از کجا می دانیم سرعت نور چقدر است؟

ریاضیدان مشهور یونان باستان، اقلیدس، عقیده داشت دیدن و بینایی به دلیل آن رخ می دهد که چشمان ما از خود پرتوهای نور منتشر می کنند. هرون اسکندرانی، ریاضیدان و مهندس مشهور یونانی هم باور داشت این نور با سرعت نامتناهی (بی نهایت) حرکت می کند، چرا که ستارگان دوردست به محض اینکه شخصی چشمانش را رو به آسمان می گرفت، در نظر پدیدار می شدند.

این ایده اشتباه در قرن یازدهم میلادی (پنجم شمسی) بوسیله دانشمند ایرانی، ابن هیثم و در کتاب المناظر (The Book of Optics) رد شد. ابن هیثم که در دنیای غرب با نام الهازن (Alhazen) شناخته می شود و به او لقب «بطلمیوس ثانی» داده اند، استدلال کرد نه تنها نور از اجسام به چشم ما می رسد، بلکه سرعت محدودی هم دارد که به محیط واسطه انتقال نور بستگی دارد.

بعدها که کتاب المناظر ابن هیثم به زبان لاتین ترجمه شد، افراد مختلفی به مطالعه آن پرداختند که از بین آنها می توان لئوناردو داوینچی نقاش، گالیلو گالیله فیزیکدان و یوهانس کپلر اخترشناس را نام برد. در قرن سیزدهم میلادی (هفتم شمسی)، راجر بیکن از ایده های ابن هیثم به عنوان پشتیبانی برای این نظریه بهره برد که نور با سرعت بسیار بالایی حرکت می کند،‌ سرعتی که به مراتب بیشتر از سرعت صوت اما متناهی و محدود است.

سرعت نور، مسئله مهمی است؛ این مقدار حد جهانی سرعت و کلید درک ما از کیهان است. داستان موفقیت دانشمندان برای استنباط و اندازه گیری سرعت حرکت نور سرشار از پستی و بلندی است؛ داستانی که از زمان یونان باستان شروع شده و تا قرن بیستم ادامه داشت. در این مقاله شما می توانید با دانشمندان پیشرو و یافته های آنها در ارتباط با سرعت حرکت نور آشنا شوید.

نخستین اندازه گیری ها

این ایده که نور در فضای خالی با سرعت بی نهایت حرکت می کند، اما با رسیدن به محیط مادی سرعتش کاهش پیدا می کند، تا قرن هفدهم ادامه پیدا کرد و حتی روشنفکرانی مثل کپلر و دکارت اصرار داشتند سرعت نور نامتناهی است. استدلال کپلر این بود که خلاء هیچ مقاومتی در مسیر حرکت نور ایجاد نمی کند که بتواند سرعت آن را محدود کند. دکارت هم استدلالش را بر مبنای مشاهده ها گذاشته بود: حرکت نور با سرعت محدود نیازمند این بود که هنگام ماه گرفتگی، خورشید و زمین و ماه ناهمراستایی زیادی داشته باشند و چون چنین ناهمراستایی دیده نمی شد، دکارت قانع شده بود که نور بلافاصله جابجا می شود.

در همین زمان بود که نخستین تلاش ها برای اندازه گیری مستقیم سرعت نور انجام شد. سال 1629، فیلسوف هلندی ایزاک بیکمن آزمایشی را پیشنهاد کرد که طی آن، نور انفجار حاصل از شلیک توپ جنگی توسط آئینه ای در فاصله حدود یک و نیم کیلومتری بازتاب می شد و بازه زمانی مشاهده آن اندازه گیری می شد. گالیله هم بطور مستقل آزمایش مشابهی را پیشنهاد داد که شامل برداشتن محافظ یک فانوس روشن و اندازه گیری مدت زمان لازم برای مشاهده نور آن بود. در هیچکدام از این آزمایش ها تاخیر زمانی اندازه گیری نشد که ظاهراً تاییدی بر این تعصب قدیمی بود که نور با سرعت بی نهایت حرکت می کند.

بر اساس دانش امروزی، می دانیم تنها حدود یکصد هزارم ثانیه طول می کشید تا نور فاصله رفت و برگشتی تعیین شده آن آزمایش ها را طی کند. این زمان حتی از زمان واکنش طبیعی مشاهده گر هم کمتر است و بنابراین طبیعی بود حتی دانشمندی مثل گالیله هم نتواند این تاخیر را اندازه گیری کند؛ فواصل تعیین شده خیلی کوتاه بودند. در مقابل، فاصله بین سیارات چنان زیاد است که جابجایی نور بین آنها چندین دقیقه طول می کشد. تنها چیزی که نیاز دارید، مرجعی است که بتوانید زمان وقوع رخدادها را بر مبنای آن اندازه گیری کنید.

همکاری بین المللی

در پاریس،‌ اخترشناس ایتالیایی، جیووانی کاسینی (Giovanni Cassini) به رصد ماه های مشتری مشغول بود که در گردش مداری به دور سیاره مادر، پشت سیاره‌ پنهان و مدتی بعد دوباره آشکار می شدند. اندازه گیری های او زمان های متفاوتی را برای گردش مداری این ماه ها نشان می داد و کاسینی این ناپایداری ها را به محدود بودن سرعت نور نسبت داد. اخترشناس دانمارکی، اوله رومر (Ole Romer) به کاسینی پیوست و در سال 1676، متوجه شد وقتی زمین در حال نزدیک شدن به مشتری است، زمان آشکار شدن دوباره آیو (درونی ترین ماه مشتری) از پشت سیاره، کوتاه تر از وقتی است که زمین در حال دور شدن از مشتری است. این کشف، تاییدی بر نتیجه‌ گیری کاسینی بود؛ وقتی زمین به سمت مشتری حرکت می کند، فاصله دو سیاره کمتر است و نور مدت زمان کمتری را برای پیمودن این مسیر نیاز دارد. به همین دلیل، نور در زمان نسبتاً کوتاه تری به ما می رسد. بطور عکس، وقتی زمین در مسیر دور شدن از مشتری حرکت می کند، نور باید مسیر طولانی ‌تری را طی کند و نسبتاً دیرتر به ما می رسد. اندازه گیری ها رومر در کنار کشف همبستگی این پدیده با حرکت زمین، باعث شد افتخار کشف به نام او نوشته شود. سال 1690، ریاضیدان هلندی کریستیان هویگنس (Christiaan Huygens) با استفاده از این پدیده، سرعت نور را حدود 220 هزار کیلومتر بر ثانیه تخمین زد؛ حدود 70 درصد اندازه گیری های امروزی.

پیشرفت بعدی باز هم در دنیای اخترشناسی و به کمک پدیده ابیراهی نوری (Aberration of light) بدست آمد. برای درک این پدیده، باران را در نظر بگیرید. قطرات باران که هنگام ساکن ایستادن شما به شکل عمودی سقوط می کنند، هنگام حرکت کردن زیر باران به نظر می رسد از نقطه مقابل شما فرو می ریزند (به همین دلیل، برای جلوگیری از خیس شدن زیر باران باید چتر را کمی کج بگیرید). حال قطرات باران را نوری در نظر بگیرید که از ستاره ای دوردست می آید و حرکت زیر باران هم معادل جابجایی زمین در آسمان است.

راهنمایی: ابیراهی نور پدیده ای نوری است که در اثر آن، به نظر می رسد موقعیت واقعی ستارگان طی سال در آسمان جابجا می شود. این پدیده نتیجه محدود بودن سرعت نور و حرکت زمین در آسمان است.

اخترشناس انگلیسی، جیمز برادلی (James Bradley) این پدیده را در سال 1729 کشف کرد. او اندازه گیری های مربوط به ستاره ای را در صورت فلکی اژدها انجام داد و متوجه شد در یک چرخه شش ماهه، موقعیت ستاره نخست به سمت جنوب و سپس به سمت شمال حرکت می کند.

میزان این جابجایی کمتر از 0.01 درجه قوسی بود، اما به راحتی با ابزارهای رصدی قرن هیجدهم قابل مشاهده بود. بر اساس مشاهده ها،‌ برادلی نتیجه گیری کرد نور 10,200 بار سریع تر از زمین در مدارش حرکت می کند. تخمین برادلی 295 هزار کیلومتر بر ثانیه بود که تنها حدود دو درصد کمتر از مقدار امروزی است.

بازگشت به زمین

اندازه گیری سرعت های بالا نیازمند دسترسی به فواصل طولانی، همانند دنیای اخترشناسی یا توانایی اندازه گیری بازه های زمانی بسیار اندک است. فیزیکدان فرانسوی، لویی فیزو (Louis Fizeau) در سال 1849 راهی برای انجام این کار روی زمین پیدا کرد.

فیزو، نور را از میان دندانه های چرخ دنده ای که با سرعت بالایی در حال چرخش بود، به سوی آئینه ای در فاصله هشت کیلومتری تاباند. اگر نور از شکاف بین دندانه ها عبور می کرد، بازتاب آن از آئینه‌ قابل مشاهده بود؛ اما اگر به دندانه ها برخورد می کرد، فقط تاریکی دیده می شد. او سرعت چرخش چرخ دنده‌ را تغییر می داد و بر اساس آن قادر بود مدت زمان پیمودن این مسافت را بوسیله نور محاسبه کند؛ سرعتی که حدود 313 هزار کیلومتر بر ثانیه محاسبه شد. سال 1862، لئون فوکو (Leon Foucault) از ایده مشابهی استفاده کرد و تنها به جای چرخ دنده، از آئینه های چرخان (برای تعیین زاویه مورد نیاز بازتاب نور) بهره برد. فوکو سرعت نور را 299,796 کیلومتر بر ساعت محاسبه کرد که تنها کمتر از چهار کیلومتر بر ثانیه از اندازه گیری های امروزی فاصله داشت.

سال 1865،‌ فیزیکدان اسکاتلندی جیمز ماکسول نتایج کارهایش در زمینه الکترومغناطیس را منتشر کرد که بر اساس آن، نور موجی متشکل از میدان های الکتریکی و مغناطیسی بود. در هر موج الکترومغناطیسی، میدان الکتریکی ناپدید و میدان مغناطیسی پدیدار می شود، یا برعکس آن اتفاق می افتد،‌ و این پدیده بارها و بارها رخ می دهد. مقاومت یا صلبیت محیط در برابر هر کدام از این میدان های الکتریکی و مغناطیسی به ترتیب نفوذپذیری (تراوایی) الکتریکی و نفوذپذیری (تراوایی) مغناطیسی نامیده می شود. بر اساس نظریه ماکسول، سرعت نور به این کمیت ها وابسته است و سهولت نوسان های دائمی میدان های الکتریکی و مغناطیسی در یک محیط، سرعت حرکت موج الکترومغناطیسی را در آن تعیین می کند. بر اساس نظریه الکترومغناطیس، حاصلضرب نفوذپذیری الکتریکی و مغناطیسی با معکوس توان دوم سرعت نور متناسب است.

راهنمایی:

• نفوذپذیری مغناطیسی: معیاری که سهولت مغناطیسی شدن یک ماده، از جمله خلاء را نشان می دهد.
• نفوذپذیری الکتریکی: بار الکتریکی همواره باعث ایجاد میدان الکتریکی می شود. میزان مقاومت در برابر شکل گیری این میدان را نفوذپذیری الکتریکی می نامند. با استفاده از خازن ها که ابزارهای ذخیره سازی بار الکتریکی هستند، می توان این کمیت را اندازه گیری کرد.

بنابراین می توان گفت حق تا اندازه ای با کپلر بود. اگر خلاء هیچ مقاومتی نداشت، یعنی صلبیت الکتریکی یا مغناطیسی آن در نظریه ماکسول صفر بود، نور با سرعت بی نهایت حرکت می کرد. اما در واقعیت، صلبیت الکتریکی و مغناطیسی صفر نیست و وقتی در پایان قرن نوزدهم مقادیر آنها در معادلات ماکسول جاگذاری شدند، مقدار 299,788 کیلومتر بر ثانیه را برای سرعت نور بدست دادند. به این ترتیب، دقیق ترین تخمین محاسباتی برای سرعت نور در دسترس بشر قرار گرفت.

پیش به سوی اینشتین

سال 1887 و در آمریکا، آلبرت مایکلسون و ادوارد مورلی تلاش کردند سرعت حرکت زمین از میان اتر (ماده ای که آن زمان تصور می شد تمام کیهان را پُر کرده است) را با اندازه گیری اختلاف سرعت حرکت نور در راستای عمود بر هم بدست آورند. آنها از آئینه های نیمه شفاف استفاده کردند که بخشی از نور را 90 درجه منحرف می کرد و بخش دیگر را دست نخورده عبور می داد. با بازتاب هر دو پرتو نور و ترکیب دوباره آنها با یکدیگر، هر اختلافی در سرعت آنها باید خودش را به شکل اختلاف فاز نشان می داد. به عبارت دیگر، ناهماهنگی بین قله ها و دره های امواج نور به شکل مجموعه ای از نوارهای روشن و تیره خودش دیده می شد؛ پدیده ای که «الگوی تداخلی» نامیده می شود.

چیدمان مایکلسون و مورلی بسیار دقیق و حساس بود و در کمال شگفتی ترتیب دهندگانش، نشان داد سرعت حرکت نور یک ثابت جهانی است و مستقل از جهت حرکت است. در عوض، نتایج آزمایش آنها باعث شد آلبرت اینشتین بر نبود اتر اصرار ورزد و نظریه نسبیت خاص را در سال 1905 ارائه کند. بنابراین تلاش برای اندازه گیری دقیق سرعت نور (البته به لطف اینشتین)، باعث دستیابی به بینش ژرف و تازه ای از ماهیت و فضا – زمان شد.

نظریه اینشتین بطور خاص بر این دلالت داشت که سرعت نور در خلاء حد نهایی سرعت است: هیچ جسم دارای جرمی نمی تواند هرگز به سرعت نور در خلاء دست یابد، در حالی که حرکت هر ذره بدون جرمی در خلاء باید با این سرعت جهانی و ثابت انجام شود. با وجود این، از آنجا که سرعت نور در محیط های شفافی مثل آب یا شیشه کاهش پیدا می کند، مانعی وجود ندارد که ذراتی مانند الکترون سریع تر از نور در این محیط ها حرکت کنند؛ اما باز هم سرعت حرکت آنها زیر حد نهایی سرعت نور خواهد بود.

اندازه گیری های مدرن

پیش از اختراع لیزر،‌ اندازه گیری های مستقل فرکانس و طول موج امواج الکترومغناطیسی که در دهه 1950 میلادی و با استفاده از «کاواک تشدید» انجام شده بود، سرعت نور را 299,792 کیلومتر بر ثانیه با عدم قطعیت سه کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرده بود.

راهنمایی: کاواک تشدید، رسانایی توخالی است که هر دو انتهای آن بسته شده و در فضای خالی آن، موجی الکترومغناطیسی حرکت می کند و به سمت عقب و جلو بازتاب می شود. تشدیدگری با طول صحیح می تواند باعث تقویت موجی با فرکانس مشخص شود.

چیدمان های آزمایش های امروزی که نوادگان آزمایش مایکلسون – مورلی هستند، از پرتو لیزر برای اندازه گیری سرعت نور استفاده می کنند. پس از آنکه پرتو لیزر به دو بخش تقسیم و دوباره ترکیب شد، الگوی تداخلی بدست آمده برای تعیین دقیق طول موج نور بکار گرفته می شود. سرعت نور هم از حاصلضرب این طول موج در فرکانس نور لیزر مورد استفاده حاصل می شود. در سال 1972 این روش به محاسبه سرعت نور با دقتی معادل چهار قسمت در میلیارد منجر شد.

امروزه، با استفاده از لیزرهای پیشرفته با ثبات بالا و اندازه گیری‌ دقیق بازه های زمانی با استفاده از ساعت های اتمی، دقیق ترین اندازه گیری سرعت نور به میزان 299,792,458 متر بر ثانیه، با عدم قطعیتی تنها به اندازه یک متر بر ثانیه بدست آمده است. از آنجا که واحد «ثانیه»‌ را می توان به دقت با استفاده از ساعت های اتمی تعریف کرد، عدم قطعیت سرعت نور به میزان دقت در تعریف واحد «متر» بستگی دارد. به همین دلیل، از سال 1983 توافق بین المللی بر این شد تا سرعت نور در مقدار بالا «تثبیت» شود و واحد متر به نحوی تعریف شود که دقیقاً 299,792,458 قسمت از آن در فاصله ای که نور طی یک ثانیه در خلاء می پیماید، وجود داشته باشد.

راهنمایی: ساعت اتمی دقیق ترین راه برای اندازه گیری زمان است که در اختیار داریم. این ابزار از فرکانس امواج الکترومغناطیسی استفاده می کند که الکترون ها هنگام تغییر سطوح انرژی در اتم منتشر می کنند.

بنابراین، امروزه به جای اندازه گیری سرعت نور نسبت به فضا – زمان در کیهان، کاری که فیزیکدانان برای قرن ها بر آن اصرار داشتند، ما دومی را برحسب اولی اندازه گیری می کنیم.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «از کجا می دانیم سرعت نور چقدر است؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله محمود حاج زمان در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.