نور چیست؟
فهم ماهیت نور، سال ها فکر و ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده و واقعیت این است که بعد از تلاش های بسیار، هنوز هم دانشمندان با قاطعیت نمی توانند ماهیت اصلی نور را بیان کنند. با این حال امروزه با آزمایش ها و بررسی دقیق اثرات نور، دانشمندان تا حدودی به آن پی برده اند.
آنها بر این عقیده هستند که نور نوعی موج الکترومغناطیسی است که توسط ذرات بسیار ریز به نام فوتون حمل می شود.
برای درک و شناخت نور، شما می توانید با ما همراه شوید تا نگاهی به تاریخ آن بیندازیم.
در طول قرن ها، نگاه ما نسبت به نور بطور چشمگیری تغییر کرده است. اولین نظریه پردازی ها توسط یونانیان باستان مانند فیثاغورس، اپیکور، اقلیدس و بطلمیوس انجام شد و پس از آنها دانشمند عرب، ابن هیثم به بررسی نور پرداخت. اما اولین و جامع ترین نظریه توسط نیوتن ارائه شد.
ماهیت دانه ای نور
نیوتن در سال 1666 میلادی، اولین آزمایش مهم نور را انجام داد. وی یک دسته اشعه نور خورشید را که از شکاف باریکی وارد اتاق تاریکی شده بود، بطور مایل بر وجه یک منشور شیشه ای تابانید. او اشعه خارج شده را بر یک پرده سفید انداخت و مشاهده کرد که به جای تشکیل یک لکه سفید نور، دسته ای از نوارهای رنگین که به ترتیب سرخ، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش بودند، پراکنده شده اند. او این نوار رنگین را طیف نور نامید.
نیوتن نظر داد که نور از ذرات بسیار ریز دانه تشکیل می شود که با سرعت زیاد حرکت می کنند. نظریه دانه ای نیوتن هر چند بعضی از سوالات را پاسخ می گفت، اما باز هم پرسش هایی وجود داشت که این نظریه نمی توانست برای آنها جواب قانع کننده ای ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بیشتر منحرف می شوند؟ یا چرا دو دسته اشعه نور می توانند بدون آنکه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟
ماهیت موجی نور
دانشمند دیگری به نام هویگنس (Huygens) در سال 1690 میلادی در رساله مشهور خود، نظریه موجی بودن نور را منتشر کرد. طبق اصل هویگنس، حرکت نور به صورت موجی است و از یک چشمه نور به تمام جهات پخش می شود. نظریه هویگنس نیز کاملاً رضایت بخش نبود، زیرا نمی توانست توضیح دهد که چرا سایه واضح تشکیل می شود؟ و یا چرا امواج نور نمی توانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟
نظریه های دانه ای و موجی بودن نور بیش از صد سال با هم مجادله کردند، اما نظریه دانه ای نیوتن بیشتر مورد قبول واقع شده بود، زیرا از یک طرف منطقی تر به نظر می رسید و از طرف دیگر با نام نیوتن همراه بود. با وجود این هر دو نظریه فاقد شواهد پشتوانه ای قوی بودند. تا آنکه به تدریج دلایلی بر موجی بودن نور ارائه گردید.
در سال 1800 میلادی، ویلیام هرشل آزمایش بسیار ساده، اما جالبی انجام داد. وی یک دسته اشعه نور خورشید را از منشور عبور داد و در ماورای انتهای طیف سرخ، دماسنجی نصب کرد. جیوه در دماسنج بالا رفت. بدین ترتیب هرشل تابشی نامرئی را کشف کرد که به تابش زیر قرمز (مادون قرمز یا فروسرخ) مشهور شد.
در سال 1801 میلادی، نیز دانشمند دیگری به نام توماس یانگ (Thomas Young) دست به آزمایش بسیار مهمی زد. وی یک دسته اشعه باریک نور را از دو سوراخ نزدیک به هم گذراند و بر پرده ای تاباند که در عقب این سوراخ نصب کرده بود. احتمال می رفت که اگر نور از ذرات تشکیل شده باشد، محل تلاقی دو دسته روشن تر از جاهای دیگر باشد، اما نتیجه ای که یانگ بدست آورد چیزی دیگر بود. روی پرده یک گروه نوارهای روشن تشکیل شده بود که هر یک بوسیله یک نوار تاریک از دیگری جدا می شد. این پدیده به سهولت با نظریه موجی بودن نور توضیح داده می شد. نوار روشن نشان دهنده تقویت امواج یکی از دسته ها توسط امواج دسته دیگر بود؛ به عبارت دیگر، هر جا که دو موج هم فاز شوند، بر یکدیگر افزوده می شوند و یکدیگر را تشدید می کنند. از طرف دیگر نوارهای تاریک، نشان دهنده جاهایی بود که امواج در فاز مقابل اند، در نتیجه یکدیگر را خنثی می کنند.
ماهیت الکترومغناطیسی نور
همزمان با تلاش های یانگ، برخی دیگر از فیزیکدانان چون فارادی، اورستد و آمپر روی پدیده های الکتریکی، مغناطیسی و وابستگی آنها کار می کردند. مدتی بعد مشخص گردید که الکتریسیته و مغناطیس و نور از هم جدا نیستند. در اینجا ابتدا اشاره ای کوتاه به تفاوت نیروی الکتریسیته و مغناطیس داریم و سپس امواج الکترومغناطیسی را بیان خواهیم کرد که نور، بخش بسیار کوچکی از آن است.
بین نیروی گرانش و نیروی الکتریکی دو اختلاف وجود دارد. اول اینکه گرانش، همواره نیروی جاذبه است. در حالی که نیروی الکتریکی می تواند نیروی جاذبه یا دافعه باشد. دو بار الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می کنند و دو بار الکتریکی غیر همنام یکدیگر را جذب می کنند. اختلاف دیگر نیروهای الکتریکی و گرانشی در مقدار آنها است. مثلاً نیروی الکتریکی که دو الکترون به یکدیگر وارد می کنند، تقریباً هزار میلیارد میلیارد میلیارد برابر نیروی گرانشی است که این دو الکترون بر هم وارد می کنند! دانشمندی به نام کولن برای نیروی مغناطیسی فرمولی مشابه با نیروی الکتریکی نوشت، اما تا مدت ها مورد توجه فیزیکدانان واقع نشد، اما پس از کشف ارتباط متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی، مشخص شد که این دو میدان مستقل از هم نیستند.
در سال 1820 میلادی، اورستد مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیستم می تواند عقربه قطب نمای مغناطیسی را تحت تاثیر قرار دهد. بدین ترتیب الکترومغناطیس در جایگاه یک علم مطرح شد و بسیاری از پژوهشگران (که معروف ترین آنان مایکل فارادی بود) آن را کامل تر ساختند.
ماکسول (Maxwell) در حدود سال 1870 میلادی، قوانین الکترومغناطیس را ارائه داد. یکی از نتایج بسیار مهم معادلات ماکسول، مفهوم طیف الکترومغناطیسی است که حاصل کشف تجربی موج رادیویی بود. امواج الکترومغناطیس دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس یا طول موج با هم تفاوت دارند. طبق تعریف، موج الکترومغناطیس نوسان سینوسی یک میدان الکتریکی است که یک میدان مغناطیسی مشابه نیز در راستای عمود بر آن پدیدار می شود. نور نیز نوعی موج الکترومغناطیسی است که برای انتشار احتیاج به هوا یا محیط مادی ندارد.
امواج الکترومغناطیسی از امواج رادیویی با طول موجی معادل چندین کیلومتر شروع می شوند. پس از گذر از امواج رادیویی متوسط و کوتاه، امواج فروسرخ و مرئی قرار دارند. چشم ما تنها می تواند امواج بسیار محدودی را در طیف مرئی مشاهده کند. بعد از ناحیه مرئی، طیف فرابنفش قرار دارد که خود منتهی به امواج اشعه ایکس، گاما و پرتوهای کیهانی می شود. نموداری از این طیف در شکل آمده است که در آن نواحی قراردادی طیفی نشان داده می شوند.
ماکسول تمام دانش تجربی آن روزگار را در مجموعه واحدی از معادلات ریاضی مشخصاً خلاصه کرد و جهان علم را شدیداً تحت تاثیر قرار داد.
ماهیت کوانتومی و تکمیلی نور
در دهه اول قرن بیستم، نظریه تکمیلی دیگری به نام مکانیک کوانتومی نور را سه دانشمند بزرگ زمان یعنی پلانک (Max Planck)، آلبرت اینشتین و بور (Niels Bohr) پیشنهاد کردند. طبق این نظریه، انرژی الکترومغناطیسی کوانتیده است؛ یعنی جذب یا نشر انرژی در مقدارهای گسسته ای انجام می گیرد. این نظریه همچنین بیان می کند که امواج الکترومغناطیس (که طیف نور مرئی بخش کوچکی از آن است)، را ذرات بسیار ریز و بدون جرم به نام فوتون با سرعت 300 هزار کیلومتر در ثانیه پخش می کنند.
طبق این نظریه که تاکنون پا بر جا مانده است، نور خاصیت دوگانه ذره ای و موجی دارد.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «نور چیست؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
