رنگها و موجها

[Behzad AZ]

رنگها و موجها

بدون ترديد نور خورشيد يكي از مهمترين نيازهاي زندگي روي كره زمين است. اما دامنه ويژگيهاي آن تنها به ايجاد زندگي و حيات در ميان جانداران ختم نمي‌شود. در سال 1665 ميلادي ، دانشمند بيست و سه ساله انگليسي به نام آيزاك نيوتن به مطالعه نور مشغول بود. او در يك روز آفتابي و درخشان ، شيشه‌هاي اطاق را به كمك پرده‌هايي ضخيم و بسيار تيره مسدود كرد، به گونه‌اي كه اطاق كاملا تاريك شد و از ميان شكاف كوچكي در ميان يكي از پرده‌ها ، باريكه‌اي از نور به درون اطاق مي‌تابيد. او اين باريكه نور را از ميان يك قطعه شيشه به شكل مثلث ، كه منشور ناميده مي‌شود، عبور داد. باريكه نور با گذشتن از ميان منشور ، در مسيرش خميده شد و شكست پيدا كرد.




شكست نور در منشور
نوري كه از منشور بيرون آمده بود در راستايي سير مي‌كرد كه اندكي با راستاي وارد شدنش به منشور تفاوت داشت و به ديوار مقابل مي‌تابيد. جالب آنكه ، هنگامي كه نيوتن منشور را از سر راه نور بر مي‌داشت، باريكه تنها لكه گرد سفيد رنگي را روي ديوار ايجاد مي كرد، در حالي كه وقتي منشور در مسير باريكه نور مي‌رفت، باريكه نور پخش مي‌شد و به صورت رنگين كمان در مي‌آيد! در يك سر اين رنگين كمان نور سرخ و در انتهاي ديگر نور بنفش ديده مي‌شد و در ميان آنها رنگهاي نارنجي ، زرد ، سبز و آبي قرار داشت. ما اينگونه رنگها را در اطراف خود مي‌بينيم و قادريم آنها را لمس كنيم، در حالي كه نيوتن قادر نبود نور را لمس كند، به همين دليل بود كه او نوار نور رنگي را طيف (Spectrum) ناميد كه در زبان لاتين به معناي روح است!

به راستي اين رنگها از كجا مي‌آيند؟!

نيوتن دريافت آن چيزي را كه چشمهاي ما به عنوان نور سفيد مي‌بينند در حقيقت مخلوطي از رنگهاي گوناگون است كه شكست آنها پس از منشور يكسان نيست و براي نور سرخ از همه رنگهاي ديگر كمتر و براي نور بنفش از همه بيشتر است. نيوتن براي اثبات شكستهاي متفاوت از دو منشور استفاده كرد و دوباره توانست نور سفيد را بدست آورد. اما هنوز يك سوال ديگر باقي بود و آن اين بود كه چرا نور بايد، رنگهاي مختلفي را دارا باشد؟!

جنس نور

نيوتن به دنبال جنس نور بود. دو نظريه در اين زمينه وجود داشت: اول آنكه نور از مجموعه‌اي از ذرات تشكيل شده است كه بر خطي راست و به سرعت در حال حركتند و دوم آنكه نور مجموعه‌اي از امواج است كه بسيار كوچكند و در مسيري مستقيم حركت مي‌كنند. نكته بسيار قابل توجه در مورد امواج اين بود كه آنها مي‌توانند خميده شوند، اين امر زماني رخ خواهد داد كه امواج با موانع برخورد كنند. شما مي‌توانيد خميده شدن امواج آب را در برخورد با موانع ببينند. همچنين صدايي را كه در يك طرف كنج ديوار مي‌شنويد، مي‌توانيد در طرف ديگر آن كنج نيز گوش كنيد، پس امواج صدا بايد در اطراف آن كنج خميده شده باشند. از سوي ديگر مي‌دانيد كه اگر نور به يك طرف كنج بتابد خميده نمي‌شود، به عبارت ديگر شما نمي‌توانيد شخصي را از طرف ديگري ‌از كنج ديوار مشاهده كنيد.
به همين دليل بود كه نيوتن تصور مي‌كرد، نور جرياني از ذرات متحرك كوچك است، نه جرياني از امواج. اما همه دانشمندان با او موافق نبودند. يك هلندي به نام كريستين هويگنس نظريه موجي بودن نور را قبول داشت. او عقيده داشت كه امواج كوچك بسادگي امواج بزرگ خميده نمي‌شوند و اگر نور از امواج بسيار كوچك تشكيل شده باشد، به هيچ وجه خميده نخواهد شد! او با نيوتن مخالف بود، هر چند كه بسياري عقيده داشتند كه نيوتن بزرگترين دانشمند جهان است.

با اين حال ، حتي ممكن است بزرگترين دانشمند جهان هم دچار اشتباه شود. شخصي به نام يانگ اين مشكل را حل كرد. او در كار طبابت و تنظيم دايرة المعارف بريتانيكا استاد بود و ختي نوشته‌هاي مصريان را براي نخستين بار ترجمه كرد. با اين وجود علاقه بسياري به آزمايشهاي مربوط به نور داشت. يانگ صوت را مطالعه كرد و فهميد هنگامي كه دو صدا به هم مي‌رسد، از هم مي‌گذرند.

گاهي اوقات يك صدا ، صداي ديگر را كاملا حذف مي‌كند. اما اگر موجهاي صدا طولهاي متفاوتي داشته باشند، موج بلندتر از موج كوتاهتر جلو مي‌افتد و براي مدتي ، صدا بلندتر از حالت عادي خواهد شد، اما مدتي بعد سكوت برقرار مي‌شود و اين امر پي در پي ادامه خواهد داشت. اگر نور جرياني از ذرات باشد، اين وضع پيش نمي‌آيد، زيرا يك ذره نمي‌تواند ديگري را حذف كند. در سال 1801 ميلادي ، يانگ با فرستادن يك باريكه نور از دو شكاف باريك متفاوت بسيار نزديك به هم آزمايشي انجام داد.





آزمايش دو شكاف يانگ
در اين آزمايش دو باريكه نور خارج شده از شكافها ، ابتدا اندكي پخش مي‌شدند و هنگامي كه به ديوار مي‌رسيدند، بر هم مي‌افتادند. ممكن است تصور كنيد كه در جايي كه دو باريكه نور بر هم مي‌افتند، نور بيشتري وجود خواهد داشت و بنابراين ديوار روشنتر از جاهايي خواهد بود كه باريكه بر هم نيفتاده‌اند، اما به هيچ وجه چنين نيست. در جاهايي كه دو باريكه بر هم مي‌افتند، نوارهاي روشن و تاريك متناوبي ايجاد مي‌شود.

باريكه‌هاي نور در نقاطي همديگر را حذف مي‌كنند و در نقاطي ديگر بر هم اضافه مي‌شوند و اين عمل بصورت متناوب و درست همانند صوتهاي موسيقي و تغييرات آنها صورت مي‌گيرد. هنگامي كه دو باريكه نور همديگر را حذف مي‌كنند، مي گوييم كه باريكه ها با هم تداخل كرده اند، يا اينكه تداخل ايجاد شده است. به اين ترتيب نوارهاي روشن و تاريك "فريزهاي تداخلي" ناميده مي‌شوند. با اين آزمايش مسأله حل شد و معلوم گرديد كه حق با هويگنس است و نيوتن اشتباه مي‌كرده است.

طول موج نور

نور از موجهايي بسيار ريز تشكيل شده است. يانگ از روي پهناي فريزهاي تداخلي توانست طول يك موج نور را محاسبه كند. اين طول را طول موج مي‌نامند. با اين محاسبه معلوم شد كه طول موج نور حدود 20000/1 سانتيمتر است. البته همه امواج نور داراي طول يكساني نيستند. نور سرخ بلندترين طول موج را دارد و نور بنفش كوتاهترين طول موج را دارا است. هر قدر طول موج كوتاهتر باشد، نور بيشتر شكسته مي‌شود و به همين دليل است كه منشور رنگها را از هم جدا مي‌كند.