سرعت نور، چالش ها و نظريه ها

سرعت نور، چالش ها و نظريه ها

مقدمه

نور و مسائل مربوط به آن همواره يکي از مباحث مهم و مورد توجه فيزيکدانان بوده و هست. نحستين تلاش هاي علمي در اين زمينه از زمان گاليله آغاز شد. وي به اتفاق همکارش براي اندازه گيري سرعت نور اقدام کردند. روش کار به اين طريق بود که همکار گاليله در حاليکه فانوسي در دست داشت بالاي تپه اي ايستاده بود و گاليله بالاي تپه اي ديگر. هر دو با خود فانوسي داشتند که روي آن را پوشانده بودند. دستيار وي به مجرد آنکه نور گاليله را مي ديد، با برداشتن پرده از روي فانوس خود به گاليله علامت مي داد. گاليله اين آزمايش را با فواصل بيشتر و بيشتر تکرار کرد، اما نتوانست اختلاف زماني بين برداشتن پرده از روي فانوس خود و دستيارش به دست آورد و سرانجام گفت که سرعت نور خيلي زياد است .

نخستين بار سرعت نور در سال 1676 توسط رومر (Romer) با استفاده از ماه گرفتگي محاسبه شد و معلوم گشت که سرعت نور نيز محدود است. عددي را که رومر به دست آورد 215 هزار کيلومتر بر ثانيه بود. اين عدد آنقدر بزرگ بود که معاصران وي آن را باور نمي کردند در سال 1726 برادلي با استفاده از تغيير وضعيت ستارگان نسبت به زمين سرعت نور را محاسبه کرد و عدد سيصد هزار کيلومتر بر ثانيه را به دست آورد.

نخستين بار فيزيو با ستفاده از روش غير نجومي و اصلاح روش گاليله سرعت نور را اندازه گيري کرد و مقدار آن را سيصد و سيزده هزار کيلومتر بر ثانيه به دست آورد. تمام اين نتايج به صورت تجربي به دست آمده بود و از پشتوانه ي نظري بي نصيب بود و استناد به اين اندازه گيري نمي توانست به يک نتيجه ي جهان شمول برسد. به عنوان نمونه آيا اندازه ي سرعت هاي به دست آمده زميني و سماوي بايد يکسان باشد يا خير؟

در دهه ي 1860 کلارک ماکسول با استفاده از قوانين الکترومغناطيس که خود معادلات آن را نوشته بود ديدگاهي کلي و جهان شمول در مورد سرعت امواج الکترومغناطيسي که نور بخش کوچکي از آن بود، ارائه کرد.

امواج الکترومغناطيسي

امواج الکترومغناطيسي که بطور نظري در سال 1864 توسط معادلات کلارک ماکسول پيشگويي شد، نشان داد که سرعت انتشار اين امواج در خلاء از رابطه ي زير به دست مي آيد:

http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00646.jpg

همچنانکه رابطه ي بالا نشان مي دهد، سرعت نور (امواج الکترومغناطيسي) در خلاء ثابت است. اما سرعت ثابت امواج الکترمغناطيسي بايستي نسبت به يک دستگاه مقايسه مي شد، و اين دستگاه همان دستگاه اتر بود. يعني اتر ساکن مطلق فرض مي شد و تمام اجسام نسبت به آن در حرکت بودند و سرعت امواج الکترومغناطيسي و در حالت خاص سرعت نور نسبت به اتر ثابت بود. اين نظريه در حالي شکل گرفت که نسبيت گاليله اي نيز معتبر و بي نقص تصور مي شد. بنابراين اگر سرعت نور نسبت به يک دستگاه لخت c باشد و دستگاه با سرعت v نسبت به اتر در حرکت باشد، در آنصورت سرعت نور نسبت به اتر w برابر خواهد شد با :

w=c+v

چنانچه نور در جهت مخالف دستگاه حرکت کند، آنگاه خواهيم داشت :

w=c-v

بر اين اساس ماکسول به فکر محاسبه سرعت حرکت منظومه ي شمسي نسبت به اتر افتاد. وي در سال 1879 طي نامه اي که براي تاد در آمريکا نوشت، طرحي را براي اندازه گيري سرعت حرکت منظومه ي شمسي نسبت به اتر پيشنهاد کرد. يک آمريکايي به نام مايکلسون اين طرح را دنبال کرد و براي انجام آزمايش تداخل سنجي نيز ساخت و در سال 1880 آزمايش کرد.

آنچه ازآزمايش مايکلسون به دست آمد بسيار گيج و ناراحت کننده بود. اولين فکري که قوت گرفت اين بود که بايد اشکال از معادلات ماکسول باشد که تنها بيست سال از عمر آن مي گذشت. يعني بايد آنها را طوري تغيير داد تا با نسبيت گاليله اي سازگار باشد. اما آزمايش فيزو و ساير نتايج حاصل از حرکت نور و امواج الکترومغناطيسي آنها را تاييد مي کرد.

هر تلاشي که براي توجيه علت شکست نتيجه ي آزمايش مايکلسون انجام مي دادند، با شکست رو به رو مي شد. در اين ميان دو نظريه از بقيه حالب تر به نظر مي رسيد.

يکي کشش اتري که به موجب آن جارجوب اتر بطور موضعي به کليه ي اجسام با جرم محدود متصل است. اين نظريه هيچ اصلاحي را در قوانين نيوتن، نسبيت گاليله اي و معادلات ماکسول لازم نمي دانست. اما اين نظري با کجراهي نور ستارگان ناسازگار بود.

نظريه دوم نظريه گسيلي بود که طبق آن معادله هاي ماکسول را بايد طوري اصلاح مي کردند که سرعت نور با سرعت چشمه ي صادر کننده بستگي داشته باشد. اين نظريه نيز با نور واصل از ستارگان دوتايي ناسازگار بود.

در اين اثنا انيشتين نظريه ي انقلابي نسبيت را ارائه کرد. مسئله نسبي بودن سرعت ، از نظر انيشتين ، تا جاييکه به اعتبار اصل نسبيت مربوط مي شد به اتر و حرکت سوقي ربطي نداشت. طبق اصل نسبيت : قوانين طبيعت در تمام چارچوب هاي مرجع لخت يکسان اند. انيشتين پس از مطرح کردن اصل نسبيت ، به دو اصل موضوع بنيادي زير پرداخت:

1- قوانين فيزيکي در تمام دستگاه هاي لخت يکسان است.

2 - سرعت نور در خلاء ، در هر چارچوب لختي که اندازه گيري مي شود با صرفه نظر از حرکت منبع نور ، معادل c است.

اصل موضوعي دوم انيشتين ، در واقع انديشه مکانيکي نيوتني و سينماتيکي گاليله اي را رد مي کند . طبق اصول سينماتيک ، اگر دو جسم متحرک با سرعت ثابت ، در حال حرکت به سمت يکديگر باشند ، سرعت هر يک از آن ها در نقطه بر خورد ، برابر با مجموع سرعتشان است.

اما درنسبيت انيشتين اينگونه نيست . اگر در نقطه اي نوري را گسيل کنيم ، ناظر ساکن و ناظر متحرک که با سرعت v در حال حرکت به سمت منبع است ، سرعت نور را c محاسبه مي کنند.

نسبيت علاوه بر آنکه بخوبي توانست علت شکست نتيجه ي آزمايش مايکلسون را توجيه کند، از تمام آزمايش هاي مربوط به آن نيز با موفقيت بيرون آمد. علاوه بر آن به نتايج گرانقدري رسيد که همه ي انديشه بشريت را تحت ناثير قرار داد.

همجنانکه که در بالا بيان شد، ثابت بودن سرعت نور به عنوان يک اصل موضوع مطرح شده است. اصول موضوع در هر زمينه ي علمي داراي اين ويژگي هستند که اعتبار خود را تا زمانيکه با مورد نقض رو به رو نشده اند، حفظ مي کنند و به محض مواجه با يک تناقض از اعتبار ساقط مي شوند. ار آن جاييکه فيزيک يک دانش تجربي است، الزاماً بايستي ابطال اصولش نيز بر پايه تجربه باشد.

علاوه بر مشاهدات تجربي که مي تواند اصول موضوعي را به چالش بکشد، سازگاري اين اصول با ساير نظريه هايي که قادر به توجيه پديده هاي فيزيکي هستند نيز از اهميت خاصي برخور دار است. تجارب کيهاني دهه ي 1970 به بعد اصل ثابت بودن سرعت نور را با مشکل جدي مواجه ساخته است که در زير به برخي از آنها اشاره مي شود.

سرعت نور ثابت نيست

تئوري جديدي كه دانشمندان استراليايي مطرح كرده‌اند و سرعت نور را ثابت نمي‌دانند مهمترين تئوري فيزيك نوين يعني نسبيت انيشتين را از اريكه قدرت به پايين مي‌‌كشد.

تيم فيزيك‌دانان دانشگاه مك كواري سيدني در استراليا به رياست پال ديويز Paul Davies احتمال آن كه سرعت نور طي ميلياردها سال كندتر شده باشد را مطرح ساخته‌اند. در اين صورت فيزيكدانان بايد در مورد بسيار از فرضيه‌ها و تئوريهاي پايه بويژه در مورد قوانين حاكم بر عالم تجديد نظر كنند. ديويز در مصاحبه با رويتر گفت: «معني اين تئوري جديد آن است كه بايد از خير تئوري نسبيت و فرمول E=mc2 و اين جور چيزها بگذريم البته نه به اين معني كه كتابها را در اين مورد دور بيندازيم؛ هميشه تحولات علمي تئوريهاي قديمي‌تر را در خود هضم مي‌‌كند‌».

نتايج تحقيقات اين تيم در مجله نيچر Nature به چاپ رسيده است. جان وب اختر شناس دانشگاه نيوساوث ويلز با ارائه تئوري خود براساس شواهدي كه به دست آمده است ادعا مي‌‌كند كه سرعت نور مي‌‌تواند ثابت نباشد، كه اين موضوع معماي لاينحلي را پيش روي فيزيكدانان و اخترشناسان قرار داده است. براساس يافته‌هاي وب، نوري كه از كوثر- Quasar شي‌ء شبيه به ستاره در آسمان - در طي دوازده ميليارد سال سفر خود تا رسيدن به زمين فوتونهايي از سحابي بين ستاره‌اي دريافت كرده است كه با فوتونهايي كه تاكنون مي‌‌شناختيم تفاوت دارد.

ديويز در توضيح يافته‌هاي وب مي‌‌گويد: مشاهدات وب به معني آن است كه ساختار اتمهايي كه از نور كوثر ساطع مي‌‌شود تفاوت بسيار جزيي اما با اهميت ساختار اتمهاي انسان دارد. دليل اين تفاوت فقط مي‌‌تواند از دو چيز ناشي شود: يا بخاطر سرعت نور و يا بخاطر تخليه الكتروني (Electron Charge).

از سويي دو قانون در قوانين فيزيك كيهاني مطرح است كه سالهاست مورد پرسش قرار گرفته است. براساس اين دو قانون نه تخليه الكتروني و نه سرعت نور قابل تغيير نيستند. اما بايد براي مشاهدات وب توضيحي داد: يا اين مشاهدات اشتباه است و يا يكي از دو قانون ثبات سرعت نور و يا تخليه الكتروني قابل تكيه نيست. تيم ديويز بنا را براين گذاشتند كه مشاهدات وب درست بوده و يكي از اين دو قانون ممكن است آنطور كه تصور مي‌‌شد غيرقابل تغيير نباشد.

به اين ترتيب اين تيم به مطالعه سياه چاله‌ها روي آوردند. سياه چاله‌ها توده‌هاي عظيم و اسرارآميزي هستند كه ماده را مي‌‌بلعند و حتي نور نيز از چنگال اين مكنده در امان نيست. اگر قرار باشد به قانون دوم ترموديناميك- كه خود يك دگماتيسم ديگر در فيزيك است- اعتقاد داشته باشيم در اين صورت تغيير در قانون ثبات تخليه الكتروني قانون دوم ترموديناميك را در هم خواهد ريخت به همين دليل يك گزينه باقي ماند و آن بررسي امكان متغير بودن سرعت نور است.

گرچه هنوز مطالعات به اندازه كافي نيست و مشاهدات وب از نور كوثر براي درهم ريختن تئوري‌هاي موجود كافي نيست اما مطالعه در اين زمينه از چندي پيش آغاز شده است. ا ز جمله مي‌‌توان به مقاله‌هايي كه در مجله Physical Review Letters منتشر شده مراجعه كرد و گرچه بسياري از وفاداران به تئوريهاي موجود سعي دارند مشاهدات وب و ديويز را اشتباه مشاهده‌اي و اشتباه محاسباتي و آماري جلوه دهند، اما بحثي كه در اين زمينه آغاز شده است روز به روز دامنه‌دارتر مي‌‌شود و به همان اندازه‌اي كه خود كيهان سئوالات لاينحل باقي گذاشته مشاهدات اخير نيز بسياري از تئوريها را به چالش كشانده است.

در اين وضعيت بايد روشن شود به چه چيزهايي از تئوري گذشته مي‌‌توان تكيه كرد و بايد ديد تئوريهاي جديد از عهده پاسخگويي به بسياري از پرسشها بر مي‌‌آيند يا خير. در واقع از نظر ديويز همان بلايي كه تئوري نسبيت انيشتين و فيزيك كوانتوم بر فيزيك قرن نوزدهم وارد آورد حالا خود شاهد آن خواهد بود كه تئوريهاي جديد پايه و اساس اين تئوريها را متزلزل خواهد كرد. حداقل دستاورد اين مشاهدات اين است كه در بررسي ساختار كيهان و اين كه از كجا نشأت گرفته و به كجا تكامل پيدا مي‌‌كند يك گام رو به جلو برداشته شده است.

تئوري نسبيت مي‌‌گويد كه سرعت هيچ چيز از نور فراتر نمي‌رود (سرعت نور در خلأ، تقريباً000ر300 كيلومتر در ثانيه است). آرزوي انسان فراتر رفتن از اين سرعت است و اين آرزوها در فيلمهايي مثل "Star Trek" انعكاس يافته‌اند. حتي اگر انسان ابزاري بسازد كه بتواند با سرعت نور حركت كند براي عبور از كهكشان راه شيري يكصدهزار سال وقت لازم است.