سرعت نور چگونه محاسبه شده است؟

هیچ چیز در جهان هستی، نمی تواند از سرعت نور در خلا سریع تر حرکت کند. سرعت نور در خلا به 299 میلیون و 792 هزار و 458 متر در ثانیه می رسد. یک ذره دارای جرم تنها می تواند به این سرعت برسد، اما هرگز نمی تواند از آن عبور کند؛ از سوی دیگر، یک ذره بدون جرم، مجبور است همیشه و تا زمانی که در فضای خالی حرکت می کند، دقیقاً با همان سرعت سفر کند.

اما سوال اینجاست که بشر چگونه به چنین اطلاعاتی دست یافته و دلیل آن چیست؟ در ادامه این گزارش، «ایتان سیگل»، اشاعه دهند علم، به سوالات «میشل کارتسون»، درباره «سرعت نور» پاسخ می دهد.

چرا سرعت نور محدود است؟ چرا سرعت نور این اندازه است؟ چرا سرعت نور از سرعت ثابتی که دارد کمتر یا بیشتر نمی شود؟

تا قرن 19 میلادی، ما به درستی هیچ یک از موارد فوق آگاه نبودیم؛ وقتی نور را از میان آب، منشور یا هر واسط دیگری عبور می دهیم، به رنگ های مختلفی تجزیه می شود. نورهای طیف قرمز با زوایای مختلف از طیف های آبی منحرف می شوند. حتی در خارج از طیف مرئی، این اتفاق مشاهده شده و اشعه های مادون قرمز و ماوراء بنفش هم همین ویژگی را بروز داده اند.

این اتفاق تنها وقتی می افتد که سرعت نور در یک رسانا برای طول موج های طیف ها یا انرژی های مختلف تفاوت داشته باشد. اما در خلا و خارج از هرگونه رسانایی، همه طیف های نور با یک سرعت مشخص و محدود سیر می کند.

تا اواسط قرن 18 میلادی، این موضوع کشف نشده بود تا آنکه «جیمز کلرک ماکسول» (James Clerk Maxwell)، فیزیکدان اسکاتلندی، ماهیت واقعی نور را برملا کرد. او در واقع نشان داد که نور، یک موج «الکترو مغناطیس» است.

ماکسول برای نخستین بار پدیده های مستقل «الکترو استاتیک» (بار ساکن)، «الکترو دینامیک» (حرکت جریان ها و بارها)، «مگنتو استاتیک» (میدان های مغناطیسی ثابت) و «مگنتو دینامیک» (جریان های القا شده و باردار کردن میدان های مغناطیسی) را به یک چارچوب نظری واحد در آورد.

معادله ای که بر این پدیده ها حاکم بود، به «معادله ماکسول» مشهور شد و این امکان را می داد تا سناریوی به ظاهر ساده زیر را محاسبه کنید:

چه نوع میدان های مغناطیسی و الکتریکی یا چه مشخصه هایی می تواند در یک فضای خالی، بدون «هیچ» منبع الکتریکی یا مغناطیسی وجود داشته باشد؟

بدون هرگونه القا یا بار مغناطیسی، شاید تصور کنید به هیچ وجه شاهد میدان های مغناطیسی یا الکتریکی نخواهیم بود، اما معادله ماکسول در کمال تعجب، نظر کاملا مخالفی را اثبات می کند.

«هیچ» یکی از راه حل های احتمالی است اما احتمالات دیگر شامل نوسانات هم فاز، میدان های مشترک دارای نوسان عمودی الکتریکی و مغناطیسی می شود. این امواج، دامنه های خاص و تعریف شده ای دارند. آنها انرژی دارند که این انرژی توسط فرکانس نوسان این میدان ها تعریف می شود.

آنها همچنین با سرعت بسیار مشخصی حرکت می کنند که با دو مقدار ثابت ε_0 و µ_0 تعریف می شوند که این مقادیر ثابت، به ترتیب نشان دهنده شدت نیروهای «الکتریکی» و «مغناطیسی» موجود در کیهان هستند. در نتیجه، معادله ای که از این فرم خاص استخراج می شود، به یک شکل خاص یعنی «موج» است.

بنابراین، مانند تمام امواج، این موج هم سرعت دارد، یعنی:

1 √ ( ε_0 µ_0 )

نتیجه حاصل یعنی c، همان سرعت نور در خلا است.

از جنبه تئوری، «نور» یک پرتو الکترومغناطیس بدون جرم است. بنابراین، طبق قوانین حاکم بر الکترومغناطیس، باید فارغ از اینکه سایر خصایص ذاتی دیگر (انرژی، شتاب، طول موج) چه باشد، باید با سرعت c حرکت کند. عبارت ε_0 یا گذردهی خلا را می توان با ساخت و سنجش یک کاپاسیتور اندازه گیری کرد.

از سوی دیگر، عبارت µ_0 دقیقا توسط آمپر (واحد سنجش جریان الکتریسیته) تعریف شده که c از آن حاصل می شود. ضریب بنیادی مشابهی نیز در سال 1865 میلادی از سوی ماکسول ارائه شد که از آن زمان به بعد در بسیاری موارد دیگر ذیل نیز به چشم می خورد:

• این ضریب نشان دهنده سرعت هر ذره بدون جرم یا موج، شامل امواج گرانشی است.
• این یک ضریب بنیادین است که به ترتیب، به حرکت شما در فضا تا حرکت شما در زمان ارتباط دارد.
• در نهایت، این یک ثابت بنیادین است که در عبارت E = mc^2، انرژی را به جرم ساکن مرتبط می کند.

نخستین محاسبه این مقدار واقعی، از مشاهدات نجومی حاصل شد. هنگامی که اقمار مشتری دچار خسوف شده یا از خسوف خارج می شوند، در الگوها و جهت های متفاوتی ظاهر یا غیب می شوند که مشاهده این پدیده از روی زمین، به سرعت نور بستگی دارد.

این مشاهدات، منجر به نخستین سنجش کمّی c (سرعت حرکت نور در خلا) در قرن 17 میلادی شد که بر طبق این محاسبات، سرعت نور 8^10×2.2 متر بر ثانیه برآورد شد. انحراف پرتو نور یک ستاره که از جابجایی میان ستاره و زمینی که تلسکوپ روی آن نصب شده حاصل می شود نیز قابل اندازه گیری کمّی است.

در سال 1729 میلادی، از این شیوه برای محاسبه c، حدود 1.4 درصد مقدار کنونی آن استفاده شد. تا دهه 1970 میلادی، سرعت نور در خلا یا همان c، حدود 299,792,458 متر بر ثانیه و با خطای 0.0000002 درصد برآورد می شد که بیشتر این انحراف هم به دلیل دشواری در تعریف کامل و دقیق ثانیه یا متر بود.

در سال 1983 میلادی، ثانیه و متر، در ارتباط با سرعت نور در خلا (c) و ویژگی های مشترک و بین المللی پرتو اتمی مجددا تعریف شد. بنابراین، سرعت نور اکنون، دقیقا 299,792,458 متر بر ثانیه برآورد شده است.

حال سوال اینجاست که چرا سرعت نور از این مقدار کمتر یا بیشتر نیست؟ پاسخ این سوال به سادگی اتم بالاست. انتقالات اتمی به دلیل خاصیت کوانتومی بنیادین اعطا شده به بنیان های طبیعت رخ می دهد. فعل و انفعالات یک هسته اتم با میدان های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط الکترون ها با سایر بخش های اتم، سبب تولید سطوح مختلف انرژی به شدت نزدیک به یکدیگر اما تقریبا متفاوت می شود که از این پدیده تحت عنوان «تقسیم فوق ظریف» یاد می شود.

به ویژه اینکه نوسان انتقالات ساختار فوق ظریف، اتم های سزیوم 133منجر به تولید نوری با طول موج بسیار خاص می شود. وقتی 9,192,631,770 چرخه از این نور عبور کند، این زمان یک ثانیه را تعریف می کند. همچنین، مسافتی که این نور طی می کند، دقیقا 299,792,458 است،.و سرعتی که این نور طی می کند نیز تحت عنوان c تعریف می شود.

برای تغییر این تعریف، نیاز به معیاری است که اساسا با طبیعت انتقال یا نوری که از آن حاصل می شود، متفاوت باشد. این یافته ها همچنین درس با ارزشی به ما می آموزد: مشاهده اینکه اگر فیزیک هسته ای و انتقالات هسته ای در زمان های گذشته متفاوت از هم یا با فاصله زیاد عمل می کردند، می تواند شاهدی بر تغییر سرعت نور در گذر زمان باشد.

تاکنون، تمامی سنجش هایی که در این راه انجام شده، تنها محدودیت هایی را بر اینکه چگونه سرعت نور در طول تاریخ ثابت بوده، ایجاد می کند و این محدودیت بسیار خوب است چرا که حاکی از تغییر تنها 7 درصدی این مقدار طی 13.7 میلیارد سال گذشته است.

بنابراین، اگر سرعت نور در بین تمام این معیارها «غیرثابت» یا در بین انواع نورها متفاوت نشان داده می شد، این اتفاق می توانست منجر به بزرگ ترین انقلاب فیزیک از زمان انیشتین به بعد شود. در عوض، شواهد کیهانی که به آنها اشاره شد، همان قوانین فیزیک هستند که همیشه و در هر مکان، زمان و جهتی ثابت بوده اند که این قوانین فیزیک نور را نیز شامل می شوند. این اتفاق هم به نوبه خود می تواند یک انقلاب محسوب شود.