الکترومغناطیس و شروع بحران در فیزیک کلاسیک

مقدمه

امروزه می دانیم که نور یک موج الکترمغناطیسی است و بخش بسیار کوچکی از طیف الکترمغناطیسی را تشکیل می دهد. بنابراین برای شناخت نور بایستی به بررسی امواج الکترومغناطیسی پرداخت. اما از آنجاییکه مکانیک کلاسیک قادر به توضیح کامل امواج الکترومغناطیسی نیست، الزاماً بایستی به مکانیک کوانتوم مراجعه کرد. اما قبل از وارد شدن به مکانیک کوانتوم لازم است با برخی از خواص نور آشنا شد و دلیل نارسایی مکانیک کلاسیک را دانست. لذا در این فصل دانش نور را تا پیش از ارائه شدن رابطه ی مشهور پلانک بررسی می کنیم و در فصل جداگانه ای خواص امواج الکترومغناطیسی بعد از مکانیک کوانتوم و نسبیت بررسی خواهد شد.

خواص نور

نخستین مسئله ای مهم جلوه می کرد این بود که نور چیست؟ از آنجاییکه عامل دیدن بود و در تاریکی چیزی دیده نمی شد، سئوال این بود که نور چیست؟ چرا می بینیم و نور چگونه و توسط چه چیرزی تولید می شود؟ بالاخره این نظریه پیروز شد که نور توسط اجسام منیر نظیر خورشید و مشعل تولید می شود. بعد از آن مسئله انعکاس نور مورد توجه قرار گرفت و اینکه چرا برخی از اجسام بهتر از سایر اجسام نور را باز تابش می کنند؟ چرا نور از برخی اجسام عبور می کند و از برخی دیگر عبور نمی کند؟ چرا نور علاوه بر آنکه سبب دیدن است موجب گرم شدن نیز می شود؟ نور چگونه منتقل می شود؟ سرعت آن چقدر است؟ و سرانجام ماهیت نور و نحوه ی انتقال آن چیست؟

نخستین آزمایش مهم نور توسط نیوتن در سال 1666 انجام شد. وی یک دسته اشعه نور خورشید را که از شکاف باریکی وارد اتاق تاریکی شده بود، بطور مایل بر وجه یک منشور شیشه ای مثلث القاعده ای تابانید. این دسته هنگام ورود در شیشه منحرف شد و سپس هنگام خروج از وجه دوم منشور باز هم در همان جهت منحرف شد.

نیوتن دسته اشعه خارج شده را بر یک پرده سفید انداخت. وی مشاهده کرد که به جای تشکیل یک لکه سفید نور، دسته اشعه در نوار رنگینی که به ترتیب مرکب از رنگهای سرخ، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش است پراکنده شده است. نوار رنگینی را که از مولفه های نور تشکیل می شود، طیف می نامند.

نیوتن نظر داد که نور از ذرات بسیار ریز - دانه ها - تشکیل می شود که با سرعت زیاد حرکت می کند. علاوه بر آن به نظر نیوتن نور در محیط غلیظ باسرعت بیشتری حرکت می کند. اگر نظر نیوتن در مورد سرعت نور درست می بود می بایست سرعت نور در شیشه بیشتر از هوا باشد که می دانیم درست نیست.

هویگنس در سال 1690 رساله ای در شرح نظریه موجی نور منتشر کرد. طبق اصل هویگنس حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه های نوری به تمام جهات پخش می شود. هویگنس با به کاربردن امواج اصلی و موجک های ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. هویگنس نظر داد که سرعت نور در محیط های شکست دهنده کمتر از سرعت نور در هوا است که درست است.

پیروزی نظریه موجی نور

نظریه دانه ای نیوتن هرچند بعضی از سئوالات را پاسخ می گفت، اما باز هم پرسش هایی وجود داشت که این نظریه نمی توانست برای آنها جواب قانع کننده ای ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بیشتر منحرف می شوند؟ چرا دو دسته اشعه ی نور می توانند بدون آنکه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟

اما بر اساس نظریه موجی هویگنس، دو دسته اشعه ی نورانی می توانند بدون آنکه مزاحمتی برای هم فراهم کنند از یکدیگر بگرند. هویگنس نمی دانست که نور موج عرضی است یا موچ طولی، و طول موج های نور مرئی را نیز نمی دانست. ولی چون نور در خلاء نیز منتشر می شود، وی مجبور شد محیط یا رسانه حاملی برای این انتشار این امواج در نظر بگیرد. هویگنس تصور می کرد که این امواج توسط اتر منتقل می شوند. به نظر وی اتر محیط و مایع خیلی سبکی است و همه جا، حتی میان ذرات ماده نیز وجود دارد.

نظری هویگنس نیز بطور کامل رضایت بخش نبود، زیرا نمی توانست توضیح دهد که چرا سایه ی واضح تشکیل می شود، یا چرا امواج نور نمی توانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟

نظریه موجی و دانه ای نور بیش از یکصد سال با هم مجادله کردند، اما نظریه دانه ای نیوتن بیشتر مورد قبول واقع شده بود، زیرا از یکطرف منطقی تر به نظر می رسید و از طرف دیگر با نام نیوتن همراه بود. با وجود این هر دو نظریه فاقد شواهد پشتوانه ای قوی بودند. تا آنکه بتدریج دلایلی بر موجی بودن نور ارائه گردید

لئونارد اویلر فکر امواج دوره ای را تکمیل کرد، همچنین دلیل رنگ های گوناگون را مربوط به تفاوت طول موج آنها دانست. و این گام بلندی بود. در سال 1800 ویلیام هرشل آزمایش بسیار ساده اما جالبی انجام داد. وی یک دسته اشعه ی نور خورشید را از منشور عبور داد و در ماورای انتهای سرخ طیف حاصل دماسنجی نصب کرد. جیوه در دما سنج بالا رفت، بدین ترتیب هرشل تابشی را کشف کرد که به تابش زیر قرمز مشهور شد.

در همین هنگام یوهان ویلهلم ریتر انتهای دیگر طیف را کشف کرد. وی دریافت که نیترات نقره که تحت تاثیر نور آبی یا بنفش به نقره ی فلزی تجزیه و رنگ آن تیره می شود، اگر در ورای طیف، در جاییکه بنفش محو می شود، نیترات نقره قرار گیرد حتی زودتر تجزیه می شود. ریتر نوری را کشف کرد که ما اکنون آن را فوق بنفش می نامیم. بدین ترتیب هرشل و ریتر از مرزهای طیف مرئی گذشتند و در قلمروهای جدید تابش پا نهادند. در این هنگام دلایل جدیدی برای موجی بودن نور توسط یانگ و فرنل ارائه گردید.

در سال 1801 توماس یانگ دست به آزمایش بسیار مهمی زد. وی یک دسه اشعه ی باریک نور را از دو سوراخ نزدیک بهم گذارانید و بر پرده ای که در عقب این سوراخ نصب کرده بود تابانید. احتمال می رفت که اگر نور از ذرات تشکیل شده باشند، محل تلاقی دو دسته اشعه ای که از سوراخها عبور کرده اند، بر روی پرده روشن تر از جاهای دیگر باشد. اما نتیجه ای که یانگ به دست آورد چیزی دیگر بود. بر روی پرده یک گروه نوارهای روشن تشکیل شده بود که هر یک به وسیله ی یک نوار تاریک از دیگری جدا می شد. این پدیده به سهولت با نظریه موجی نور توضیح داده شد.

نوار روشن نشان دهنده ی تقویت امواج یکی از دسته ها به وسیله ی امواج دسته ی دیگر است. به گفته ی دیگر، هر جا که دو موج همفاز شوند، بر یکدیگر افزوده می شوند و یکدیگر را تشدید می کنند. از طرف دیگر نوارهای تاریک نشان دهنده ی جاهایی است که امواج در فاز مقابلند، در نتیجه یکدیگر را خنثی می کنند. اگر چه یانگ بارها تاکید کرد که برداشت هایش ریشه در پژوهش های نیوتن دارد، اما به سختی مورد حمله قرار گرفت و نظریات وی خالی از هر گونه ارزش تلقی شد. با این وجود یانگ طول موج های متفاوت نور مرئی را اندازه گرفت.

در سال 1814 ژان فرنل بی خبر از کوششهای یانگ مفاهیم توصیف موجی هویگنس و اصل تداخل را با هم ترکیب کرد و اظهار داشت: ارتعاشات یک موج درخشان را در هر یک از نقاط آن می توان به عنوان مجموع حرکت های بنیادی دانست که به آن نقطه می رسند. بر اثر انتقادهای شدید طرفداران نیوتن، فرنل تاکیدی ریاضی یافت. وی توانست نقش های پراش ناشی از موانع و روزنه های گوناگون را محاسبه کند و به طور رضایت بخشی انتشار مستقیم نور را در محیط های همسانگرد و همگن توضیح دهد. بدینسان انتقاد عمده ی طرفداران نیوتن را نسبت به نظریه موجی بی اثر کند. هنگامیکه فرنل به تقدم یانگ در اصل تداخل پی برد، هرچند اندکی مایوس شد، اما نامه ای به یانگ نوشت و احساس آرامش خود را از هم رای بودن با او ابراز داشت.

قبل از ادامه ی بحث در مورد کارهای فرنل لازم است موج طولی و موج عرضی را تعریف کنیم. در مجو طولی جهت انتشار با جهت ارتعاش یکی هستند. نظیر نوسان یک فنر. اما در موج عرضی جهت ارتعاش بر جهت انتشار عمود است، نظیر موج بر سطح آب که نوسان و انتشار عمود بر هم هستند.

فرنل تصور می کرد امواج نور، امواج طولی هستند. اما تصور موج طولی نمی توانست خاصیت قطبش نور را توجیه کند. فرنل و یانگ چندین سال با این مسئله درگیر بودند تا سرانجام یانگ اظهار داشت که ممکن است ارتعاش اتری همانند موجی در یک ریسمان عرضی باشد. ولی امواج عرضی انها در یک محیط مادی منتقل شوند. از طرفی دیگر با توجه به سرعت نور ( که در آنزمان مقدار آن را نمی دانستند ولی می دانستند که فوق العاده زیاد است)، اتر نمی توانست گاز یا مایع باتشد و باید جامد و در عین حال خیلی صلب باشد حتی می بایست صلب تر از فولاد باشد. از این گذشته اتر می بایست در تمام مواد نفوذ کند، یعنی نه تنها در فضا، بلکه باید در بتواند گازها، آب، شیشه و حتی در چشم ها نفوذ کند، زیرا نور وارد چشم نیز می شود. علاوه بر این اتر نبایستی هیچگونه اصطکاکی داشته باشد و مانع بهم خوردن پلک ها گردد. با وجود این با تمام مشکلاتی که اتر داشت برای توجیه موجی بودن نور مورد قبول واقع شد. بدین ترتیب در سال 1825 نظریه موجی نور مورد قبول واقع شد و نظریه دانه ای نیوتن طرفداران چندانی نداشت .

محاسبه سرعت نور

اولین کسی که برای محاسبه ی سرعت نور اقدام کرد، گالیله بود. وی به اتفاق همکارش برای اندازه گیری سرعت نور اقدام کردند. روش کار به این طریق بود که همکار گالیله در حالیکه فانوسی در دست داشت بالای تپه ای ایستاده بود و گالیله بالای تپه ای دیگر. هر دو با خود فانوسی داشتند که روی آن را پوشانده بودند. دستیار وی به مجرد آنکه نور گالیله را می دید، با برداشتن پرده از روی فانوس خود به گالیله علامت می داد. گالیله این آزمایش را با فواصل بیشتر و بیشتر تکرار کرد، اما نتوانست اختلاف زمانی بین برداشتن پرده از روی فانوس خود و دستیارش به دست آورد و سرانجام گفت که سرعت نور خیلی زیاد است.

نخستین بار سرعت نور در سال 1676 توسط رومر (Romer) با استفاده از ماه گرفتگی محاسبه شد و معلوم گشت که سرعت نور نیز محدود است. عددی را که رومر به دست آورد 215 هزار کیلومتر بر ثانیه بود. این عدد آنقدر بزرگ بود که معاصران وی آن را باور نمی کردنددر سال 1726 برادلی با استفاده از تغییر وضعیت ستارگان نسبت به زمین سرعت نور را محاسبه کرد و عدد سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه را به دست آورد.

نخستین بار فیزیو با ستفاده از روش غیر نجومی و اصلاح روش گالیله سرعت نور اندازه گیری کرد و مقدار آن را سیصد و سیزده هزار کیلومتر بر ثانیه به دست آورد. بتدریج همراه با پیشرفت وسائل اندازه گیری های زیادی انجام شد و امروزه مقدار سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه پذیرفته شده است .

در زمان فرنل این سئوال مطرح بود که آیا حرکت زمین در میان اتر موجب ایجاد اختلافی قابل مشاهده بین نور چشمه ی زمینی و چشمه های فرازمینی می شود یا نه؟ آراگو به طور تجربی دست به آزمایش زد و دریافت که هیچگونه اختلافت قابل مشاهده ای در این زمینه وجود ندارد. رفتار نور چنان بود که گویی زمین نسبت به اتر بی حرکت است.

فرنل برای توضیح آن اظهار داشت که نور هنگام عبور از یک ماده ی شفاف متحرک کشیده می شود و رابطه زیر را ارائه داد:

v=c/n + or - vw(1-1/n^2)

که در آن v=c/n , vw سرعت نور در یک محیط غلیظ مثلاً آب است و سرعت آب و جمله ی بعدی به دلیل حرکت آب نسبت به وجود می آید.

در هر محیط مادی سرعت نور و طول موج آن مقدارشان از مقدار خلا کمتر است کمیتی که در هر محیطی ثابت می ماند فرکانس نور هست. فرکانس نور با طول موجش نسبت عکس دارد:

(V=F L) که در آن F معرف فرکانس و L معرف طول موج و V معرف سرعت نور در محیط مادی می باشد .

در اپتیک خواص محیط در یک طول امواج را می توان توسط یک پارامتر یعنی نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور در محیط توصیف نماییم. این پارامتر ضریب شکست نام دارد.

(n=c/v) بنابر این در یک محیط مادی داریم (V=F L ) که در این رابطه (n) این ضریب شکست تنها کمیتی است که برای محاسبه رفتار نور در محیط مورد نیاز هست. از آنجایی که سرعت نور در محیط های مختلف متفاوت است ،تعیین مسیر پیشروی نور ردیایی پرتو) که از میان محیط های مختلف طی مسیر می کند مشکل می باشد.

نور و الکترومغناطیس

همزنان با تلاشهای یانگ و فرنل فارادی، اورستد، آمپر و عده ای دیگر از فیزیکدانان روی پدیده های الکتریکی و مغناطیسی و وابستگی آنها کار می کردند که ظاهراً هیچ ربطی به نور نداشت. اما بعدها مشخص گردید که الکتریسیته و مغناطیس و نور از هم جدا نیستند. به همین دلیل در اینجا اشاره ای کوتاه به الکترسیسته و مغناطیس داریم و سپس امواج الکترومغناطیسی را بیان خواهیم کرد که نور بخش بسیار کوچکی از آن است.

نیروی الکتریکی

دو جسم که دارای بار الکتریکی باشند بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. کولن تحت تاثیر قانون جهانی گرانش نیوتن مقدار نیرویی را که اجسام باردار بر یکدیگر وارد می کنند به طور ریاضی بیان کرد که طبق آن این مقدار با حاصلضرب بارها متناسب و با مجذور فاصله نسبت عکس دارد.

F=kqQ/r^2

بین نیروی گرانش و نیروی الکتریکی دو اختلاف وجود دارد:

اول اینکه گرانش همواره جاذبه است. در حالیکه نیروی الکتریکی می تواند جاذبه یا دافعه باشد. دو بار الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می کنند و دو بار الکتریکی غیر همنام یکدیگر را جذب می کنند.

اختلاف دیگر نیروهای الکتریکی و گرانشی در مقدار آنها است. به عنوان مثال نیروی الکتریکی که دو الکترون به یکدیگر وارد می کنند، تقریبا هزار میلیارد میلیار میلیارد برابر نیروی گرانشی است که این دو الکترون برهم وارد می کنند.

کولن پس از ارائه قانون الکتریکی خود، در صدد تهیه قانونی برای نیروی مغناطیسی برآمد. کولن برای نیروی مغناطیسی فرمولی مشابه با نیروی الکتریکی به دست آورد که مورد توجه فیزیکدانان واقع نشد. اما پس از کشف ارتباط متقابل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، مشخص شد که این دو میدان مستقل از هم نیستند. که آن را نیروی الکترومغناطیسی می نامند. برد این نیرو نیز بینهایت است.

الکترومغناطیس

مبدا علم الکتریسیته به مشاهده معروف تالس ملطی در 600 سال قبل از میلاد بر میگردد. در آن زمان تالس متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خرده های کاغذ را میرباید. از طرف دیگر مبدا علم مغناطیس به مشاهده این واقعیت برمیگردد که بعضی از سنگها (یعنی سنگهای ماگنتیت) بطور طبیعی آهن را جذب میکند. این دو علم تا سال 1199-1820 به موازات هم تکامل مییافتند.

در سال 1199-1820 هانس کریستان اورستد (1777-1851) مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیستم میتواند عقربه قطب نمای مغناطیسی را تحت تاثیر قرار دهد. بدین ترتیب الکترومغناطیس به عنوان یک علم مطرح شد. این علم جدید توسط بسیاری از پژوهشگران که مهمترین آنان مایکل فاراده بود تکامل بیشتری یافت.

جیمز کلارک ماکسول قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که امروزه میشناسیم، در آورد. این قوانین که معادلات ماکسول نامیده میشوند، همان نقشی را در الکترومغناطیس دارند که قوانین حرکت و گرانش در مکانیک دارا هستند

در مکانیک کلاسیک و ترمودینامیک تلاش ما بر این است که کوتاهترین وجمع و جورترین معادلات یا قوانین را که یک موضع را تا حد امکان به طور کامل تعریف می‌کنند معرفی کنیم. در مکانیک به قوانین حرکت نیوتن و قوانین وابسته به آنها ، مانند قانون گرانش نیوتن، و در ترمودینامیک به سه قانون اساسی ترمودینامیک رسیدیم. در مورد الکترومغناطیس ، معادلات ماکسول به عنوان مبنا تعریف می‌شود. به عبارت دیگر می‌توان گفت که معادلات ماکسول توصیف کاملی از الکترو‌مغناطیس به دست می‌دهد و علاوه برآن اپتیک را به صورت جزء مکمل الکترومغناطیس پایه گذاری می‌کند. به ویژه این معادلات به ما امکان خواهد داد تا ثابت کنیم که سرعت نور در فضای آزاد طبق رابطه :

(C=1/sqr(M.E.))

به کمیتهای صرفا الکتریکی و مغناطیسی مربوط می‌شود .

یکی از نتایج بسیار مهم معادلات ماکسول ، مفهوم طیف الکترومغناطیسی است که حاصل کشف تجربی موج رادیویی است. قسمت عمده فیزیک امواج الکترومغناطیسی را از چشمه‌های ماورای زمین دریافت می‌کنیم و در واقع همه آگاهی هایی که درباره جهان داریم از این طریق به ما می‌رسد. بدیهی است که فیزیک امواج الکترو مغناطیسی خارج از زمین در گسترده نور مرئی از آغاز خلقت بشر مشاهده شده‌اند.

فیزیک امواج الکترو مغناطیسی یک رده از فیزیک امواج است که دارای مشخصات زیر است.

امواج الکترو مغتاطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، یا طول موج با هم تفاوت دارند .

در طیف فیزیک امواج الکترو مغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را می‌توانیم تولید کنیم.

برای مقیاس‌های بسامد یا طول موج ، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده ای وجود ندارد.

قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرازمینی هستند.

فیزیک امواج الکترومغناطیسی جزو امواج عرضی هستند.

فیزیک امواج الکترومغناطیسی از طولانی‌ترین موج رادیویی ، با طول موج‌های معادل چندین کیلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج رادیویی متوسط و کوتاه تا نواحی کهموج ، فروسرخ و مرئی امتداد می‌یابد. بعد از ناحیه مرئی فرابنفش قرار دارد که خود منتهی به نواحی اشعه ایکس ، اشعه گاما و پرتوی کیهانی می‌شود. نموداری از این طیف که در آن نواحی قراردادی طیفی نشان داده می‌شوند در شکل آمده است که این تقسیم بندی‌ها جز برای ناحیه دقیقا تعریف شده مرئی لزوما اختیاری‌اند.

یکاهای معروف فیزیک امواج الکترومغناطیسی

طول موج لاندا بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنین میکرون یا میکرومتر ، واحد آنگستروم نشان داده می‌شود. این واحد اکنون دقیقا معادل 10- ^ 10 متر تعریف شده است.

ناحیه مرئی یا نور مرئی ( 4000-7500 آنگستروم ) توسط نواحی فروسرخ از طرف طول موج‌های بلند ، فرابنفش از طرف طول موج‌های کوتاه ، محصور شده است. معمولا این نواحی به قسمت های فروسرخ و فرابنفش دور و نزدیک ، با محدوده‌هایی به ترتیب در حدود 30 میکرومتر و 2000 آنگستروم تقسیم می‌شوند که نواحی مزبور دارای شفافیت نوری برای موادی شفاف از جمله منشورها و عدسی‌ها می‌باشند .

طبیعت نور

حساسیت اندام های دیداری به نور بسیار زیاد است. بنابر تازه‌ترین اندازه گیریها ، برای ‏احساس نور کافی است که حدود انرژی تابشی در هر ثانیه و تحت شرایط مناسب بر ‏چشم بتابد. به عبارت دیگر ، توان کافی برای تحریک نوری قابل احساس مساوی ‏است.

چشم انسان از جمله حساسترین وسایلی است که می تواند وجود نور را درک کند. اثر ‏نور بر چشم در فرایند شیمیایی معینی خلاصه می شود. که در لایه حساس چشم پدید ‏می آید و باعث تحریک عصب بینایی و مرکزهای مربوط در مغز قدامی می شود. اثر ‏شیمیایی نور مشابه با کش روی ای حساس چشم انسان را می توان در محور ‏تدریجی رنگها در نور مشاهده کرد .

با استفاده از این وسایل خاص می توان پدید آمدن جریان الکتریکی بر اثر نور را به ‏سهولت آشکار کرد. اگر بام یک خانه کوچک را بتوان با ماده ای که در فتوسلها بکار می ‏رود پوشاند، می توان در یک روز آفتابی به کمک انرژی نوری جریان الکتریکی با توان چند ‏کیلووات بهت آورد. سرانجام باید متمرکز شد که اثر مکانیک نور را نیز می توان ‏مشاهده کرد. این اثر در فشار نور بر سطح بازتاب دهنده یا جذب کننده نور آشکار می ‏شود.

اگر جسم را به شکل پره‌های متحرکی بسازیم، چرخش چنین پره‌هایی بر اثر نور تابشی ‏را می توان دید. این آزمایش جالب توجه اولین بار در 1900 توسط بروف در مسکو انجام ‏شده است. محاسبه‌ها نشان می دهد که تابش پرتوهای خورشیدی بر آینه‌‌ها اثر می کند.

معادلات الکترومغناطیس ماکسول و آغاز بحران فیزیک نیوتنی

ماکسول تمام دانش تجربی آن روزگار را در مجموعه واحدی از معادلات ریاضی به طور بارزی خلاصه کرد و جهان علم را شدیداً تحت تاثیر قرار داد. چنانکه همگان به تحسین وی پرداختند. لودویک بولتزمن از قول گوته می نویسد که آیا خدا بود که این سطور را نوشت.

وی به شیوه ای صرفاً نظری نشان داد که میدان مغناطیسی می تواند همانند موجی عرضی در اتر نور رسان انتشار یابد. پذیرش موجی نور به همان اندازه پذیرش یک زمینه ی فراگیر یعنی اتر نور رسان را ایجاب می کرد. ماکسول در این مورد می گوید.

اترها را ابداع کردند تا سیارات در آنها شناور باشند، جوهای الکتریکی و شارهای مغناطیسی را تشکیل دهند، احساس ها را از یک پاره ی پیکر ما به پاره ی دیگر منتقل کنند. ولی آخر، تا آنجا که تمامی فضا سه یا چهار بار از اترها پر شده است... تنها اتری که باقیمانده است، همان است که توسط هویگنس برای توضیح انتشار نور ابداع شده است.

بنابراین سرعت ثابت امواج الکترمغناطیسی بایستی نسبت به یک دستگاه مقایسه می شد، و این دستگاه همان دستگاه اتر بود. یعنی اتر ساکن مطلق فرض می شد و تمام اجسام نسبت به آن در حرکت بودند و سرعت امواج الکترومغناطیسی و در حالت خاص سرعت نور نسبت به اتر ثابت بود. این نظریه در حالی شکل گرفت که نسبیت گالیله ای نیز معتبر و بی نقص تصور می شد. بنابراین اگر سرعت نور نسبت به یک 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 خواهیم داشت w=c-v نتیجه اینکه در اواخر قرن نوزدهم میلادی فیزیک نظری بر سه بنیاد زیر مبتنی بود.

معادلات نیوتن

نسبیت گالیله ای

معادلات ماکسول

بر این اساس ماکسول به فکر محاسبه سرعت حرکت منظومه ی شمسی نسبت به اتر افتاد. وی در سال 1879 طی نامه ای که برای تاد در آمریکا نوشت، طرحی را برای اندازه گیری سرعت حرکت منظومه ی شمسی نسبت به اتر پیشنهاد کرد. یک آمریکایی به نام مایکلسون این طرح را دنبال کرد و برای انجام آزمایش تداخل سنجی نیز ساخت و در سال 1880 آزمایش کرد.

آزمایش مایکلسون

آزمایش مایلکسون بر اساس نسبیت گالیله شکل گرفت. در نسبیت گالیله ای همه ی اجسام نسبت به اتر که ساکن فرض شده بود حرکت می کردند. بنابراین اگر جسمی مثلاً زمین نسبت به اتر با سرعت V1 در حرکت بود و جسم دیگری مثلاً یک راکت نسبت به زمین با سرعت V2 حرکت می کرد، انگاه سرعت راکت نسبت به اتر از رابطه ی زیر به دست می آمد:

V=v1+V2

سئوال مایکلسون این بود که اگر دو شعاع نورانی یکی عمود بر جهت حرکت زمین و دیگری همجهت با آن به دو آینه که در فاصله مساوی از منبع نور قرار دارند بفرستیم، کدامیک زودتر بر می گردد؟ طبق محاسبات مایکلسون که در ادامه خواهد آمد و با استفاده از نسبیت گالیله ای و مطلق بودن زمان و با توجه به جمع برداری سرعت ها، زمان رفت و برگشت دو شعاع نورانی قابل محاسبه و با توجه به آن می توان سرعت مطلق زمین را نسبت به اتر محاسبه کرد.

با توجه به شکل آزمایش مایکلسون، یک پرتو نوری (مایکلسون از نور خورسید استفاده کرد) به آینه میانی دستگاه برخورد می کند. آینه نیمه اندود است قسمتی از نور را عبور می دهد و بخشی از آن را با توجه به زاویه ای که با نور ورودی تشکیل داده تحت زاویه 45 درجه منعکس می کند.

پرتو عبوری در رفت و بازگست بازوی تداخل سنج را طی می کند که با توجه به اینکه در رفت و بازگشت به ترتیب سرعت های زیر خواهد داشت:

c+v and c-v

که در آن c , v به ترتیب سرعت نور نسبت به زمین و سرعت زمین نسبت به اتر است. بنابراین زمان رفت و برگشت پرتو موازی با حرکت زمین برابر خواهد شد با

T1=(L/c+v)+(L/c-v)=2Lc/c2-v2

که در آن L طول بازوی تداخل سنج است.

اما پرتوی که عمود بر جهت حرکت منعکس می شود، قبل از آنکه به منعکس کننده برسد، منعکس کننده قدری جابجا شده و که در این حالت کقدار جابجایی آن با بازوی تداخل سنج و مسیر نور یک مثلث قائم الزاویه تشکیل می دهد. که می توان نشان داد زمان رفت و برگشت تور در جهت عمود بر جهت حرکت رمین برابر است با:

T2=2L/(c2-v2)1/2

با تقسیم طرفین روابط بالا بر یکدیگر و پس از ساده کردن خواهیم داشت:

T2=T1/(1-v2/c2)1/2

در این رابطه سرعت نور مشخص است و زمانها با آزمایش قابل محاسبه هستند و تنها مجهول آن v یعنی سرعت زمین نسبت به اتر مجهول بود که طبق پیش بینی مایکلسون بسادگی قابل محاسبه بود.

مایکلسون برای آنکه طول بازوی تداخل سنج هم موجب بروز اشکال نشود با چرخندان آن به اندازه 90 درجه تنها یک طول مورد استفاده قرار گرفت، با این وجود نتیجه ی آزمایش منفی بود. بارها و بارها این آزمایش و حتی با در سال 1987 به کمک مورلی تکرار شد، بازهم نتیجه منفی بود و دو زمان اندازه گیری شده با هم برابر بود. یعنی آزمایش نشان داد که زمین نسبت به اتر ساکن است.

بحران فیزیک کلاسیک

آنچه از این آزمایش به دست آمد بسیار گیج و ناراحت کننده بود. اولین فکری که قوت گرفت این بود که باید اشکال از معادلات ماکسول باشد که تنها بیست سال از عمر آن می گذشت. یعنی باید آنها را طوری تغییر داد تا با نسبیت گالیله ای سازگار باشد. اما آزمایش فیزو و سایر نتایج حاصل از حرکت نور و امواج الکترومغناطیسی آنها را تایید می کرد.

مورد بعدی اشکال را به مکانیک نیوتنی وارد کردند، اما مکانیک نیوتنی هم در جهان معمولی پا برجا و با تجربه سازگار بود. هر تلاشی که برای توجیه علت شکست نتیجه ی آزمایش مایکلسون انجام می دادند، با شکست رو به رو می شد. در این میان دو نظریه از بقیه حالب تر به نظر می رسید.

یکی کشش اتری که به موجب آن جارجوب اتر بطور موضعی به کلیه ی اجسام با جرم محدود متصل است. این نظریه هیچ اصلاحی را در قوانین نیوتن، نسبیت گالیله ای و معادلات ماکسول لازم نمی دانست. اما این نظری با کجراهی نور ستارگان ناسازگار بود.

نظریه دوم نظریه گسیلی بود که طبق آن معادله های ماکسول را باید طوری اصلاح می کردند که سرعت نور با سرعت چشمه ی صادر کننده بستگی داشته باشد. این نظریه نیز با نور واصل از ستارگان دوتایی ناسازگار بود

سرانجام در سال 1893 فیتز جرالد نظریه ی عجیبی ارائه داد. طبق نظر فیتز جرالد، تمام اجسام در جهت حرکت خود نسبت به اتر منقبض می شوند و عامل انقباض برابر است با:

1/sqr(1-(v2/c2)^2)

این نظریه هرچند عجیب و ساختگی به نظ می رسید، اما جون فرضیه اتر را می پذیرفت و معادلات الکترومغناطیس ماکسول را تغییر نمی داد و در عین حال اصول مکانیک بهمان شکل قبلی باقی می گذاشت و نتیجه ی آزمایش را نیز توجیه می کرد، بیشتر مورد قبول بود.

متعاقب آن لورنتس تبدیلات خود را که به تبدیلات لورنتس معروف است ارائه کرد :

Lorentz Transformation

The primed frame moves with velocity v in the x direction with respect to the fixed reference frame. The reference frames coincide at t=t'=0. The point x' is moving with the primed frame.

در همان دوران که لورنتس روی اشعه ی کاتدی کار می کرد، این انقباض را بوسیله ی نظریه الکترونی خود توضیح داد. وی نظر داد که جرم ذره ای باردار که بر اثر حرکت در حجم کوچکتری متمرکز می شود، اضافه خواهد شد. و بدین تریب نظریه تغییرات جرم نیز برای اولین بار در فیزیک مطرح شد.

تمام این کوششها برای حفظ دستگاه مرجع مطلق اتر انجام شد، اما دیگر این موجود ناسازگاری خود را با مشاهدات تجربی نشان داده بود. پوانکاره نخستین کسی بود که اظهار داشت آین اتر ما واقعاً وجود دارد؟ من اعتقاد ندارم که مشاهدات دقیقتر ما هرگز بتواند چیزی بیشتر از جابجایی های نسبی را آشکار کند

بدین ترتیب فیزیک نظری در آغاز قرن بیستم با بزرگترین بحران دوران خود رو به رو بود .
منبع :

www.cph-theory.com

نوشته: حسین جوادی

آیا سرعت نور در حال افزایش است؟

با توجه به افزایش فاصله بین کهکشانها و دور شدن آنها از یکدیگر نسبت فضای کوانتمی مادی به فضای کوانتمی غیرمادی کاهش می یابد و این موضوع باعث می شود که موتور کوانتمی حاصل از این فضای کوانتمی باعث تحریک بیشتر ذرات مادی در فضای کوانتمی غیرمادی شده و در نتیجه ماکزیمم سرعت ذرات مادی افزایش می یابد.

با توجه به این موضوع سرعت نور در حال افزایش می باشد و میزان تسریع در این افزایش بستگی به سرعت دور شدن کهکشان ها از یکدیگر می باشد. این تغییرات بسیار ناچیز بوده و براحتی قابل اندازه گیری نمی باشد. با اینحال شاید بتوان در یک دوره زمانی بزگتری این تغییرات را به دست آورد. با اینحال می توان این موضوع را نتیجه گیری نمود که تقریب های اندازه گیری نور در طول صد سال اخیر تا کنون رو به بالا بوده و این موضوع می تواند اثباتی بر افزایش سرعت نور در طول صد سال اخیر باشد. ولی برای افزایش قابل ملاحظه در این سرعت باید صدها میلیون سال صبر نمود.

چرا جهان بزرگتر و کهکشان ها از یکدیگر دور می شوند؟

فضای کوانتمی که در محیط ما وجود دارد شامل فضای کوانتمی مادی و غیر مادی است که بین این دو مرزی وجود دارد که شامل روزنه های آبکش مانندی است که میزان و مقدار عبور ذرات را مشخص می نماید. ایجاد جنبش براونی و دیگر حرکات ذرات تحت تاثیر این روزنه ها نی باشد و بزرگ و کوچک شدن و یا بسته  شدن این روزنه ها ی میکروسکپی می تواند تاثیر زیادی بر روی میزان و جهت این حرکات داشته باشد.

حرکت نور

نور از فوتون‌های مختلف تشکیل شده است و این فوتون‌ها به صورت معمول در فضای اطراف وجود دارند ولی با توجه به این که در فضای کوانتومی مادی پایدار هستند در جای خود ثابت می‌باشند و همچنین برخی از فوتون‌ها در فضای کوانتمی غیرمادی گیر افتاده و امکان خارج شدن از این سد انرژی را ندارند.فوتون هایی که در فضای کوانتومی غیر مادی گیر افتاده اند را باید این طور تصور نمود که ذراتی در بین دو آبکش گیر افتاده اند و حجم سوراخ های آبکش به آنها اجازه حرکت نمی دهد بنابراین نمی توانند از آن محیط خارج شوند. این موضوع به این صورت است که در بین سوراخ های این آبکش ها سرواخ هایی که این فوتون ها بتوانند از آن عبور کنند وجود دارد ولی باید به یک سرعت جابجایی و حرکت براونی دست یابند تا حجم وسیعی از آنها از سوراخ ها را پیدا کرده و از محیط خارج شوند به این طریق فوتون های گیر افتاده که اغلب فوتون ها بزرگتر بوده و نمی توانند به جنبش براونی لازم برای فرار از سد دست یابند بعد از رساندن سرعت جابجایی خود به c² می توانند با شدت به سدها برخورد کرده و به عقب برگردند و به همین صورت یک انرژی براونی را به وجود می آورد که این انرژی نیروی لازم برای یافتن سوراخ های مناسب برای فرار آنها را مهیا می نماید بعد از عبور از لایه غیرمادی ذرات وارد محیط مادی می شوند و چون شتاب لازم را گرفته اند به حرکت خود ادامه می دهند و دوباره به سد بعدی برخورد می نمایند و این مسیر ادامه دارد تا فوتون های بیشتری وارد فضای غیرمادی شوند و در نتیجه دوباره نیروی لازم برای فرار ذرات بیشتری فراهم آورده می شود.با توجه به اینکه ما تنها سرعت نور را می بینیم ممکن است تصور نماییم که سرعت به دست آمده سرعت جابجایی ذرات است ولی این طور نمی باشد. سرعت سوق با سرعت جابجایی یکی نیست و در نظریه فضای کوانتمی سرعت جابجایی ذرات بسیار بیشتر از سرعت سوق آنها می باشد. فوتون ها در دو بخش فضا گیر افتاده اند برخی از آنها در فضای مادی و برخی در فضای غیر مادی اما این دو نوع فضا تفاوت های زیادی را در عمل ایجاد می نمایند. فوتون هایی که در فضای مادی گیر افتاده اند جنبش چندانی ندارند زیرا در محیط پایداری قرار دارند ولی فوتون های موجود در فضای غیرمادی به دلیل اینکه در محیط غیر مادی قرار دارند دارند به سمت محیط مادی نیرو وارد می کنند تا از آن خارج شوند ولی به دلیل اینکه با سد حفره دار برخورد می نمایند به عقب بر می گردند البته در این بین فوتون هایی نیز از این حفره ها عبور و وارد محیط مادی می شوند و با توجه به شتابی که دارند ممکن است از آن محیط نیز خارج شوند و تابش زمینه را به وجود بیاورند.

از آنجا که فوتون ها دارای ابعاد مختلف می باشند و در لایه های کوانتمی فضا قرار گرفته اند برای فعال کردن و به جنبش انداختن آنها روندهای متفاوتی لازم است. به عنوان نمونه فوتون ها ی کم انرژی مانند  نور مریی چون دارای حجم کمی می باشند از اغلب حفره های بین مرز مادی و غیر مادی عبور می نمایند و به این طریق به جنبش انداختن آنها آسان می باشد ولی فوتون های گاما به دلیل حجم بزرگ خود از تعداد کمتری حفره عبور می نمایند و برای یافتن این حفره ها و خارج شدن از آنها باید بیشتر به جنبش وا داشته شود و تعداد کمتری از آن نیز خارج می شوند. اما راه های متنوعی برای به جنبش انداختن آنها وجود دارد به عنوان مثال برای خارج کردن فوتون های بزرگ از حفره ها می توان انداره حفره ها را بزرگتر نمود. یعنی با افزایش حجم حفره ها احتمال برخورد فوتون های بزرگ را با یک حفره قابل عبور افزایش داد. همچنین می توان فضای کوانتومی غیرمادی را افزایش داد و به این طریق سرعت جابجایی آنها را در فضای بیشتری مهیا نمود تا آنها بتوانند شتاب لازم را برای آغاز حرکت براونی خود به دست آورند. لازم به ذکر است که اشکال مختلفی در حرکت براونی وجود دارد و نباید حرکت براونی را تنها به صورت زیگ زاگ تصور نمود. به عنوان مثال حرکت الکترون در اطراف هسته اتم ها نیز یک حرکت براونی است ولی دارای اشکال مختلفی می باشد. اما وجه مشترک تمام آنها حرکت براونی بودن آن بین فضای کوانتمی مادی و غیرمادی است. و نکته اصلی در حرکت تمام مواد و ذرات مادی در این است که انرژی لازم برای آغاز حرکت از محیط غیرمادی حاصل می شود. بنابراین عامل تاثیرگذار در روند هدایتی این ذرات محیط غیرمادی است نه یک فضای مادی.

حرکت جنبشی

امواج دو نوع مادی و غیر مادی(مانند امواج ذهنی) می‌باشند که برای حرکت خود به موتورهای کوانتمی وابسته می باشند.موتورهای کوانتومی ماهیت خود را از کوانتیده بودن فضا دارند و با توجه به آن تمامی ذرات برای حرکت در فضا به آن احتیاج دارند. به این ترتیب ما باید بین امواج مادی و امواج غیرمادی از این نظر تفاوتی قائل نباشیم . با توجه به این موضوع حرکت امواج مادی و غیر مادی دارای تشابهاتی می‌باشند ولی تفاوت‌های آن ها بهتر قابل درک می‌باشند.

یکی از این تفاوت‌ها در سرعت سوق و سرعت جابجایی امواج مادی با امواج غیرمادی می‌باشد. در حرکت امواج مادی با توجه به حجم ذرات گزینش برای جابجایی بهتر صورت می‌گیرد و به این طریق ذراتی که حجم کمتری دارند در زمان کمتری به سرعت سوق دست می‌یابند و ذرات درشت‌تر با توجه به برخورد با حفره‌های موجود در سدهای بین لایه‌ها به عقب رانده می‌شوند و در ادامه باید به حفره‌هایی برخورد نمایند تا امکان عبور به بخش مجاور را برای آنها فراهم نماید. ولی امواج غیر مادی برای حرکت مانند امواج مادی محدودیت حجم نداشته بنابراین با سرعت بیش از سرعت نور که در حقیقت ماکزیمم سرعت فوتونها می‌باشد دست می‌یابیم. ولی در مورد امواج غیر مادی مکانیسم حرکت همان مکانیسم حرکت جنبشی موجود برای ذرات مادی است با این تفاوت که ما در مورد ذرات غیر مادی حجم نداریم و در نتیجه سرعت آنها می‌تواند بسیار زیاد شود و این موضوع بستگی به شرایط دو لایه مجزا در فضای کوانتیده دارد. با توجه به قوانین فیزیک مشخص شده است که سرعت حرکت فوتونها به محیط آنها بستگی دارد و به نوع خود فوتونها بستگی ندارد که این موضوع ناشی از ماهیت موتورهای کوانتومی می‌باشد. در نتیجه می‌توان نتیجه گیری کرد که حرکت ذرات مادی و ذرات غیرمادی در فضا مستقل از نوع ذرات است و تنها به فضای پیرامونی وابسته است. یعنی اجزای این موتور کوانتومی که شامل بخش مادی فضا - بخش غیرمادی فضا و حفره های موجود در فضای بین ماده و غیر ماده می‌باشند بر روی سرعت سوق و سرعت جابجایی ذرات تاثیرگذار می‌باشند. به این ترتیب با توجه به موارد گفته شده سرعت جابجایی ذرات مادی و غیر مادی را می‌توان با توجه به این سه عامل کنترل نمود.

یک عامل اندازه فضای مادی و غیر مادی است. در صورتی که فضای مادی افزایش یابد و فضای غیرمادی ثابت باشد سرعت حرکت امواج غیر مادی افزایش چشمگیری می‌ یابد و در صورتی که محیط غیر مادی افزایش پیدا کند سرعت امواج مادی افزایش می‌یابد. با توجه به الگوی موجود در حفره‌های بین لایه‌های مادی و غیرمادی نیز سرعت سوق برای ذرات مادی و غیر مادی قابل تغییر است. همانطور که در بالا گفتیم حرکت امواج غیرمادی نیز به فضای مادی وابسته بوده و در حقیقت عامل اولیه حرکت این نوع موج فضای مادی می‌باشد و بدون این فضا امکان حرکت جنبشی برای آن وجود ندارد. نتیجه اینکه با تغییراتی در فضای مادی می‌توان کنترل امواج غیر مادی را در دست گرفت. و همچنین در مورد ذرات مادی نیز با توجه به این که عامل حرکت آنها بخش غیرمادی فضا می‌باشد امکان کنترل امواج مادی به وسیله نیروهای غیرمادی وجود دارد. و این یک اصل کلی در محیط پیرامونی ما است. این دو بخش از فضای کوانتمی مانند یک زوج مکمل یکدیگر عمل می‌کنند و هیچ کدام بدون دیگری کارایی خود را از دست می‌دهند. این دو بخش عامل حرکت تمامی ذرات اطراف ما می‌باشند. از الکترونها و پروتونها گرفته تا کرات و سیارات تنها با هماهنگی بین این دو لایه به حرکات جنبشی خود ادامه می‌دهند.