آیا واقعا نور از هر چیزی سریع‌تر است؟

آیا نور تنها سرعت غالب در جهان است یا خیر؟ این سوال یکی از پرتکرارترین سوالاتی است که دانش آموزان پیگیر آن هستند.

نور دارای بیشترین سرعت در جهان هستی است. سرعت نور در خلا بیشترین مقدار خود را دارد. نوری که از خلا عبور می‌کند دقیقاً با سرعت ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر در ثانیه حرکت می‌کند. این مقدار به اختصار چیزی حدود ۳۰۰ میلیون متر بر ثانیه شناخته می‌شود. این عدد یک ثابت جهانی است که در معادلات و به صورت مختصر با نام «c» یا سرعت نور شناخته می‌شود.

طبق نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین، که بیشتر فیزیک مدرن بر آن استوار است، هیچ چیز در جهان نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. این نظریه می‌گوید که با نزدیک شدن ماده به سرعت نور، جرم ماده به سمت بی‌نهایت متمایل می‌شود. این بدان معناست که سرعت نور به عنوان محدودیت سرعت در کل جهان عمل می‌کند و چیزی سریع‌تر از آن نیست. سرعت نور آنقدر تغییر ناپذیر است که بر اساس اعلام موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده، از آن برای تعیین اندازه‌های استاندارد بین المللی مانند متر (و در نتیجه، مایل، پا و اینچ) استفاده می‌شود. سرعت نور حتی می‌تواند از طریق برخی معادلات به کمیت‌های دیگر مربوط بشود برای مثال سرعت نور از طریق زنجیره‌ای از معادلات، به تعریف کیلوگرم و کلوین نیز کمک خواهد کرد.

• 

تمام این موضوعات باعث شده است که سرعت نور یک کمیت ارزشمند برای معادلات و حتی اثبات کمیت‌های دیگر فیزیکی بشود. از این رو این مقدار برای دانشمندان از اهمیت زیادی برخوردار است.

اما علیرغم شهرت و مقدار سرعت نور به عنوان یک ثابت جهانی، دانشمندان و نویسندگان داستان‌های علمی - تخیلی به طور یکسان زمان خود را در فکر سفرهای سریع‌تر از نور و سرعت‌های مافوق نور می‌گذارند. تاکنون هیچ کس نتوانسته است روش سفر با چنین سرعتی را بفهمد و حتی طرح مناسبی را برای سفرهای مافوق سرعت نور را پایه ریزی کند.

سال نوری مسافتی است که نور می‌تواند در یک سال طی کند. این مقدار چیزی حدود 10 تریلیون کیلومتر است. این یکی از روش‌هایی است که ستاره شناسان و فیزیکدانان فاصله‌های زیادی را در سراسر جهان ما اندازه گیری می‌کنند.

نور در حدود 1 ثانیه از ماه به چشم ناظران می‌رسد. این بدان معناست که ماه در حدود 1 ثانیه نوری از ما فاصله دارد. نور خورشید حدود 8 دقیقه طول می‌کشد تا به چشم ما برسد ، بنابراین خورشید حدود 8 دقیقه نوری با ما فاصله دارد. رسیدن نور به آلفا قنطورس، که نزدیکترین منظومه ستاره‌ای به منظومه ما است، تقریباً 4.3 سال طول می کشد تا به اینجا برسد، بنابراین آلفا قنطورس 4.3 سال نوری با ما فاصله دارد.

برای به دست آوردن ایده‌ای درباره اندازه یک سال نوری، محیط زمین راحدود ۴۰ هزار کیلومتر بگیرید، آن را در یک خط مستقیم قرار دهید و طول خط را در 7.5 ضرب کنید. این فاصله مربوطه یک ثانیه نوری است. سپس 31.6 میلیون خط مشابه را پایان به انتها قرار دهید. فاصله حاصل تقریباً 9هزار میلیارد کیلومتر است. این کمیت مقدار بسیار زیادی است که حتی تصور آن می‌تواند به کلی دشوار باشد. اما این موضوع تازه ابتدای راه است زیرا ستارگان و اجرام سماوی چیزی حتی تا میاردها سال نوری نیز ممکن است از ما فاصله داشته باشند به همین دلیل هر فاصله نوری به ثانیه یا دقیقه نیست بلکه می‌تواند سال، ماه و یا حتی میلیاردها سال باشد. این موضوع کاملا به فاصله اجرام از یکدیگر مربوط است.

• 

ستارگان و اجرام دیگر ماورای منظومه شمسی در فاصله‌ای از چند سال نوری تا چند میلیارد سال نوری از ما قرار دارند و هر آنچه ستاره شناسان از جهان دور دست می‌بینند به معنای واقعی کلمه متعلق به تاریخ است. وقتی ستاره شناسان اجسامی را که در دوردست قرار دارند مطالعه می‌کنند، این اجسام همانطور که در زمان خروج نور از آنها وجود داشت، ظاهر می‌شوند. به زبان ساده، ما در حال مشاهده گذشته هستیم.

در قرن پنجم، فیلسوفان یونانی مانند امپدوکلس و ارسطو در مورد ماهیت سرعت نور اختلاف نظر داشتند. امپدوکلس تصور می‌کرد که نور  از هر چیزی که ساخته شده است  باید حرکت کند. بنابراین، باید دارای سرعت سیر باشد. ارسطو در رساله‌ای در رد نظر امپدوکلس این را نوشت و معتقد بود که نور، برخلاف صدا و بو، آنی و ناگهانی است. ارسطو البته اشتباه می کرد، اما صدها سال طول کشید تا شخص دیگری بتواند آن را ثابت کند. در ابتدا تصور افراد از ماهیت نور بسیار متفاوت‌تر از چیزی بود که امروز می‌دانیم. اما با گذشت زمان و تحلیل مشاهدات، دانشمندان توانستند که به حقیقت واقعی نور و حتی سرعت آن دست پیدا کنند.

در اواسط دهه ۱۶۰۰، به نقل از PBS NOVA ، گالیلئو گالیله، ستاره شناس ایتالیایی دو نفر را در تپه‌هایی با فاصله کمتر از یک مایل قرار داد. هر نفر یک فانوس محافظ در دست داشتند و سپس از آن‌ها خواست با دیدن نور فانوس شخص دیگر، فانوس خود را روشن کنند. یکی فانوس خود را روشن کرد و وقتی شخص دیگر نور فانوس او را دید، او نیز فانوس خود را روشن کرد. اما فاصله زمانی بین روشن شدن دو فانوس در آزمایش گالیله آنقدر زیاد نبود که شرکت کنندگانش بتوانند با استفاده از نتیجه این آزمایش سرعت نور را ثبت کنند. او فقط می‌توانست نتیجه بگیرد که نور حداقل ۱۰ برابر سریع‌تر از صدا حرکت می‌کند.

• 

در دهه 1670، ستاره شناس دانمارکی اوله رومر سعی کرد یک برنامه قابل اطمینان برای دریانوردان در دریا را طراحی کند و به گفته ناسا، به طور تصادفی بهترین تخمین جدید را برای سرعت نور ارائه داد. او برای ایجاد یک ساعت نجومی، زمان دقیق گرفتگی قمر مشتری یا همان قمر آیو، را از زمین ثبت کرد. با گذشت زمان، رومر مشاهده کرد که گرفتگی‌های آیو اغلب با محاسبات او متفاوت است. او متوجه شد که کسوف و زمین در حال دور شدن از یکدیگر بیشتر از هر وقت دیگری ظاهر می‌شوند. در واقع پیش از موعد زمانی که سیارات نزدیک می‌شوند ظاهر می‌شوند و طبق برنامه زمانی‌ای رخ می‌دهد که سیاره‌ها در نزدیک‌ترین یا دورترین نقاط خود قرار دارند. این موضوع از نظر آن‌ها شباهت زیادی به چیزی داشت که در قانونی دیگر به نام اثر داپلر رخ می‌داد. در هر صورت این آزمایش منجر به کشف نتایج مهمی از سوی دانشمندان شد.

رومر از مشاهدات خود برای تخمین سرعت نور استفاده کرد. از آنجا که اندازه منظومه شمسی و مدار زمین هنوز به طور دقیق مشخص نبود، مقاله‌ای در سال 1998 در مجله فیزیک آمریکا علت این موضوع را به تعویق افتادن این ماجرا اعلام کرد. اما سرانجام، دانشمندان تعدادی را با آن‌ها کار کردند. محاسبه رومر سرعت نور را در حدود 200،000 کیلومتر بر ثانیه عنوان کرد.

در سال 1728، فیزیکدان انگلیسی جیمز بردلی مجموعه جدیدی از محاسبات را بر اساس تغییر موقعیت ظاهری ستارگان به دلیل سفرهای زمین به دور خورشید انجام داد. به گفته انجمن فیزیک آمریکا ، او سرعت نور را 301،000 کیلومتر بر ثانیه تخمین زده است. این مقداری با مقدار واقعی کنونی سرعت نور فاصله داشت. سرعت واقعی نور چیزی حدود ۳۰۰ میلیون متر بر ثانیه که این مقدار برابر با ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه است. اختلاف دو مقدار تخمین زده شده و واقعی بسیار کم بود.

دو تلاش جدید در اواسط دهه 1800 این مشکل را بر سر زبان مردم انداخت. فیزیکدان فرانسوی هیپولیت فیزو یک پرتو نور را بر روی چرخ دندانه دار با چرخش سریع قرار داد و آینه‌ای در فاصله حدود 8 کیلومتری  قرار گرفت تا آن را به منبع خود بازگرداند. تغییر سرعت چرخ به فیزو اجازه می‌داد تا بتواند محاسبه کند که چقدر طول می‌کشد تا نور از سوراخ خارج شود و به آینه مجاور خودش برسد و از شکاف بازگردد. لئون فوکو، فیزیکدان دیگر فرانسوی، برای انجام همان آزمایش، از آینه چرخان به جای چرخ استفاده کرد.

• 

به نقل از دانشگاه ویرجینیا، دانشمند دیگری به دنبال کشف سرعت واقعی نور بود. آلبرت مایکلسون که متولد لهستان بود، در دوران طلایی این ایالت در کالیفرنیا بزرگ شد و هنگام تحصیل در آکادمی نیروی دریایی ایالات متحده، علاقه خود را به فیزیک پیدا کرد. در سال ۱۸۷۹، او سعی کرد روش فوکو برای تعیین سرعت نور را تکرار کند. اما مایکلسون فاصله بین آینه‌ها را افزایش داد و از آینه‌ها و لنزهای با کیفیت بسیار بالا استفاده کرد. نتیجه مایکلسون با سرعتی برابر با ۲۹۹۹۱۰ کیلومتر بر ثانیه به عنوان دقیق‌ترین اندازه گیری سرعت نور برای مدتی حدود ۴۰ سال پذیرفته شد.

ای موضوع تا زمانی ادامه داشت که مایکلسون دوباره آن را اندازه گیری کرد. مایکلسون در دور دوم آزمایشات خود بین دو قله کوه با فاصله‌هایی که با دقت اندازه گیری شده بود چراغ‌هایی را روشن کرد تا برآورد دقیق‌تری را به دست آورد. مایکلسون در سومین تلاش خود درست قبل از مرگش در سال ۱۹۳۱، بر اساس مجله Smithsonian's Air and Space، یک لوله با فشار کنترل شونده به طول یک مایل از جنس فولادی خاصی ساخت. این لوله تقریباً شرایط خلاء و بی هوازی را شبیه سازی می‌کرد که هرگونه تأثیر هوا بر سرعت نور را برای اندازه گیری کم‌تر و یا بی‌اثر کند. این موضوع باعث می‌شد که مقادیر اندازه‌گیری شده در این آزمایش تا حد زیادی به مقادیر واقعی نزدیک‌تر باشند زیرا اثر هوا بر روی آن‌ها نادیده گرفته شده بود. این موضوع یعنی سرعت نور واقعا خالص بود.

مایکلسون همچنین ماهیت خود نور را نیز مورد مطالعه قرار داد. اتان سیگال، اخترفیزیکدان در وبلاگ علمی Forbes، با عنوان مقاله جدید خود هیاهویی به پا کرد. شروع مقاله به شرح زیر بود:

بهترین ذهنیت فیزیکی در زمان آزمایشات مایکلسون به وجود آمد: نور موج است یا ذره؟

مایکلسون، به همراه همکارش ادوارد مورلی، بر روی این فرض کار کردند که نور مانند الگوی امواج حرکت می‌کند، درست مانند صدا. همانطور که صدا برای حرکت به ذرات احتیاج دارد، مایکلسون و مورلی و دیگر فیزیکدانان آن زمان استدلال کردند، نور نیز باید دارای نوعی سامانه برای حرکت باشد. این ماده نامرئی و غیرقابل تشخیص «اتر درخشان» یا آن طور که به اختصار گفته می‌شود «اتر» نامیده می‌شد.

مایکلسون و مورلی یک تداخل سنج پیچیده ساختند. این تداخل سنج نسخه‌ای بسیار اساسی از ابزار مورد استفاده امروز در تاسیسات رصد خانه موج گرانشی با تداخل سنج لیزری بود. با این وجود، مایکلسون و همکارش نتوانستند شواهدی از هر نوع اتر درخشان پیدا کند. سرانجام او دریافت که نور توانایی حرکت در محیط خلا را دارد و هم‌اکنون در خلا در حال حرکت است.

• 

«این آزمایش و در کل مجموعه کارهای مایکلسون آنقدر انقلابی بود که او تنها فردی در تاریخ شد که به دلیل عدم کشف دقیق هیچ چیز برنده جایزه نوبل شد. این آزمایش ممکن است خود یک شکست تمام و کمال باشد، اما آنچه از این آزمایش‌ها برای بشریت و درک بیشتر خود از جهان آموختیم بزرگ‌تر و والاتر از هر موفقیتی بود.»

اتان سیگال

نظریه نسبیت خاص اینشتین انرژی، ماده و سرعت نور را در یک معادله معروف یکپارچه کرد. 2^E = mc این معادله رابطه بین جرم و انرژی را توصیف می‌کند. مقادیر کمی از جرم (m) حاوی مقدار زیادی انرژی (E) است یا از آن تشکیل شده است. در واقع این همان چیزی است که بمب‌های هسته‌ای را بسیار قدرتمند می‌کند، در واقع این بمب‌ها جرم را به انفجار انرژی تبدیل می‌کنند.

از آنجا که سرعت نور بسیار زیاد است، حتی مقدار کمی از جرم باید معادل مقدار زیادی انرژی باشد.

برای توصیف دقیق جهان، معادله زیبای اینشتین مستلزم سرعت نور ثابت ثابت است. اینشتین ادعا کرد که نور از طریق خلا حرکت می‌کند، نه هر نوع اتر درخشان، و به گونه‌ای خاص و بدون در نظر گرفتن سرعت ناظر با همان سرعت حرکت می‌کند.

بگذارید برای درک بهتر این موضوع یک مثالی را درباره ناظران با سرعت‌های مختلف در اختیار شما قرار بدهیم. می‌دانید که ناظرانی که روی قطار نشسته‌اند می‌توانند به قطاری که در امتداد یک خط موازی حرکت می‌کند نگاه کنند و حرکت نسبی آن را برای خود صفر بدانند. اما ناظری که تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کند شرایط شکل دیگری را به خود خواهد گرفت. موضوع به این دلیل است که حرکت واقعاً سریع واقعا یکی از تنها تأیید شده سفر در زمان است، زمان برای آن دسته از ناظران که در مقایسه با ناظری که به آرامی حرکت می‌کنند کندتر خواهد شد. این افراد کندتر پیر می‌شوند و لحظات کمتری را درک یا سپری می‌کنند.

به عبارت دیگر، انیشتین پیشنهاد کرد که سرعت نور با زمان یا مکانی که شما آن را اندازه گیری می‌کنید یا  با سرعت حرکت متفاوت نیست.

طبق این نظریه، اجسام یا هر جرمی هرگز نمی‌توانند به سرعت نور برسند. اگر جسمی به سرعت به نور برسد، جرم آن بی نهایت خواهد شد. و در نتیجه، انرژی مورد نیاز برای حرکت جسم نیز بی نهایت می‌شود.

این بدان معناست که اگر درک خود را از فیزیک بر اساس نسبیت خاص قرار دهیم، سرعت نور محدودیت سرعت تغییر ناپذیر جهان ما است. سریع ترین چیزی که هر چیزی می تواند طی کند سرعت نور است و چیزی سریع‌تر از آن وجود ندارد.

اگرچه اغلب از سرعت نور به عنوان محدودیت سرعت جهان یاد می شود، اما جهان در واقع حتی سریع‌تر از این رقم منبسط می‌شود. پل ساتر، اخترفیزیکدان در مقاله‌ای برای Space نوشت که جهان در هر ثانیه کمی بیش از 68 کیلومتر منبسط می‌شود.

به عبارت دیگر، این طور به نظر می‌رسد یک کهکشان در فاصله 1 مگاپارسکی با سرعت 68 کیلومتر بر ثانیه از راه شیری دور می‌شود و این در حالی که یک کهکشان در فاصله دو مگاپارسکی که در فاصله دورتری قرار دارد با سرعت136 کیلومتر بر ثانیه عقب نشینی می‌کند. این مقادیر به ازای فواصل بیشتر به همین ترتیب ادامه پیدا می‌کنند.

« در برخی نقاط، در فاصله‌های دوردست، سرعت از میزان قابل انتظار فراتر می‌رود و و از سرعت نور بیشتر می‌شود، همه این‌ها ناشی از گسترش طبیعی و منظم فضا است به نظر می‌رسد باید غیرطبیعی  باشد، اینطور نیست؟ یک کهکشان در سمت دور جهان؟ این حوزه نسبیت عام است به همین دلیل  نسبیت عام می‌گوید که چه چیزی اهمیت دارد چه کسی اهمیت می‌دهد! آن کهکشان می‌تواند هر سرعتی که می‌خواهد را داشته باشد مادامی که بسیار دور باشد. یعنی یک کهکشان در کنار شما نمی‌تواند اینچنین سریع و غیرقابل کنترل باشد. به این صورت، نسبیت خاص به سرعت یک کهکشان در دوردست اهمیتی نمی‌دهد پس شما نیز نباید اهمیت دهید.»

پل ساتر

طبق گفته ساتر، نسبیت خاص یک محدودیت سرعت مطلق را در جهان ارائه می‌دهد ، اما نظریه انیشتین در سال 1915 در مورد نسبیت عام این اجازه را می‌دهد که رفتارهای متفاوتی در زمانی که فیزیک مورد بررسی شما دیگر «محلی» و کوتاه‌برد نیست، انجام شود.

نور در خلا عموماً برای حرکت با سرعت مطلق نگه داشته می‌شود، اما نوری که از هر ماده عبور می‌کند می‌تواند کند شود. ویژگی‌ای که یک ماده می‌تواند با آن نور را کند کند ضریب شکست آن ماده نامیده می‌شود. بر اساس مقاله ساتر، نور  در هنگام تماس با ذرات خم می‌شود که این خمیدگی در نهایت منجر به کاهش سرعت می‌شود.

به عنوان مثال ، نوری که در جو زمین حرکت می کند تقریباً به سرعت نور در خلا حرکت می کند و سرعت آن فقط سه ده هزارم سرعت نور کاهش می یابد. اما PBS NOVA گزارش داد، عبور نور از یک الماس به کمتر از نیمی از سرعت معمول آن می انجامد. با این وجود ، با سرعت بیش از 277 میلیون مایل در ساعت (تقریبا 124،000 کیلومتر بر ثانیه) از طریق این گوهر حرکت می کند - برای ایجاد تغییر کافی است ، اما هنوز هم فوق العاده سریع است.

بر اساس مطالعه‌ای که در سال 2001 در مجله نیچر منتشر شد، نور را می‌توان در داخل ابرهای بسیار سرد اتم کند کرد و یا حتی متوقف کرد. اخیراً، مطالعه‌ای در سال 2018 که در مجله Physical Review Letters منتشر شد، روش جدیدی را پیشنهاد کرد. این روش برای توقف نور در مسیرهای خود در نقاطی خاص یا مکان‌هایی که دو انتشار جداگانه نور در یکدیگر تلاقی می‌کنند و با یکدیگر ترکیب می‌شوند، صادق است.

محققان همچنین سعی کرده‌اند سرعت نور را حتی در هنگام عبور از خلا کاهش دهند. گروهی از دانشمندان اسکاتلندی با موفقیت یک فوتون یا ذره نور را حتی در حین حرکت در خلا کاهش دادند. همانطور که در مطالعه آنها در سال 2015 در مجله Science منتشر شد، در اندازه گیری‌های آن‌ها ، تفاوت بین فوتون کند و فوتون معمولی تنها چند میلیونیم متر بود ، اما نشان داد که نور در خلا می‌تواند کندتر از سرعت ثابت و مقدار اصلی نور باشد.

داستان‌های علمی تخیلی ایده پیچش نور را دوست دارند. سفرهای سریعتر از نور، امتیازهای علمی بیشماری را ممکن می‌سازد. این کار وسعت عظیم فضا را متراکم کرده و اجازه می‌دهد شخصیت‌های مختلف به آسانی بین سیستم‌های ستاره‌ای عبور و مرور کنند.

اما به هر حال سفر سریع‌تر از نور یا مافوق سرعت نور غیرممکن نیست. ما باید از فیزیکی با قوانین بسیار عجیب و غریب استفاده کنیم تا بتواند کار کند. خوشبختانه برای علاقه‌مندان به موضوعات علمی تخیلی و فیزیکدانان نظری، راه‌های زیادی برای اکتشاف وجود دارد. تنها کاری که باید انجام دهیم این است که دریابیم چگونه خود را حرکت ندهیم و ثابت باقی بمانیم. زیرا نسبیت خاص باعث می‌شود تا مدت‌ها قبل از رسیدن به سرعت کافی نابود شده باشیم. با رخ دادن این موضوع طبق همین قانون نسبیت خاص می‌توانید فضای اطراف خود را جابه‌جا کنید.

• 

یک ایده پیشنهادی شامل یک سفینه فضایی است که می‌تواند حباب فضا-زمان را به دور خود بچرخاند. این موضوع هم از نظر تئوری و هم از نظر داستانی عالی به نظر می‌رسد.

«اگر ناخدا کرک مجبور به حرکت با سرعت سریع‌ترین موشکهای ما باشد، صد هزار سال طول می‌کشد تا به سیستم ستاره بعدی برسد. بنابراین داستان‌های علمی تخیلی مدت‌ها است راهی را برای غلبه بر موانع رسیدن به سرعت  نور مطرح کرده‌اند تا داستان کمی سریع‌تر حرکت کند.»

ست شوستاک، ستاره شناس موسسه جستجوی هوش فرازمینی (SETI)

بدون سفر سریعتر از نور، هرگونه داستان علمی تخیلی مربوط به فضا یا جنگ ستارگان غیر ممکن خواهد بود. اگر قرار است که روزی بشریت بتواند به دورترین گوشه جهان ما برسد، همان جهانی که دائماً در حال گسترش است؛ این مسئولیت بر دوش فیزیکدانان آینده خواهد بود تا بتوانند جسورانه راهی را برای این موضوع پیدا کنند تا بشر را به نقطه‌ای جدید از زندگی برسانند. اما چیزی که تاکنون مشخص است این است که هیچ راهی برای حرکت بشر با سرعت مافوق نور وجود ندارد.