سریع‌تر از نور، بحثی در باب نظریه‌ی اطلاعات – قسمت سوم

بیگ بنگ: پرونده موج نور تا دهه ۱۸۶۰ کاملاً بسته شد تا آن‌که جیمز کلارک ماکسول، مجموعه‌ای از معادلات را به دست آورد که نشان می‌داد میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی چطور رفتار می‌کنند. نور هم که پدیده‌ای الکترومغناطیسی است از قوانین این مجموعه معادلات پیروی می‌کند. معادلات ماکسول برای فیزیک‌دانان و ریاضی‌دانان مشابه معادلاتی به نظر می‌آمد که نحوه‌ی انتشار امواج از میان رسانه‌ها را توصیف می‌کنند.

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell

 آنها موج‌گونه بودند و چگونگی حرکت نور را با دقتی عالی تشریح می‌کردند. در واقع، این معادلات سرعت نور را دیکته می‌کردند. اگر معادلات ماکسول را درست به کار ببرید، در می‌یابید که نور دقیقاً با چه سرعتی حرکت می‌کند. این بحث فیزیک‌دانان قرن نوزدهم را شدیداً تحت تأثیر قرار داد.

نور موج بود، اما موج چه چیز؟

وقتی موجی صوتی را می‌شنوید، در واقع در حال شنیدن برخورد هوا به پرده‌ی گوشتان هستید. وقتی با دست‌هایتان کف می‌زنید به مولکول‌هایی از هوا ضربه می‌زنید که آنها هم به مولکول‌های دیگر و دیگران نیز به سایر مولکول‌ها ضربه می‌زنند. این چلپ و چلوپ کردن هوا همان موج صوتی است که به سمت گوش شما انتشار یافته و پرده آن را تکان می‌دهد. به طور مشابه، یک موج آب در حقیقت شلپ شلوپ آب است. مولکول‌های آب یکدیگر را هل داده و به طوری‌‌که برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌ها به سمت ساحل سرعت می‌گیرند. در هر کدام از این موارد مولکول‌های منفرد موج فاصله‌ی چندان دوری را طی نمی‌کنند. آنها تنها کمی به اطراف وول می‌خورند. الگوی کلی در رسانه، یعنی آب یا هوا می‌تواند فواصل زیادی را بپیماید و این الگوست که موج را می‌سازد.

اگر نور یک موج باشد، پس آن چیست که هل داده می‌شود؟ چه رسانه‌ای است که نور از میان آن انتشار می‌یابد؟

در قرن نوزدهم، فیزیک‌دانان ایده چندانی درباره‌ی آنکه این رسانه چه می‌تواند باشد، نداشتند. اگرچه موافق بودند که چنین چیزی باید وجود داشته باشد. آنها این رسانه فرضی حامل امواج نور را  ««اثیر شیدزا»» یا (اتر) نامیدند.

Albert A. Michelson

Albert A. Michelson

در سال ۱۸۸۷، دو فیزیک‌دان آمریکایی، به نام‌های آلبرت مایکلسون و ادوارد مورلی تلاش کردند این اتر را با تکنیکی که از حرکت زمین بهره می‌برد، آشکار سازند. چون زمین ما به دور خورشید حرکت می‌کند و خورشید هم به دور مرکز کهکشان‌مان، پس زمین باید همان‌طور که یک قایق تندرو محکم به سطح آب اقیانوس اصابت می‌کند، به شدت با این اتر تصادم کند. معنی این حرف آن است که زمین باید حایل یک ««باد»» اتری باشد که سرعت آن با گردش زمین به در خورشید تغییر می‌کند. بنابراین، باریکه‌ای از نور که رو به بالا حرکت می‌کند باید دارای سرعتی متفاوت با باریکه‌ای باشد که در جهت باد یا از میان آن عبور می‌کند. به این ترتیب مایکلسون و مورلی استدلال کردند که اگر باریکه‌هایی از نور در جهات مختلف نسبت به اتر بتابانند، آن پرتوها سرعت‌هایی متفاوت از یکدیگر خواهند داشت.

Edward W. Morley

Edward W. Morley

آن دو آزمایش بسیار هوشمندانه‌ای را برای یافتن این اختلاف سرعت ترتیب دادند. بخش اصلی این آزمایش دستگاهی بود که به تداخل‌سنج مایکلسون-‌مورلی معروف است و از ماهیت موجی نور برای اندازه‌گیری‌های فوق‌العاده دقیق مکان یا سرعت بهره می‌گیرد. این تداخل‌سنج باریکه‌ای از نور را شکافته و آن‌را در امتداد دو مسیر مختلف که طولشان یکی است، ارسال می‌کند.

وقتی قله‌ی این موج به سامانه‌ی شکافنده اصابت می‌کند، به دو قله تقسیم می‌شود که سپس در مسیرهای متفاوت حرکت کرده، از آینه بازتاب یافته و در آشکارساز یا شاید یک صفحه‌ی نمایش، باز ترکیب می‌شوند. چون طول مسیرها یکی است، اگر هر قله‌ با یک سرعت حرکت کند، باید همزمان و با یکدیگر برسند. قله، قله را تقویت کرده و قله‌ی بزرگ‌تر درست می‌کند و آزمایش‌گرها نقطه‌ای نورانی روی صفحه‌ی نمایش، جایی‌که پرتوها با هم ترکیب می‌شوند، را می‌بیند.

michelson (1)

 از طرف دیگر، اگر باد اتری یکی از پرتوها را نسبت به دیگری کند سازد، در آن‌صورت قله دچار تأخیر (فاز) می‌شود. در واقع، اگر این ابزار به طرز درستی ترتیب داده شود، آنگاه برآمدگی یک پرتو درست زمانی از راه می‌رسد که فرورفتگی دیگری می‌رسد. وقتی این دو پرتو با هم بازترکیب می‌شوند، به جای تقویت یکدیگر، یعنی قله‌ روی قله، همدیگر را حذف می‌کنند. یعنی برآمدگی روی فرورفتگی می‌افتد و پرتو نورانی به نقطه‌ای تاریک مبدل می‌شود. بنابراین، فیزیک‌دانان با استفاده از تداخل‌سنج مایکلسون-مورلی می‌توانستند اثر ظریف و پیچیده باد اتری را آشکار سازند. تمام آنچه باید انجام می‌شد این بود که بسنجد سمت‌گیری دستگاهشان نسبت به باد چطور باعث به وجود آوردن یک نقطه‌ی نورانی یا از بین بردن آن می‌شود.

با این حال بدون توجه به اینکه این دو آزمون‌گر چطور سعی کردند، سرعت نور در تمام جهات، چه نور رو به بالا می‌رفت و چه در جهت باد و چه در جهت دیگر، ثابت بود. در سال ۱۹۰۴، مورلی حتی تلاش کرد این آزمایش را در بالای یک تپه انجام دهد تا مطمئن شود آزمایشگاه به نوعی محافظ تداخل‌سنج از باد اتری نبوده است. اما داستان تغییری نکرد. سرعت نور در تمام جهات ثابت بود، بدون توجه به حرکت زمین. هیچ اتری در کار نبود. آزمایش مایکلسون-مورلی مشکل بزرگی را با نظریه‌ی اتر آشکار کرد و بالاخره هم در ۱۹۰۷ برای مایکلسون جایزه‌ی نوبل فیزیک را به ارمغان آورد. جالب است که اینشتین در دوران دانشگاه چیزی از آزمایش مایکلسون-مورلی نیاموخته بود و با این حال خودش آزمایش مشابهی را پیشنهاد داده بود. آن استاد کم‌خرد یعنی هاینریش وبر، نگذاشت اینشتین جوان آزمایشش را انجام دهد. وبر به وضوح فیزیک نوین آن روز را قبول نداشت.

آزمایش دیگری هم بود که ازدیدگاه امروز به نظر می‌رسید کذب ایده‌‌ی وجود اثیر را نشان دهد. در اواسط قرن نوزدهم، فیزیک‌دان فرانسوی آرماند فیزو، سرعت نور در جریان‌های در حرکت آب را اندازه گرفت و انتظار داشت ببیند ایا اثیر در امداد آب کشیده می‌شود. او چنین اثری مشاهده نکرد. در واقع به نظر می‌رسد اینشتین بیشتر تحت تأثیر آزمایش فیزو و مشاهدات چگونگی تغییر موقعیت ظاهری ستارگان در آسمان نسبت به مدار زمین، پدیده‌ای موسوم به انحراف ستاره‌ای که به دلیل سرعت محدود نور رخ می‌دهد، قرار گرفته بود تا آزمایش مایکلسون – مورلی.

از آنجایی که فیزیک‌دانان امروزی می‌دانند سرعت نور مقدار ثابتی است، از تداخل‌سنج مایکلسون برای اندازه‌گیری فواصل به جای سرعت استفاده می‌کنند. اگر دو بازوی دستگاه دارای طول‌های تقریباً متفاوتی باشند، در آن‌صورت می‌توانید به جای یک نقطه‌ی روشن، نقطه‌ای تاریک داشته باشید.

خلاصه آزمایش مایکلسون-مورلی:

اگر اتر وجود داشته باشد، در این صورت با توجه به اینکه سرعت زمین در مدار خود نسبت به خورشید،  ۳ ضرب‌در ۱۰ به توان ۴ متر بر ثانیه است، اگر فضا را انباشته از اتر فرض کنیم، از نظر ناظری که روی کره زمین است زمین ثابت و اتر حرکت می‌کند. پس باید باد اتری را احساس کند. در سال ۱۸۸۱ مایکلسون برای اندازه‌گیری حرکت زمین از میان اتر فرضی دستگاه حساسی ساخت و در سال ۱۸۸۷ با همکاری مورلی این دستگاه را تکمیل کردند. نتیجه آزمایش‌ها این بود که حرکتی از میان اتر مشاهده نمی‌شود.

این دستگاه از یک چشمه نور و یک آینه‌ی نیمه‌شفاف و دو آینه‌ی A و B و یک پرده تشکیل شده است. نور پس از برخورد با آینه‌ی نیمه‌شفاف  به دو باریکه‌ شکافته می‌شود و باریکه‌ی نور B در امتداد حرکت اتر پیش می‌رود و پس از برخورد با اینه‌ی B بازتاب یافته و از طریق آینه‌ی نیمه شفاف به پرده می‌رسد. باریکه‌ی دوم پس از بازتاب از آینه‌ی نیمه‌شفاف در مسیر A حرکت کرده و بعد از بازتاب توسط آینه‌ی A مجددا به آینه‌ی نیمه شفاف برخورد کرده و قسمتی از آن عبور کرده و به پرده می‌رسد.

با قرار دادن یک تیغه‌ی شیشه‌ای بین مسیر B، دو باریکه‌ی نور، مسیر کاملاً یکسانی را طی می‌کنند. این تیغه‌ی شیشه را تیغه‌ی جبران‌کننده راه نوری می‌نامند. اگر طول این دو مسیر که دو باریکه‌ی نور طی می‌کنند، مساوی باشند، با هم به پرده رسیده و تداخل سازنده تشکیل داده و یک نوار روشن تشکیل می‌شود. ولی با توجه به اینکه یکی از دو باریکه‌ی نور در جهت حرکت زمین (حرکت اتر) و باریکه‌ی دیگر در جهت عمود بر آن می‌باشد، پس از عبور دو باریکه‌ی نور بین آینه‌ی نیمه شفاف و آینه‌های A و B نمی‌تواند مساوی باشد و در نتیجه دو باریکه همزمان به پرده نرسیده و دارای یک اختلاف فاز می‌باشند و این اختلاف فاز میان باریکه‌های ترکیب‌شونده سبب ظهور نوارهای روشن و تاریک یا «««فریزها»»» می‌شوند که با تداخل‌های سازنده و ویرانگر متناظرند.

01

با قرار دادن تیغه‌ی جبران‌کننده، دو باریکه‌ طول مسیر یکسانی را طی می‌کنند. بنابراین اختلاف فاز دو باریکه ناشی از اختلاف زمانی میان مسیرهای در خلاف جهت جریان- در جهت جریان و مسیرهای در عرض جریان خواهد بود. در صورتی‌که دستگاه تداخل‌سنج ساکن باشد، تشخیص اختلاف فاز دو شعاع نورانی میسر نیست. ولی اگر دستگاه ۹۰ درجه دوران داده شود، جهت دو مسیر نسبت به جهت فرضی حرکت اتر تغییر می‌کند و باریکه‌ای که پیش از چرخش در خلاف جهت جریان- در جهت جریان قرار داشت، پس از چرخش در عرض جریان قرار می‌گیرد و با چرخش دستگاه اگر زمان لازم برای باریکه‌ی نور A و B به ترتیب tA و tB باشند، پس از چرخش دستگاه به اندازه‌ی ۹۰ درجه به ترتیب tB و tA می‌شوند.

اگر tB مساوی  tA نباشد و بر اثر این تغییر فاز، نوار روشن به نوار تاریک تغییر می‌کند و هر تغییر از روشن به تاریک نشان‌دهنده‌ی ۱۸۰ درجه تغییر فاز است که با اختلاف زمانی نیم‌دوره‌ی تناوب (برای نوری در حدود ۱۰ به توان منفی ۱۵ ثانیه‌) متناظر است.

به متن زیر توجه کنید:

02

03

04

 با توجه به اینکه مقدار فوق برای یک مسیر (A یا B) صدق می‌کند، تعداد کل نوارهای جابه‌جا شده ۲n یا ۰/۴ نوار می‌شود. این جابه‌جایی به آسانی قابل مشاهده است ولی با کمال تعجب در نوارها دیده نشد. این آزمایش در فصول مختلف سال و از نقاط مختلف و به طریق مشابه انجام شد و نتیجه‌ی تمامی این آزمایش‌ها این واقعیت بود که

در داخل اتر حرکتی مشاهده نمی‌شود

آزمایش مایکلسون-‌مورلی دو پیامد مهم داشت.

اولاً فرض غیر منطقی اتر نمی‌توانست مورد قبول باشد. ثانیاً  اصل جدیدی در علم فیزیک ارائه شد

سرعت نور نسبت به تمام ناظرها یکسان است و بستگی به سرعت ناظر و چشمه‌ی نور ندارد.

دوستان می‌توانند با مراجعه به اینجا، کتاب آشنایی با نسبیت خاص، نوشته‌ی رابرت رزنیک، نشر دانشگاهی از جزئیات بیشتری در مورد تداخل‌سنج مایکلسون و مسئله اتر اطلاع خواهند یافت.


نویسنده: اسماعیل جوکار/ سایت علمی بیگ بنگ

منابع:  کتاب کشف رمز عالم، مقدمه‌ای بر نظریه‌ اطلاعات کوانتومی

کتاب آشنایی با نسبیت خاص، نوشته‌ی رابرت رزنیک، نشر دانشگاهی

کتاب فیزیک جدید یک، چاپ دانشگاه پیام نور

image_pdfimage_print
(10 نفر , میانگین : 4٫80 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=27742
اسماعیل جوکار

اسماعیل جوکار

نویسنده این مطلب: اسماعیل جوکار، دانشجوی مقطع کارشناسی فیزیک، علاقمند به فیزیک، نجوم و کیهان شناسی می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *