
نوشته و ویرایش شده توسط مجله ی دریای تکنولوژی
برای دیدن اطرافمان به نور نیاز داریم. این بدیهیترین توضیح درمورد چیستی نور است. بااینحال، تا این مدت فهمیدن درستی از آن نداریم. تحول فهمیدن ما از ماهیت نور از دلنشینترین فصلهای تاریخ علم است. در این مقاله دیجیاتو، تصمیم داریم شدت نور در محیطهای گوناگون را بازدید کنیم. پیشازآن، ملزوم است با ماهیت نور آشنا شویم.
ماهیت نور چیست؟
راههای بسیاری برای تعریف نور وجود دارد؛ در سادهترین تعریف، میتوان او گفت نور بخشی از تابش الکترومغناطیسی است. تابش الکترومغناطیسی گسترهای از طول موجهای گوناگون –از رادیویی تا گاما– را در برمیگیرد و نور مرئی در جایگاه بخشی از تابش الکترومغناطیسی، با طول موج بین ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر تعریف میبشود که برای چشم ما مشهود است.
هنگامی که نور بین دو مکان حرکت میکند، انرژی بین این دو نقطه به جریان درمیآید. این انرژی بهصورت الگویی ارتعاشی از امواج الکتریکی و مغناطیسی منتقل میبشود که امواج الکترومغناطیسی نام دارد. این امواج الکتریکی و مغناطیسی برهم عمودند و با شدت نور انتشار خواهد شد.
نور چطور تشکیل میبشود؟
فارغ از این که نور از چه منبعی انتشار میبشود، اگر در حوزه فیزیک کوانتومی کاوش کنیم، فهمید میشویم نور وقتی تشکیل میبشود که الکترونها در اتمها و مولکولها انرژی آزاد کنند. هنگامی که الکترونهای جسمی انرژی میگیرند، به سطوح انرژی بالاتر میپرند و وقتی که به حالت اولیهشان بازمیگردند، انرژی آزاد میکنند. این انرژی از طریق گسیل «فوتون»ها، ذرات کوچک انرژی نور، آزاد میبشود.
نور با راه حلهای گوناگون، ازجمله همجوشی هستهای (همانند ستارهها)، داغ شدن جسم تا دماهای بالا (همانند لامپ رشتهای)، تحریک الکتریکی الکترونهای جسم با اعمال ولتاژ (همانند چراغ قوه)، تحریک نوری (همانند لیزر) و غیره تشکیل میبشود.
نور موج است یا ذره؟
طبق معمولً فکر ما از حقیقت مبتنیبر ازمایش ها روزمره است. در دوران حکمفرمایی فیزیک کلاسیک و تا قبل از ظهور کوانتوم، مدام فکر میشد نور از ذرههای کوچکی راه اندازی شده است. در واقع اولین کسی که این چنین دیدگاهی را نقل کرد، «آیزاک نیوتن» می بود. نظریه ذرهای نور را نیوتن سال ۱۷۰۴ معارفه کرد. این نظریه بر این مبنا محکم می بود که نور از ذرههایی به نام «گویچه» (Corpuscles) راه اندازی شده است که جرم ناچیزی دارند، کاملاً کشسان می باشند، مدام در یک خط راست انتشار خواهد شد، دارای انرژی جنبشی می باشند، شدت زیاد بسیاری دارند و از منبع های نور، همانند شمع و خورشید، انتشار خواهد شد. نیوتن فکر کرد ذرات کوچک نور میتوانند اندازههای مختلفی داشته باشند و این اندازههای گوناگون می باشند که رنگهای گوناگون را به وجود میآورند.
همانطورکه مدام در کتابهای درسی پافشاری میبشود، بخشی از توصیفات نیوتن از نور با حقیقت همخوانی دارند؛ برای مثالً اتفاقهای انعکاس نور و ناکامی نور با همین نظریه بهراحتی قابلفهمیدناند و روابط ریاضی آنها با این فکر که نور در خط راست انتشار میبشود، بهسادگی فرمولبندی میبشود.
درکل، اگرچه اکثر توصیفات نیوتن از نور نادرست نیستند، بعدتر اتفاقهایی مشاهده شدند که با نظریه ذرهای نور قابلتوصیف نبودند. سال ۱۶۷۸، «هویگنس» فیزیکدان هلندی، نظریه موجی نور را بنا کرد و آن را اصل هویگنس نامید.

به نظر میرسید بعد از سالها تعصب دانشمندان روی نظریه نیوتن، تئوری ذرهای نور دارد ناکامی میخورد؛ تا این که فیزیکدان فرانسوی، «آگوستین ژان فرنل»، دو منشور نازک را روی هم قرار دارد و نور را از شکافی زیاد ریز به آنها تاباند. نقش نوارهای تاریک و روشن با توصیف فرد دیگر بهجز خاصیت موجی نور قابلتوجیه نبوده است. فرنل این اتفاق را بهصورت ریاضی اثبات کرد. این چنین سال ۱۸۱۵ توانست قوانین ناکامی نور را با همین نظریه فرمولبندی کند. دو سال سپس در ۱۸۱۷ هم فیزیکدان انگلیسی، «توماس یانگ»، با منفعت گیری از الگوی تداخل موج، طول موج نور را محاسبه کرد؛ به این علت تا زمانها به نظر میرسید نظریه ذرهای نور منسوخ شده و جایش را به نظریه موجی نور داده است.
در فاصله سالهای ۱۸۶۱ تا ۱۸۶۴، فیزیکدان اسکاتلندی «جیمز کلارک ماکسول»، روابط ریاضی میدانهای مغناطیسی و الکتریکی را وحدت بخشید و وجود امواج الکترومغناطیسی را پیشبینی کرد. بعد از این وحدت تاریخی در علم فیزیک، توصیف نور بهصورت موجی الکترومغناطیسی در کانون توجهات قرار گرفت.
فیزیک مدرن: نور خاصیت ذرهگونه دارد
نظریه ذرهای نور تقریباً تا قرن ۱۹ میلادی به دست فراموشی سپرده شد و همه اتفاقها با توصیف موجی نور قابلتوجیه بودند؛ تا این که «اینشتین» با توصیف کوانتومی «تاثییر فوتوالکتریک»، مجدد نظریه ذرهای بودن نور را احیا کرد. تفسیر اینشتین از اتفاق فوتوالکتریک جایزه نوبل سال ۱۹۲۱ را نصیبش کرد.
جواب علم: نور هم موج است هم ذره!
اکنون دو دسته اتفاق وجود داشت: با آزمایشهای گوناگون، اشکار شد نور نه همیشه بهشکل موج است نه همیشه بهشکل ذره، بلکه در برخی شرایط (مشاهده میکروسکوپی) از خودش خاصیت موجی مشخص می کند و در شرایط دیگر (مشاهده ماکروسکوپی) خاصیت ذرهای دارد؛ بهاینترتیب، در جامعه علمی پذیرفته شد که نور هم ذره است هم موج. این خاصیت نور با گفتن «دوگانگی موج و ذره» شناخته میبشود و باید آن را بهگفتن حقیقتی علمی پذیرفت.
شدت نور چه مقدار است؟
«امپدوکلس آکراگاس» که نزدیک به ۴۵۰ سال قبل از میلاد میزیست، از اولین فیلسوفانی می بود که گمان زد نور با شدت محدودی حرکت میکند. تقریباً هزار سال سپس، نزدیک به ۵۲۵ میلادی، دانشمند و ریاضیدان رومی، «آنیسیوس بوتیوس»، تلاش کرد شدت نور را مستند کند اما بعد از متهم شدن به خیانت و جادوگری، بهعلت کوششهای علمیاش سرش را از تنش جدا کردند.

سال ۱۶۷۶، اندکی بعد از اختراع تلسکوپ، ستارهشناس دانمارکی، «اوله رومر»، اولین دانشمندی می بود که برای تخمین شدت نور جدی تلاش کرد. رومر با مطالعه قمر مشتری، آیو و خسوفهای مکرر آن، توانست تناوب یک دوره خسوف را برای آن پیشبینی کند. او طی چند سال، چندین دفعه این اندازهگیری را انجام داد و نتیجه گرفت زمان خسوف مشتری ثابت نیست. در واقع وقتی که زمین به مشتری نزدیک میشد، خسوف ۱۱ دقیقه سریعتر رخ میداد. درعینحال، وقتی که دو سیاره در دورترین فاصله قرار داشتند، خسوفها ۱۱ دقیقه دیرتر اغاز میشدند.
رومر با کشف این الگو، پیشبینی دقیقی از خسوف بعدی قمر آیو کرد. تخمین زد نور نیاز به ۲۲ دقیقه دارد تا مسافتی معادل قطر مدار زمین (۳۰۰ میلیون کیلومتر) را طی کند؛ معادل ۲۲۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه به واحدهای جاری. این عدد نزدیک به ۲۶ درصد نسبت به مقدار واقعی اشتباه دارد که به گمان زیادً بهخاطر نادرست در محاسبه فاصله مشتری از زمین بوده است.
نفر بعدی که تخمین مفیدی از شدت نور اراعه کرد، فیزیکدان بریتانیایی، «جیمز بردلی»، می بود. ۱۷۲۸، یک سال بعد از مرگ نیوتن، بردلی با منفعت گیری از انحرافات ستارهای، شدت نور در خلأ را تقریباً ۳۰۱,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه تخمین زد. این اتفاقها با تحول ظاهری در موقعیت ستارگان بهعلت حرکت زمین به دور خورشید آشکار خواهد شد. درجه انحراف ستاره را میتوان از نسبت شدت مداری زمین به شدت نور تعیین کرد. بردلی با اندازهگیری زاویه انحراف ستارهای و اعمال آن دادهها بر شدت مداری زمین، توانست تخمین زیاد دقیقی بزند.
بهجستوجو آزمایشات قبل، فیزیکدانی آمریکاییـلهستانی به نام «آلبرت مایکلسون» تلاش کرد دقت این روش را افزایش بدهد و سال ۱۸۷۸ با پیروزی شدت نور را اندازهگیری کرد. مایکلسون با منفعت گیری از لنزها و آینههای باکیفیت، نتیجه نهایی را ۲۹۹,۹۰۹ کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد. مایکلسون بهخاطر این کشف جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۰۷ را از آن خود کرد.
نظریه نسبیت خاص اینشتین
سال ۱۹۰۵، اینشتین نظریه نسبیت خاص سپس نظریه نسبیت عام را را انتشار کرد. نظریه اول مربوط به حرکت اجسام با شدت ثابت نسبت به یکدیگر است و نظریه دوم بر شتاب و پیوندهای آن با گرانش تمرکز دارد.
اینشتین اثبات کرد شدت نور ثابت و برابر با ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه است. او این مقدار را یک ثابت فیزیکی معارفه کرد که شدت نور در خلأ شناخته میبشود.
آیا شدت نور ثابت است؟
در جواب به این سوال باید بگوییم همانطورکه حرف های شد، شدت نور در خلأ ثابت است. بااینحال، نور هنگامی از محیطی مادی، همانند آب (۲۲۵,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) یا شیشه (۲۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) عبور میکند، شدت آن افت مییابد.
چرا شدت حرکت نور بعد از عبور از ماده افت مییابد؟
بهعلت ساختار اتمی و ملکولی ماده، شدت نور در آن افت مییابد. در تعداد بسیاری از مواد، الکترونهای حاضر در ذرات ماده زمان تابش نور، اغاز به نوسان میکنند و انرژی نور را جذب یا پراکنده میکنند. این فرایند جهت افت شدت پیشروی نور در ماده میبشود. این چنین، در مواد با چگالی بالاتر که ذرات باردار بیشتری در واحد حجم وجود دارد، برخورد و پراکندگی نور زیاد تر شده و شدت نور افت مییابد.

شدت نور در خلأ
شدت حرکت نور در خلأ دقیقاً برابر ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه یا ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ کیلومتر بر ثانیه است؛ ثابتی جهانی که در معادلات با پارامتر c شناخته میبشود. در محاسبات ساده، طبق معمولً شدت نور را بهتقریب برابر ۱۰۸×۳ متر بر ثانیه یا ۱۰۵×۳ کیلومتر بر ثانیه در نظر میگیرند.
شدت نور در محیطهای گوناگون
برای این که شدت نور در محیط را محاسبه کنیم، باید ضریب ناکامی آن محیط را بدانیم. هنگامی نور از محیطی به محیط دیگر میرود، مسیرش تحول میکند. این اتفاق ناکامی نور شناخته میبشود و مقدار آن به ضریب ناکامی دو محیط بستگی دارد. ضریب ناکامی آب برابر ۱.۳۳ است. با محاسبه، به این نتیجه میرسیم که شدت نور در آب برابر با ۱۰۵×۲.۲۵ کیلومتر بر ثانیه است.
در هوا نیز شدت نور تحول میکند. محاسبات مشخص می کند شدت نور در هوا برابر ۱۰۵×۲.۹۹,۹۱۰ کیلومتر بر ثانیه است.
جمعبندی
برای دیدن محیط اطرافمان به نور نیاز داریم. نور به اجسام گوناگون میتابد و بعد از بازتاب به چشم ما، میتوانیم آن جسم را ببینیم. نور مرئی بخشی از تابش الکترومغناطیسی است که شامل طول موجهای ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر میبشود.
از زمان نیوتن تا قرن بیستم، مدام ماهیت نور بازدید شده است. دانشمندان در دورههای گوناگون نظریههای مختلفی در این عرصه اراعه دادهاند. ابتدا دو نظریه «ذرهای» و «موجی» نور موردتوجه قرار گرفتند و هرکدام در توجیه برخی اتفاقهای فیزیکی کاربرد داشتند اما دانشمندان درنهایت نتیجه گرفتند اگر نور را از در سطح ماکروسکوپیک مشاهده (اندازهگیری) کنیم، خاصیت ذرهای دارد و اگر آن را در سطح میکروسکوپی مشاهده کنیم، خاصیت موجی دارد؛ به این علت جامعه علمی پذیرفت نور همزمان هم موج است هم ذره.
کوششهای بسیاری برای محاسبه شدت نور شده است؛ درنهایت با اراعه نظریه نسبیت خاص، شدت نور در خلأ ثابت و برابر ۱۰۸×۳ متر بر ثانیه بهگفتن قانون علمی پذیرفته شد. چگونگی برهمکنش نور با ماده فصل جدیدی از سؤالات علمی را اغاز کرد که مدام به پیشرفت تجهیزات اپتیکی و صنعت پشتیبانی شایانی کرده است. ساخت سلولهای خورشیدی، دوربینها، کاوش در جهان دوردست با تلسکوپها، فیبر نوری، کاوش در جهان میکروسکوپی با میکروسکوپهای نوری، گسترش لیزرها و تعداد بسیاری دیگر نتیجه شناخت نور و فهمیدن برهمکنش آن با مواد گوناگون بوده است.
سؤالات متداول
نور بخشی از تابش الکترومغناطیسی است. تابش الکترومغناطیسی گسترهای از طول موجهای گوناگون –از امواج رادیویی تا پرتوهای گاما– را در برمیگیرد و نور مرئی بخشی از تابش الکترومغناطیسی، با طول موج بین ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر تعریف میبشود.
شدت حرکت نور در خلأ دقیقاً برابر ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه یا ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ کیلومتر بر ثانیه است؛ ثابتی جهانی که در معادلات با پارامتر c شناخته میبشود.
شدت نور در آب برابر با ۱۰۸×۲.۲۵ متر بر ثانیه است.
شدت نور در هوا ۹۹.۹۷ درصد c و برابر ۱۰۵×۲.۹۹۹۱۰ کیلومتر بر ثانیه است.
اوله رومر اولین دانشمندی می بود که کوششهایی جدی برای تخمین شدت نور کرد.
مطابق این حقیقت علمی، نور همزمان هم موج است هم ذره! بر پایه روش مشاهده و اندازهگیری ما، نور میتواند بهصورت ذرهای (فوتون) یا موجی الکترومغناطیسی نمود کند؛ برای مثال، در اتفاق ناکامی نور میتوانیم خاصیت ذرهای نور را ببینیم؛ در اتفاق پراش، خاصیت موجی نور نمایان میبشود.
دسته بندی مطالب
مقالات کسب وکار