پروانه های رنگی

سرعت نور و اصل نسبیت

اینکه یک نفر انتظار داشته باشد بالاترین مرز سرعت در کیهان بی نهایت (که به صورت بزرگترین عدد قابل تصور معنی می شود) باشد منطقی به نظر می رسد. با وجود این، در جهان ما عدد نسبتا کمر (نسبت به بی نهایت) ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه، که سرعت نور در خلا است، عملا بیشترین سرعت ممکن می باشد و در عمل هیچکس نمی تواند به سرعت یک پرتو نور برسد.

در جهان ما عدد نسبتا کمر (نسبت به بی نهایت) ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه، که سرعت نور در خلا است

برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم این موضوع توجه آلبرت انیشتین ۱۶ ساله را جلب کرد. سرعت نور بارها به صورت نسبتا دقیق اندازه گیری شده بود، مثلا در سال ۱۶۷۵ ستاره شناس دانمارکی اوله رومر نشان داد که نور با سرعت محدودی(هر چند بسیار بزرگ) حرکت می کند. مشاهدات رومر از اقمار سیاره ی مشتری منجر به تخمین سرعت نور به اندازه ی تقریبی ۲۲۵۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه شد.

رومر با تلسکوپ سه متری رصدخانه ی سلطنتی پاریس به مشاهدۀ قمرهای مشتری پرداخت و مدت زمان عبور قمرها را از جلوی مشتری اندازه گیری کرد تا اینکه متوجه شد شش ماه از سال مدت زمان عبور آیو(نزدیک ترین قمر مشتری) هر قمر به اندازه ۳٫۵ دقیقه کاهش و در شش ماه بعد هر قمر به اندازه ۳٫۵ دقیقه افزایش می یابد. یعنی در هر شش ماه ۲۱ دقیقه مدت عبور تغییر می کند. از آنجایی که رومر تردید داشت سرعت قمر آیو متغیر باشد، این تغییرات را به تغییرات فاصله ی زمین از مشتری ربط داد و با دانستن اینکه قطر مدار زمین به دور خورشید ۳۰۰ میلیون کیلومتر است، سرعت نور را تعیین کرد.-مترجم. هر چند آزمایش های بعدی، به صورت دقیق تر نشان دادند که سرعت نور ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه است.

سرعت نور ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه است

در سال ۱۸۶۸، معادلات جیمز کلرک ماکسول ریاضیدان و فیزیکدان اسکاتلندی، که بر پایه ی کارهای پیشتر آمپر، کولمب و فارادی ساخته شده بود نشان داد همه ی امواج الکترومغناطیس در خلا دقیقا با سرعتی برابر با سرعت نور حرکت می کنند چرا که نور خود موجی بود که در میدان های نامرئی الکتریکی و مغناطیسی تولید می شد. ماکسول به این نتیجه رسید که نور و سایر امواج الکترومغناطیسی باید با سرعت ثابت و معینی در محیط تایید نشده ای که وی آن را اتر می خواند حرکت کنند. آزمایش معروف مایکلسون – مورلی در سال ۱۸۸۷ در یک تلاش ناموفق برای اثبات اینکه نور در محیطی از جنس اتر حرکت می کند، به طرز غیر منتظره ای نشان داد که سرعت نور هم در جهت حرکت زمین و هم در جهت عمود بر حرکت زمین یکسان است. حداقل موضوع این است که از دیرباز می دانیم وقتی نور از محیطی وارد محیط دیگر می شود (مثلا از هوا به شیشه) سرعت آن متناسب با ضریب شکست محیط جدید تغییر می کند و این شکست نور اساس کار لنز هاست و این با وجود محیطی از جنس اتر متناقض است.

بنابراین چه منبع نور به سمت شما حرکت کند و چه هم جهت با شما حرکت کند سرعت نور یکسان و برابر با ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه اندازه گیری می شود، دقیقا مخالف نظر فیزیک کلاسیک و افکار معمول. این نبوغ انیشتین جوان بود که توانست توضیح دهد چرا سرعت نور ثابت است و به سرعت و جهت حرکت منبع و بیننده بستگی ندارد. در سال ۱۹۰۵، انیشتین ( و ریاضی دان فرانسوی هنری پوانکاره، که با نگاهی کاملا محاسباتی(از طریق معادلات ریاضی) در همان مقطع زمانی به نتایجی مشابه رسیده بود) پی برد که محیطی از جنس اتر که نور در آن حرکت کند کاملا غیر ضروری (اضافی) است، مشروط بر اینکه، همانطور که خواهیم دید، نظریه زمان مطلق را کنار بگذاریم.

همچنین انیشتین دریافت که معادلات ماکسول ظاهرا به پارادوکس یا ناسازگاری با قوانین فیزیک ختم می شوند، چرا که معادلات بیان می کنند اگر کسی بتواند به سرعت نور دست یابد می تواند امواج الکترومغناطیس را در حال سکون ببیند، چیزی که غیر ممکن شمرده می شود. بنابراین انیشتین فرض کرد، سرعت نور در جهان ما نقش سرعت بی نهایت را بازی می کند به طوریکه هیچ چیزی نمی تواند سریع تر از نور در کیهان حرکت کند. باید به این نکته اشاره شود که انیشتین ثابت بودن سرعت نور در همه ی چهارچوب های مرجع را هرگز عملا اثبات نکرد. بلکه او این را به عنوان فرض اساسی که باقی نظریه اش بر پایه ی آن بنا شده، پذیرفته بود. این فرض می تواند با آزمایش های عملی تایید شود ولی تا کنون در هیچ محاسبه ی نظری ای اثبات نشده است.

ثابت بودن سرعت نور بعدها یکی از دو قسمت اصلی نظریه ی نسبیت خاص گالیله شد

ثابت بودن سرعت نور بعدها یکی از دو قسمت اصلی نظریه ی نسبیت خاص وی شد. قسمت اصلی دیگر “اصل نسبیت” یا “اصل تغییر ناپذیری بود که اولین بار توسط گالیله در سال ۱۶۳۲ بیان شده بود. گالیله مطرح کرد قوانین مکانیکی فیزیک برای همه ی ناظرینی که همواره با سرعت ثابت روی خط راست حرکت می کنند یکسان است، بنابراین پژوهشگر صرفا با مشاهده ی نتایج آزمایش های مکانیکی حالت سرعت ثابت نمی تواند در مورد باقی حالات اظهار نظر کند.

گالیله برای تفهیم نظریه ی خود کشتی ای را که با سرعت ثابت و بدون تکان بر روی دریایی آرام حرکت می کرد را مثال زد و گفت ناظری که در اتاق تاریک (بدون پنجره) زیر عرشه ی کشتی است نمی تواند بفهمد کشتی در حال حرکت است یا ساکن. به عنوان مثال: توپی را در نظر بگیرید که درون هواپیمایی که با سرعت ۸۰۰ کیلومتر بر ساعت در ارتفاع ۱۲۰۰۰ متری از سطح زمین هم راستا با جهت حرکت هواپیما پرتاب می شود از توپی که در درون هواپیمایی ساکن بر روی سطح زمین پرتاب می شود قابل تمییز نیست. زمانی که انیشتین اصل نسبیت و ثابت بودن سرعت نور را با هم ترکیب کرد، به این نتیجه رسید که سرعت نور فارغ از سرعت منبع یا ناظر همواره ثابت است، به دیگر سخن هر کسی در کیهان فارغ از اینکه با چه سرعتی حرکت کند، سرعت نور را دقیقا برابر ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه اندازی گیری خواهد کرد.

Save