آیا واقعا نور از هر چیزی سریع تر است؟ - مسافرت رو

به گزارش نور دارای بیشترین سرعت در دنیا هستی است. سرعت نور در خلا بیشترین اندازه خود را دارد. نوری که از خلا عبور می نماید دقیقاً با سرعت 299792458 متر در ثانیه حرکت می نماید. این اندازه به اختصار چیزی حدود 300 میلیون متر بر ثانیه شناخته می گردد. این عدد یک ثابت دنیای است که در معادلات و به صورت مختصر با نام c یا سرعت نور شناخته می گردد.

طبق نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین، که بیشتر فیزیک مدرن بر آن راسخ است، هیچ چیز در دنیا نمی تواند سریع تر از نور حرکت کند. این نظریه می گوید که با نزدیک شدن ماده به سرعت نور، جرم ماده به سمت بی نهایت متمایل می گردد. این بدان معناست که سرعت نور به اسم محدودیت سرعت در کل دنیا عمل می نماید و چیزی سریع تر از آن نیست. سرعت نور آنقدر تغییر ناپذیر است که بر اساس اعلام موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده، از آن برای معین اندازه های استاندارد بین المللی مانند متر (و در نتیجه، مایل، پا و اینچ) استفاده می گردد. سرعت نور حتی می تواند به وسیله بعضی معادلات به کمیت های دیگر مربوط بگردد برای مثال سرعت نور به وسیله زنجیره ای از معادلات، به تعریف کیلوگرم و کلوین هم یاری خواهد نمود.

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

اما علیرغم معروفیت و اندازه سرعت نور به اسم یک ثابت دنیای، دانشمندان و نویسندگان داستان های علمی - تخیلی به طور یکسان زمان خود را در فکر سفر های سریع تر از نور و سرعت های مافوق نور می گذارند. تا به امروز هیچ کس نتوانسته است روش سفر با چنین سرعتی را بفهمد و حتی طرح مناسبی را برای سفر های مافوق سرعت نور را پایه ریزی کند.

سال نوری مسافتی است که نور می تواند در یک سال طی کند. این اندازه چیزی حدود 10 تریلیون کیلومتر است. این یکی از روش هایی است که ستاره شناسان و فیزیکدانان فاصله های زیادی را در سراسر دنیا ما اندازه گیری می نمایند.

نور در حدود 1 ثانیه از ماه به چشم ناظران می رسد. این بدان معناست که ماه در حدود 1 ثانیه نوری از ما فاصله دارد. نور خورشید حدود 8 دقیقه طول می کشد تا به چشم ما برسد، بنابراین خورشید حدود 8 دقیقه نوری با ما فاصله دارد. رسیدن نور به آلفا قنطورس، که نزدیکترین منظومه ستاره ای 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 ایده ای درباره اندازه یک سال نوری، محیط زمین راحدود 40 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 پایان قرار دهید. فاصله حاصل تقریباً 9هزار میلیارد کیلومتر است. این کمیت اندازه بسیار زیادی است که حتی تصور آن می تواند به کلی سخت باشد. اما این موضوع تازه ابتدای راه است، زیرا ستارگان و اجرام سماوی چیزی حتی تا میارد ها سال نوری هم ممکن است از ما فاصله داشته باشند به همین خاطر هر فاصله نوری به ثانیه یا دقیقه نیست بلکه می تواند سال، ماه و یا حتی میلیارد ها سال باشد. این موضوع کاملا به فاصله اجرام از یکدیگر مربوط است.

ستارگان و اجرام دیگر ماورای منظومه شمسی در فاصله ای از چند سال نوری تا چند میلیارد سال نوری از ما قرار دارند و هر آنچه ستاره شناسان از دنیا دور دست می بینند به معنای واقعی کلمه متعلق به تاریخ است. وقتی ستاره شناسان اجسامی را که در دوردست قرار دارند مطالعه می نمایند، این اجسام همانطور که در زمان خروج نور از آن ها وجود داشت، ظاهر می شوند. به زبان ساده، ما در حال مشاهده گذشته هستیم.

در قرن پنجم، فیلسوفان یونانی مانند امپدوکلس و ارسطو در خصوص ماهیت سرعت نور اختلاف نظر داشتند. امپدوکلس تصور می کرد که نور از هر چیزی که ساخته شده است باید حرکت کند. بنابراین، باید دارای سرعت سیر باشد. ارسطو در رساله ای 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 صد ها سال طول کشید تا شخص دیگری بتواند آن را ثابت کند. در ابتدا تصور افراد از ماهیت نور بسیار متفاوت تر از چیزی بود که امروز می دانیم. اما با گذشت زمان و تحلیل مشاهدات، دانشمندان توانستند که به حقیقت واقعی نور و حتی سرعت آن دست پیدا نمایند.

در اواسط دهه 1600، به نقل از PBS NOVA، گالیلئو گالیله، ستاره شناس ایتالیایی دو نفر را در تپه هایی با فاصله کمتر از یک مایل قرار داد. هر نفر یک فانوس محافظ در دست داشتند و سپس از آن ها خواست با تماشا نور فانوس شخص دیگر، فانوس خود را روشن نمایند. یکی فانوس خود را روشن کرد و وقتی شخص دیگر نور فانوس او را دید، او هم فانوس خود را روشن کرد. اما فاصله زمانی بین روشن شدن دو فانوس در آزمایش گالیله آنقدر زیاد نبود که شرکت نمایندگانش بتوانند با استفاده از نتیجه این آزمایش سرعت نور را ثبت نمایند. او فقط می توانست نتیجه بگیرد که نور حداقل 10 برابر سریع تر از صدا حرکت می نماید.

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 برترین تخمین تازه 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 گرفتگی های آیو اغلب با محاسبات او فرق دارد. او متوجه شد که کسوف و زمین در حال دور شدن از یکدیگر بیشتر از هر وقت دیگری ظاهر می شوند. در واقع پیش از موعد زمانی که سیارات نزدیک می شوند ظاهر می شوند و طبق برنامه زمانی ای رخ می دهد که سیاره ها در نزدیک ترین یا دورترین نقاط خود قرار دارند. این موضوع از نظر آن ها شباهت زیادی به چیزی داشت که در قانونی دیگر به نام اثر داپلر رخ می داد. 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 معین نبود، مقاله ای در سال 1998 در مجله فیزیک آمریکا دلیل این موضوع را به تعویق افتادن این ماجرا اعلام نمود. اما پایان، دانشمندان تعدادی را با آن ها کار کردند. محاسبه رومر سرعت نور را در حدود 200،000 کیلومتر بر ثانیه اسم کرد.

در سال 1728، فیزیکدان انگلیسی جیمز بردلی مجموعه تازهی از محاسبات را بر اساس تغییر موقعیت ظاهری ستارگان به دلیل سفر های زمین به دور خورشید انجام داد. به گفته انجمن فیزیک آمریکا، او سرعت نور را 301،000 کیلومتر بر ثانیه تخمین زده است. این اندازهی با اندازه واقعی کنونی سرعت نور فاصله داشت. سرعت واقعی نور چیزی حدود 300 میلیون متر بر ثانیه که این اندازه برابر با 300 هزار کیلومتر بر ثانیه است. اختلاف دو اندازه تخمین زده شده و واقعی بسیار کم بود.

دو کوشش تازه 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 آینه ای در فاصله حدود 8 کیلومتری نهاده شد تا آن را به منبع خود بازگرداند. تغییر سرعت چرخ به فیزو اجازه می داد تا بتواند محاسبه کند که چقدر طول می کشد تا نور از سوراخ خارج گردد 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 در پی کشف سرعت واقعی نور بود. آلبرت مایکلسون که متولد لهستان بود، در دوران طلایی این استان در کالیفرنیا بزرگ شد و هنگام تحصیل در آموزشگاه نیروی دریایی ایالات متحده، علاقه خود را به فیزیک پیدا کرد. در سال 1879، او سعی کرد روش فوکو برای معین سرعت نور را تکرار کند. اما مایکلسون فاصله بین آینه ها را افزایش داد و از آینه ها و لنز های با کیفیت بسیار بالا استفاده کرد. نتیجه مایکلسون با سرعتی برابر با 299910 کیلومتر بر ثانیه به اسم دقیق ترین اندازه گیری سرعت نور برای مدتی حدود 40 سال پذیرفته شد.

این موضوع تا زمانی ادامه داشت که مایکلسون دوباره آن را اندازه گیری کرد. مایکلسون در دور دوم آزمایشات خود بین دو قله کوه با فاصله هایی که با دقت اندازه گیری شده بود چراغ هایی را روشن کرد تا برآورد دقیق تری را به دست آورد. مایکلسون در سومین کوشش خود درست قبل از مرگش در سال 1931، بر اساس مجله Smithsonians 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 می کرد که هرگونه تأثیر هوا بر سرعت نور را برای اندازه گیری کم تر و یا بی اثر کند. این موضوع باعث می شد که مقادیر اندازه گیری شده در این آزمایش تا حد زیادی به مقادیر واقعی نزدیک تر باشند، زیرا اثر هوا بر روی آن ها نادیده گرفته شده بود. این موضوع یعنی سرعت نور واقعا خالص بود.

مایکلسون بعلاوه ماهیت خود نور را هم مورد مطالعه قرار داد. اتان سیگال، اخترفیزیکدان در وبلاگ علمی Forbes، با اسم مقاله تازه خود هیاهویی به پا کرد. آغاز مقاله به توضیح زیر بود:

مایکلسون، به همراه همکارش ادوارد مورلی، بر روی این فرض کار کردند که نور مانند الگوی امواج حرکت می نماید، درست مانند صدا. همانطور که صدا برای حرکت به ذرات احتیاج دارد، مایکلسون و مورلی و دیگر فیزیکدانان آن موقع استدلال کردند، نور هم باید دارای نوعی سامانه برای حرکت باشد. این ماده نامرئی و غیرقابل تشخیص اتر درخشان یا آن طور که به اختصار گفته می گردد اتر نامیده می شد.

مایکلسون و مورلی یک تداخل سنج پیچیده ساختند. این تداخل سنج نسخه ای 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. پایان او دریافت که نور توانایی حرکت در محیط خلا را دارد و هم اکنون در خلا در حال حرکت است.

این آزمایش و در کل مجموعه کار های 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 آزمایش ها برای بشریت و درک بیشتر خود از دنیا آموختیم بزرگ تر و والاتر از هر موفقیتی بود.

اتان سیگال

نظریه نسبیت خاص انیشتین انرژی، ماده و سرعت نور را در یک معادله معروف یکپارچه کرد. 2^E = mc این معادله رابطه بین جرم و انرژی را توصیف می نماید. مقادیر کمی از جرم (m) حاوی اندازه زیادی انرژی (E) است یا از آن تشکیل شده است. در واقع این همان چیزی است که بمب های هسته ای را بسیار قدرتمند می نماید، در واقع این بمب ها جرم را به انفجار انرژی تبدیل می نمایند.

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

برای توصیف دقیق دنیا، معادله زیبای اینشتین مستلزم سرعت نور ثابت ثابت است. اینشتین ادعا کرد که نور به وسیله خلا حرکت می نماید، نه هر نوع اتر درخشان، و به گونه ای خاص و بدون در نظر گرفتن سرعت ناظر با همان سرعت حرکت می نماید.

بگذارید برای درک بهتر این موضوع یک مثالی را درباره ناظران با سرعت های مختلف در اختیار شما قرار بدهیم. می دانید که ناظرانی که روی قطار نشسته اند می توانند به قطاری که در امتداد یک خط موازی حرکت می نماید نگاه نمایند و حرکت نسبی آن را برای خود صفر بدانند. اما ناظری که تقریباً با سرعت نور حرکت می نماید 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 می نمایند کندتر خواهد شد. این افراد کندتر پیر می شوند و لحظات کمتری را درک یا سپری می نمایند.

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

طبق این نظریه، اجسام یا هر جرمی هرگز نمی توانند به سرعت نور برسند. اگر جسمی به سرعت به نور برسد، جرم آن بی نهایت خواهد شد؛ و در نتیجه، انرژی مورد احتیاج برای حرکت جسم هم بی نهایت می گردد.

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

اگرچه اغلب از سرعت نور به اسم محدودیت سرعت دنیا یاد می گردد، اما دنیا در واقع حتی سریع تر از این رقم منبسط می گردد. پل ساتر، اخترفیزیکدان در مقاله ای برای Space نوشت که دنیا در هر ثانیه کمی بیش از 68 کیلومتر منبسط می گردد.

به عبارت دیگر، این طور به نظر می رسد یک کهکشان در فاصله 1 مگاپارسکی با سرعت 68 کیلومتر بر ثانیه از راه شیری دور می گردد و این در حالی که یک کهکشان در فاصله دو مگاپارسکی که در فاصله دورتری قرار گرفته است با سرعت136 کیلومتر بر ثانیه عقب نشینی می نماید. این مقادیر به ازای فواصل بیشتر به همین ترتیب ادامه پیدا می نمایند.

در بعضی نقاط، در فاصله های دوردست، سرعت از اندازه قابل انتظار فراتر می رود و و از سرعت نور بیشتر می گردد، همه این ها ناشی از توسعه طبیعی و منظم فضا است به نظر می رسد باید غیرطبیعی باشد، اینطور نیست؟ یک کهکشان در سمت دور دنیا؟ این حوزه نسبیت عام است به همین خاطر نسبیت عام می گوید که چه چیزی اهمیت دارد چه کسی اهمیت می دهد! آن کهکشان می تواند هر سرعتی که می خواهد را داشته باشد مادامی که بسیار دور باشد. یعنی یک کهکشان در کنار شما نمی تواند اینچنین سریع و غیرقابل کنترل باشد. به این صورت، نسبیت خاص به سرعت یک کهکشان در دوردست اهمیتی نمی دهد پس شما هم نباید اهمیت دهید.

پل ساتر

طبق گفته ساتر، نسبیت خاص یک محدودیت سرعت مطلق را در دنیا ارائه می دهد، اما نظریه انیشتین در سال 1915 در خصوص نسبیت عام این اجازه را می دهد که رفتار های متفاوتی در زمانی که فیزیک مورد آنالیز شما دیگر محلی و کوتاه برد نیست، انجام گردد.

نور در خلا عموماً برای حرکت با سرعت مطلق نگه داشته می گردد، اما نوری که از هر ماده عبور می نماید می تواند کند گردد. ویژگی ای که یک ماده می تواند با آن نور را کند کند ضریب شکست آن ماده نامیده می گردد. بر اساس مقاله ساتر، نور در هنگام تماس با ذرات خم می گردد که این خمیدگی در نهایت منجر به کاهش سرعت می گردد.

به اسم مثال، نوری که در جو زمین حرکت می نماید تقریباً به سرعت نور در خلا حرکت می نماید 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) به وسیله این گوهر حرکت می نماید - برای ایجاد تغییر کافی است، اما هنوز هم فوق العاده سریع است.

بر اساس مطالعه ای که در سال 2001 در مجله نیچر منتشر شد، نور را می توان در داخل ابر های بسیار سرد اتم کند کرد و یا حتی متوقف کرد. اخیراً، مطالعه ای در سال 2018 که در مجله Physical Review Letters منتشر شد، روش تازهی را پیشنهاد کرد. این روش برای توقف نور در جهت های خود در نقاطی خاص یا مکان هایی که دو انتشار جداگانه نور در یکدیگر تلاقی می نمایند و با یکدیگر ترکیب می شوند، صادق است.

محققان بعلاوه سعی نموده اند 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 آن ها در سال 2015 در مجله Science منتشر شد، در اندازه گیری های آن ها، تفاوت بین فوتون کند و فوتون معمولی تنها چند میلیونیم متر بود، اما نشان داد که نور در خلا می تواند کندتر از سرعت ثابت و اندازه اصلی نور باشد.

داستان های علمی تخیلی ایده پیچش نور را دوست دارند. سفر های سریعتر از نور، امتیاز های علمی بیشماری را ممکن می سازد. این کار وسعت بزرگ فضا را متراکم نموده و اجازه می دهد شخصیت های مختلف به آسانی بین سیستم های ستاره ای عبور و مرور نمایند.

اما به هر حال سفر سریع تر 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 علاقه مندان به موضوعات علمی تخیلی و فیزیکدانان نظری، راه های 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 می گردد تا مدت ها قبل از رسیدن به سرعت کافی نابود شده باشیم. با رخ دادن این موضوع طبق همین قانون نسبیت خاص می توانید فضای اطراف خود را جابه جا کنید.

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

اگر ناخدا کرک مجبور به حرکت با سرعت سریع ترین موشک های ما باشد، صد هزار سال طول می کشد تا به سیستم ستاره بعدی برسد؛ بنابراین داستان های علمی تخیلی مدت ها است راهی را برای غلبه بر موانع رسیدن به سرعت نور مطرح نموده اند تا داستان کمی سریع تر 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 دنیا ما برسد، همان دنیای که دائماً در حال توسعه است؛ این مسئولیت بر دوش فیزیکدانان آینده خواهد بود تا بتوانند جسورانه راهی را برای این موضوع پیدا نمایند تا بشر را به نقطه ای تازه از زندگی برسانند. اما چیزی که تا به امروز معین است این است که هیچ راهی برای حرکت بشر با سرعت مافوق نور وجود ندارد.

منبع: دیجیاتو