحه‌ای می‌تابه که دو تا شکاف روش ایجاد کردیم،
روی دیوار پشت سرش طرح تداخلی تشکیل میشه.
یعنی نوارهای تاریک و روشنی ظاهر میشن که از تداخل امواج نور به وجود میان.
دقیقا شبیه وقتی که دو تا موج روی سطح آب با هم تداخل می‌کنن.
این طرح تداخلی، تنها توجیهی که می‌تونه داشته باشه اینه که نور رفتار موجی داره.
چون اگه رفتار ذره‌ای داشت، به جای این طرح تداخلی، فقط
دو تا نوار روشن رو دیوار ظاهر میشد. پس ثابت شد که نور از جنس موجه.
اما اون یکی آزمایش، یعنی اثر فوتوالکتریک نذاشت قضیه به خوبی و خوشی تموم بشه.
اتفاقی که تو اثر فوتوالکتریک می‌افته اینه که وقتی امواج الکترومغناطیس،
مثل نور، به سطح یه فلز برخورد می‌کنه باعث میشه که
الکترون‌هایی از سطح این فلز پرت بشن بیرون.
یعنی از نوری که بهشون تابیده انرژی میگیرن و از قید اتم خودشون خلاص میشن.
اگه نور رفتار موجی داشت، باید وقتی که شدت نور رو بیشتر می‌کردیم،
یعنی از نور قوی‌تری استفاده می‌کردیم، تعداد این امواج الکترومغناطیسی بیشتر میشد،
انرژی بیشتری به الکترون‌های فلز می‌رسید، در نتیجه با انرژی بیشتری پرتاب میشدن.
اما با شدیدتر کردن نور هیچ تفاوتی توی انرژی الکترون‌های پرتاب شده دیده نمی‌شد.
فقط بالا بردن فرکانس باعث میشد این الکترون‌ها با انرژی بیشتری پرتاب بشن.
این اتفاق نشون میداد که انرژی‌ای که از نور به الکترون‌ها داده میشه اینطور نیست
که به صورت پیوسته باشه، بلکه تو بسته‌هایی با مقدار مشخص داده میشه.
هرچقدر فرکانس اون امواج بیشتر بود، مقدار انرژی این بسته‌ها هم بیشتر بود.
این بسته‌های انرژی رو الان به نام فوتون می‌شناسیم.
پس تو آزمایش فوتوالکتریک، بر خلاف آزمایش دوشکاف، نور رفتار ذره‌ای داشت نه موجی.
در نهایت به این نتیجه رسیدیم که نور در واقع هم موجه هم ذره.
خیلی عجیبه که یه چیزی هم موج باشه هم ذره، اما خب واقعیت داره، نور همچین چیزیه،
تو بعضی موقعیت‌ها رفتار موجی از خودش نشون میده تو موقعیت‌های دیگه رفتار ذره‌ای.
حالا تو بخش بعدی می‌خوایم ببینم که اصلا چرا نمیشه
سریع‌تر از نور حرکت کرد؟ چی جلومونو می‌گیره؟
سال 1895، زمانی که اینشتین 15 , 16 سالش بود، یه سوال عجیبی از خودش پرسید
که باعث شد اولین جرقه‌های نسبیت تو ذهنش به وجود بیاد.
سوالش این بود که چه اتفاقی میفته اگه ما
همراه با نور با همون سرعت بتونیم حرکت کنیم؟
قاعدتا باید امواج نور رو ثابت ببینیم، اما این یه چیز غیرممکنه،
یعنی طبق معادلاتی که ماکسول برای پرتوهای الکترومغناطیسی به دست آورده بود،
امکان نداشت بتونیم این میدان‌ها رو به صورت ثابت و منجمد شده ببینیم.
این سوال حسابی ذهن اینشتین رو درگیر کرده بود.
حالا فرض کنید یه نفر داخل یه قطار در حال حرکت نشسته، یه نفر هم از
بیرون وایساده رو زمین و داره به این شخص نگاه می‌کنه.
اونی که سوار قطاره، یه توپ پرتاب می‌کنه به سمت روبه‌روش.
برای اون شخصی که بیرون وایساده، سرعتی که از توپ اندازه‌گیری می‌کنه
برابره با سرعت خود توپ به اضافه‌ی سرعت قطار.
اما برای کسی که تو قطاره سرعت توپ فقط سرعت خودشه،
دیگه لازم نیست با سرعت قطار جمع بشه.
این یعنی سرعت حرکت اجسام تو دنیای ما، نسبت به یه چارچوب مرجع سنجیده میشه،
اگه این چارچوب رو بیرون از قطار در نظر بگیریم،
سرعت توپ میشه سرعت خودش به اضافه‌ی سرعت قطار.
ولی اگه این چارچوب رو داخل خود قطار در نظر بگیریم سرعت توپ همون سرعت خودشه.
خب اینکه کاملا منطقی و درسته.
اما مساله‌ی عجیب اینه که در مورد نور نمیشه همچین چیزی گفت.
اینشتین بعده‌ها به این نتیجه رسید که برای نور هیچ اهمیتی نداره که منبعش با چه سرعتی
حرکت می‌کنه، یا اون شخصی که داره نور رو می‌بینه با چه سرعتی حرکت می‌کنه.
یعنی سرعت نور همیشه، تحت هر شرایطی ثابت میمونه،
مثل چیزای دیگه نیست که سرعتش بستگی به این داشته باشه
که کجا رو به عنوان چارچوب مرجع انتخاب کنیم.
این موضوع یکی از چیزایی بود که باعث رسیدن اینشتین به نظریه‌ی نسبیت خاص شد.
تو نسبیت خاص، مقدار جرم یه جسمی که حرکت می‌کنه،
با جرم همون جسم وقتی که ثابت وایساده، فرق داره.
