اندازه گیری سرعت نور و نخستین تردید اساسی در مفاهیم بنیادین فیزیک

 منبع :

 نويسنده : امیرسالار نیک‌اندیش    ایمیل : salarnikandish@gmail.com

 نوشته شده در تاريخ : 1396/02/01   ( آخرين ويرايش : 1396/02/03 )

بشر نزدیک به دو هزار سال است که برای رسیدن به درکی بنیادین و درست از جهان هستی در تلاش و جسنجو است. مهمترین ویژگی علم فیزیک، بیان طبیعت به زبان ریاضی است. قوانین فیزیکی با زبان ریاضی، بسیار دقیق و البته به شکلی بسیار ساده‌ای بیان می‌شوند. هر چه جلوتر می­رویم این ریاضیات عمیق‌تر و عام‌تر می‌شوند. این خود یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های پیش روی بشر است، که چرا طبیعت تا این حد ساده و زیبا با ریاضیات توصیف می‌شود، به گونه‌ای که می‌توان بنیادی‌ترین قوانین فیزیک را که تا امروز می‌شناسیم تنها در چند سطر نوشت. ریچارد فاینمن در کتاب خارق­العاده­‌ا‌‌ش «خصوصیات قوانین فیزیکی» این پرسش را به گونه ای هنرمندانه مطرح می­‌کند و آن را به چالش می­‌کشد. پیشنهاد می­‌کنم لذت خواندن این کتاب را از دست ندهید.

قطعا گالیله، نخستین گام استوار را برای بنای ساختار ریاضی قوانین فیزیک برداشت، و البته نیوتون در ادامه‌ راه، قوانین مکانیک را با ریاضیاتی پیشرفته‌تر (معادلات دیفرانسیل) بیان کرد. گرانش را به عنوان یک نیرو معرفی و سه قانون طلایی‌اش را، در کمال سادگی و کارآمدی عرضه کرد.

قوانین او پایه‌ علوم مهندسی بوده است. اما در پی معین شدن سرعت نور، این‌طور به نظر رسید که شاید قوانین او تنها در شرایط خاصی معتبرند، و یا شاید نگاه ما به اساسی‌ترین مفاهیم علمی، نیازمند تغییر است.

اما نور چه ویژگی مهمی دارد و چگونه معتبرترین نظریه‌ای را که تا پایان قرن نوزدهم می‌شناختیم به چالش کشید؟

نخستین تلاش برای اندازه‌گیری سرعت نور، از سوی گالیله انجام شد. در آن زمان بسیاری عقیده داشتند که سرعت نور بی‌نهایت است و به صورت آنی در فضا منتشر می‌شود.

گالیله پیشنهاد کرد دو نفر به فاصله‌ بسیار دور از هم قرار بگیرند، تا جایی که بتوانند نور یکدیگر را ببینند. یکی فانوسی را روشن کند و به محض اینکه دیگری نور فانوس را دریافت کرد، زمان را اندازه‌گیری کنند. البته مشخص است که فواصل زمینی برای این اندازه‌گیری بسیار کم است و اما او نتیجه‌ ساده و بسیاری مهمی را به‌دست آورد:

"سرعت نور بسیار بسیار زیاد است".

پس از او رومر در سال 1676میلادی، با روشی مبتکرانه و با بهره‌گیری از رصد یکی از اقمار مشتری، آیو، توانست سرعت نور را اندازه‌گیری کند. او عدد تقریبی ۲۲۰۰۰۰کیلومتر بر ثانیه را گزارش کرد.

پس از وی دیگران با روش‌های گوناگون سرعت نور را اندازه‌گیری کردند و هربار اعداد نزدیک‌تری به مقدار امروزی به‌دست آوردند.

در قرن نوزدهم، نظریه‌ الکترو مغناطیس و معادلات ماکسول، پیش‌بینی‌ای نظری از سرعت نور ارائه دادند، که برای درک بهتر ارتباط نتایج حاصل از این نظریه و پایه و اساس مکانیک نیوتونی، ابتدا اندکی پیرامون آنچه نسبیت نیوتونی نامیده می‌شود توضیح می‌دهیم.

نسبیت نیوتونی بر پایه‌ تبدیلات گالیله‌ای بیان می‌شود. این تبدیلات بیان می‌کنند که اگر دو متحرک، نسبت به یکدیگر با سرعت ثابتی حرکت کنند، هر دو زمان را یکسان اندازه‌گیری می کنند، اما در اندازه‌گیری مکان و بنابراین سرعت توافق ندارند. به‌عبارت دیگر، در این تبدیلات، زمان همواره مطلق فرض می‌شود. یعنی هر دو متحرکی که نسبت به یکدیگر با سرعت ثابت حرکت کنند، گذر زمان را یکسان احساس می‌کنند. اما اگر دو نفر در خلاف جهت هم حرکت کنند، هرکدام سرعت دیگری را نسبت به خودش بیشتر اندازه‌گیری می‌کند، و اگر دو نفر در جهت هم حرکت کنند، سرعت یکدیگر را نسبت به مقدار واقعی کمتر اندازه‌گیری می‌کنند.

به عنوان مثال فرض کنید دو قطار هر دو روی یک ریل و به سمت هم در حرکت هستند. سرعت قطار اول 100km/hو دیگری 120km/hاست. اما هر کدام می‌بینند که قطار دیگر دارد با سرعت  km/h220=100+120 در حال نزدیک شدن است. حال اگر دو قطار در جهت مخالف هم در حرکت بودند هم مسئله به همین جواب می‌رسید. یعنی هر یک می‌دید که قطار دیگر دارد با سرعت 220km/h دور می‌شود. اما حالتی را در نظر بگیرید که دو قطار در یک جهت در حال حرکت باشند. قطار با سرعت 100km/h در جلو و قطار دیگر با سرعت 120km/h در پی آن. در این حالت قطار اول می‌بیند که قطاری با سرعت 20km/h=120-100 در حال نزدیک شدن است.

در نتیجه‌ این تبدیل سرعت‌ها، نسبیت نیوتونی بیان می‌شود، که می‌گوید چون دو متحرک با سرعت ثابت نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند، هر دو شتاب و نیرو را یکسان مشاهده و ثبت می‌کنند.

به متحرکی که با سرعت ثابت حرکت کند یا در حال سکون باشد، ناظر لخت می‌گویند. علت این تعریف در واقع قانون اول نیوتون است که بیان می‌کند اگر جسمی در حال حرکت با سرعت ثابت و یا در حال سکون باشد، و نیرویی به آن وارد نشود، به همان حرکت با سرعت ثابت خود ادامه می‌دهد و یا در حال سکون می‌ماند، که به این ویژگی لختی یا اینرسی می‌گویند. مفهوم ناظر در واقع به این مطلب اشاره دارد که این متحرک قادر است با وسایل اندازه‌گیری زمان و مختصات مکان را گزارش کند.

پس در اثر تبدیلات گالیله، شتاب و در واقع نیرو از دید ناظرهای لخت یکسان است، و بنابراین قوانین حرکت نیوتون برای تمام ناظرهای لَخت همیشه به همان شکل برقرار است.

حال به سراغ نظریه‌ الکترومغناطیس می‌رویم و این قوانین را تحت تبدیلات گالیله بررسی می‌کنیم.

نظریه‌ الکترومغناطیس به طور ویژه از سوی ماکسول در قرن نوزدهم به‌صورت منسجم بیان شد. این نظریه رفتار امواج الکترومغناطیسی مانند نور را به خوبی توضیح می‌دهد. می‌دانیم که امواجی مانند صوت، به محیطی مادی برای انتشار نیاز دارند. به دلیل همین بینش مکانیکی از فیزیک که بر تفکر فیزیکدانان آن زمان حاکم بود، در ابتدا پذیرفته نمی‌شد که امواج الکترومغناطیسی بدون نیاز به محیط مادی و در خلآ منتشر شوند. آنان محیطی را که نور در آن منتشر می‌شود، اتر نامیدند. اگر ناظری نسبت به اتر ساکن باشد، سرعت نوری که در اتر منتشر می‌شود را همان مقدار آشنای سرعت نور یعنی  299792500m/s  =c اندازه گیری می‌کند.

بنابر تبدیلات گالیله، اگر ناظری برای مثال با سرعت 20m/s به طرف یک پالس نوری حرکت کند، سرعت پالس را c+20 اندازه می‌گیرد. همین حالت برای وقتی که ناظر در خلاف جهت پالس حرکت می‌کند هم برقرار است. اما اگر ناظر هم‌جهت با پالس حرکت کند، سرعت نور را کمتر و برابر مقدار c-20 اندازه‌گیری می‌کند.

پس ناظرها با سرعت های متفاوت، اثرهای الکترومغناطیسی متفاوتی احساس خواهند کرد. حال آن‌که این ناظرها معادلات حرکت نیوتون و در نتیجه قوانین حرکت را یکسان درک می‌کنند.

پس اگر بپذیریم که هم قوانین الکترومغناطیس و هم قوانین حرکت درست هستند، با یکی از سه حالت زیر مواجهیم:

1-    اصل نسبیت برای مکانیک وجود دارد، اما برای الکترومغناطیس خیر. پس یعنی جهت ممتازی وجود دارد که نسبت به اتر ساکن است و سرعت نور در آن مقدار مشخص cاست. اگر این فرض درست باشد باید بتوانیم این جهت را پیدا کنیم.

2-    اصل نسبیت هم برای الکترومغناطیس و هم برای مکانیک برقرار است. اما قوانین الکترومغناطیس درست بیان نشده‌اند. پس باید با آزمایش‌هایی بتوانیم نشان دهیم که نظریه‌ الکترومغناطیس در چه مواردی مشکل دارد.

3-    اصل نسبیت برای هر دو نظریه برقرار است، اما قوانین مکانیک به این شکل که توسط نیوتون ارائه شده اند درست نیستند. پس باید آزمایش‌هایی انجام دهیم که انحراف از مکانیک نیوتونی نشان دهند.

پس باید به این پرسش‌های اساسی پاسخ دهیم: کدام‌یک از پیش‌بینی‌های بالا صحیح است؟ نیوتون در اشتباه بود یا ماکسول؟ چه آزمایشی توانست دید ما را نسبت به آن‌چه در ابتدا تصور می‌کردیم بهبود بخشد؟

این نوشتار دنباله‌دار خواهد بود در ادامه به این پرسش‌ها پاسخ خواهیم داد. با ما همراه باشید.

 

منابع :

1-    تاریخ علم کمبریج. کالین ا.رُنان. ترجمه­ی حسن افشار. نشر مرکز

2-    آشنایی با نسبیت خاص. رابرت رزنیک. ترجمه­ی جعفر گودرزی. مرکز نشر دانشگاهی

3-    فیزیک پایه. فرانک ج بلت. ترجمه­ی ناصر مقبلی. انتشارات فاطمی

4-    مبانی فیزیک نوین. ریچارد وایدنر، رابرت سلز. ترجمه­ی علی­اکبر بابایی، مهدی صفا اصفهانی. مرکز نشر دانشگاهی

5-    نظریه نسبیت اینیشتین. ماکس بورن. ترجمه­ی هوشنگ گرمان. انتشارات علمی و فرهنگی

 

ویراستار: احسان یوسفی