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

0
777

بیگ بنگ: پرونده موج نور تا دهه 1860 كاملاً بسته شد تا آن‌كه جيمز كلارك ماكسول، مجموعه‌اي از معادلات را به دست آورد كه نشان مي‌داد ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي چطور رفتار مي‌كنند. نور هم كه پديده‌اي الكترومغناطيسي است از قوانين اين مجموعه معادلات پيروي مي‌كند. معادلات ماكسول براي فيزيك‌دانان و رياضي‌دانان مشابه معادلاتي به نظر مي‌آمد كه نحوه‌ي انتشار امواج از ميان رسانه‌ها را توصيف مي‌كنند.

James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell

 آنها موج‌گونه بودند و چگونگي حركت نور را با دقتي عالي تشريح مي‌كردند. در واقع، اين معادلات سرعت نور را ديكته مي‌كردند. اگر معادلات ماكسول را درست به كار ببريد، در مي‌يابيد كه نور دقيقاً با چه سرعتي حركت مي‌كند. اين بحث فيزيك‌دانان قرن نوزدهم را شديداً تحت تأثير قرار داد.

نور موج بود، اما موج چه چيز؟

وقتي موجي صوتي را مي‌شنويد، در واقع در حال شنيدن برخورد هوا به پرده‌ي گوشتان هستيد. وقتي با دست‌هايتان كف مي‌زنيد به مولكول‌هايي از هوا ضربه مي‌زنيد كه آنها هم به مولكول‌هاي ديگر و ديگران نيز به ساير مولكول‌ها ضربه مي‌زنند. اين چلپ و چلوپ كردن هوا همان موج صوتي است كه به سمت گوش شما انتشار يافته و پرده آن را تكان مي‌دهد. به طور مشابه، يك موج آب در حقيقت شلپ شلوپ آب است. مولكول‌هاي آب يكديگر را هل داده و به طوري‌‌كه برآمدگي‌ها و فرورفتگي‌ها به سمت ساحل سرعت مي‌گيرند. در هر كدام از اين موارد مولكول‌هاي منفرد موج فاصله‌ي چندان دوري را طي نمي‌كنند. آنها تنها كمي به اطراف وول مي‌خورند. الگوي كلي در رسانه، يعني آب يا هوا مي‌تواند فواصل زيادي را بپيمايد و اين الگوست كه موج را مي‌سازد.

اگر نور يك موج باشد، پس آن چيست كه هل داده مي‌شود؟ چه رسانه‌اي است كه نور از ميان آن انتشار مي‌يابد؟

در قرن نوزدهم، فيزيك‌دانان ايده چنداني درباره‌ي آنكه اين رسانه چه مي‌تواند باشد، نداشتند. اگرچه موافق بودند كه چنين چيزي بايد وجود داشته باشد. آنها اين رسانه فرضي حامل امواج نور را  ««اثير شيدزا»» يا (اتر) ناميدند.

Albert A. Michelson
Albert A. Michelson

در سال 1887، دو فيزيك‌دان آمريكايي، به نام‌هاي آلبرت مايكلسون و ادوارد مورلي تلاش كردند اين اتر را با تكنيكي كه از حركت زمين بهره مي‌برد، آشكار سازند. چون زمين ما به دور خورشيد حركت مي‌كند و خورشيد هم به دور مركز كهكشان‌مان، پس زمين بايد همان‌طور كه يك قايق تندرو محكم به سطح آب اقيانوس اصابت مي‌كند، به شدت با اين اتر تصادم كند. معني اين حرف آن است كه زمين بايد حايل يك ««باد»» اتري باشد كه سرعت آن با گردش زمين به در خورشيد تغيير مي‌كند. بنابراين، باريكه‌اي از نور كه رو به بالا حركت مي‌كند بايد داراي سرعتي متفاوت با باريكه‌اي باشد كه در جهت باد يا از ميان آن عبور مي‌كند. به اين ترتيب مايكلسون و مورلي استدلال كردند كه اگر باريكه‌هايي از نور در جهات مختلف نسبت به اتر بتابانند، آن پرتوها سرعت‌هايي متفاوت از يكديگر خواهند داشت.

Edward W. Morley
Edward W. Morley

آن دو آزمايش بسيار هوشمندانه‌اي را براي يافتن اين اختلاف سرعت ترتيب دادند. بخش اصلي اين آزمايش دستگاهي بود كه به تداخل‌سنج مايكلسون-‌مورلي معروف است و از ماهيت موجي نور براي اندازه‌گيري‌هاي فوق‌العاده دقيق مكان يا سرعت بهره مي‌گيرد. اين تداخل‌سنج باريكه‌اي از نور را شكافته و آن‌را در امتداد دو مسير مختلف كه طولشان يكي است، ارسال مي‌كند.

وقتي قله‌ي اين موج به سامانه‌ي شكافنده اصابت مي‌كند، به دو قله تقسيم مي‌شود كه سپس در مسيرهاي متفاوت حركت كرده، از آينه بازتاب يافته و در آشكارساز يا شايد يك صفحه‌ي نمايش، باز تركيب مي‌شوند. چون طول مسيرها يكي است، اگر هر قله‌ با يك سرعت حركت كند، بايد همزمان و با يكديگر برسند. قله، قله را تقويت كرده و قله‌ي بزرگ‌تر درست مي‌كند و آزمايش‌گرها نقطه‌اي نوراني روي صفحه‌ي نمايش، جايي‌كه پرتوها با هم تركيب مي‌شوند، را مي‌بيند.

michelson (1)

 از طرف ديگر، اگر باد اتري يكي از پرتوها را نسبت به ديگري كند سازد، در آن‌صورت قله دچار تأخير (فاز) مي‌شود. در واقع، اگر اين ابزار به طرز درستي ترتيب داده شود، آنگاه برآمدگي يك پرتو درست زماني از راه مي‌رسد كه فرورفتگي ديگري مي‌رسد. وقتي اين دو پرتو با هم بازتركيب مي‌شوند، به جاي تقويت يكديگر، يعني قله‌ روي قله، همديگر را حذف مي‌كنند. يعني برآمدگي روي فرورفتگي مي‌افتد و پرتو نوراني به نقطه‌اي تاريك مبدل مي‌شود. بنابراين، فيزيك‌دانان با استفاده از تداخل‌سنج مايكلسون-مورلي مي‌توانستند اثر ظريف و پيچيده باد اتري را آشكار سازند. تمام آنچه بايد انجام مي‌شد اين بود كه بسنجد سمت‌گيري دستگاهشان نسبت به باد چطور باعث به وجود آوردن يك نقطه‌ي نوراني يا از بين بردن آن مي‌شود.

با اين حال بدون توجه به اينكه اين دو آزمون‌گر چطور سعي كردند، سرعت نور در تمام جهات، چه نور رو به بالا مي‌رفت و چه در جهت باد و چه در جهت ديگر، ثابت بود. در سال 1904، مورلي حتي تلاش كرد اين آزمايش را در بالاي يك تپه انجام دهد تا مطمئن شود آزمايشگاه به نوعي محافظ تداخل‌سنج از باد اتري نبوده است. اما داستان تغييري نكرد. سرعت نور در تمام جهات ثابت بود، بدون توجه به حركت زمين. هيچ اتري در كار نبود. آزمايش مايكلسون-مورلي مشكل بزرگي را با نظريه‌ي اتر آشكار كرد و بالاخره هم در 1907 براي مايكلسون جايزه‌ي نوبل فيزيك را به ارمغان آورد. جالب است كه اينشتين در دوران دانشگاه چيزي از آزمايش مايكلسون-مورلي نياموخته بود و با اين حال خودش آزمايش مشابهي را پيشنهاد داده بود. آن استاد كم‌خرد يعني هاينريش وبر، نگذاشت اينشتين جوان آزمايشش را انجام دهد. وبر به وضوح فيزيك نوين آن روز را قبول نداشت.

آزمايش ديگري هم بود كه ازديدگاه امروز به نظر مي‌رسيد كذب ايده‌‌ي وجود اثير را نشان دهد. در اواسط قرن نوزدهم، فيزيك‌دان فرانسوي آرماند فيزو، سرعت نور در جريان‌هاي در حركت آب را اندازه گرفت و انتظار داشت ببيند ايا اثير در امداد آب كشيده مي‌شود. او چنين اثري مشاهده نكرد. در واقع به نظر مي‌رسد اينشتين بيشتر تحت تأثير آزمايش فيزو و مشاهدات چگونگي تغيير موقعيت ظاهري ستارگان در آسمان نسبت به مدار زمين، پديده‌اي موسوم به انحراف ستاره‌اي كه به دليل سرعت محدود نور رخ مي‌دهد، قرار گرفته بود تا آزمايش مايكلسون – مورلي.

از آنجايي كه فيزيك‌دانان امروزي مي‌دانند سرعت نور مقدار ثابتي است، از تداخل‌سنج مايكلسون براي اندازه‌گيري فواصل به جاي سرعت استفاده مي‌كنند. اگر دو بازوي دستگاه داراي طول‌هاي تقريباً متفاوتي باشند، در آن‌صورت مي‌توانيد به جاي يك نقطه‌ي روشن، نقطه‌اي تاريك داشته باشيد.

خلاصه آزمايش مايكلسون-مورلي:

اگر اتر وجود داشته باشد، در اين صورت با توجه به اينكه سرعت زمين در مدار خود نسبت به خورشيد،  3 ضرب‌در 10 به توان 4 متر بر ثانيه است، اگر فضا را انباشته از اتر فرض كنيم، از نظر ناظري كه روي كره زمين است زمين ثابت و اتر حركت مي‌كند. پس بايد باد اتري را احساس كند. در سال 1881 مايكلسون براي اندازه‌گيري حركت زمين از ميان اتر فرضي دستگاه حساسي ساخت و در سال 1887 با همكاري مورلي اين دستگاه را تكميل كردند. نتيجه آزمايش‌ها اين بود كه حركتي از ميان اتر مشاهده نمي‌شود.

اين دستگاه از يك چشمه نور و يك آينه‌ي نيمه‌شفاف و دو آينه‌ي A و B و يك پرده تشكيل شده است. نور پس از برخورد با آينه‌ي نيمه‌شفاف  به دو باريكه‌ شكافته مي‌شود و باريكه‌ي نور B در امتداد حركت اتر پيش مي‌رود و پس از برخورد با اينه‌ي B بازتاب يافته و از طريق آينه‌ي نيمه شفاف به پرده مي‌رسد. باريكه‌ي دوم پس از بازتاب از آينه‌ي نيمه‌شفاف در مسير A حركت كرده و بعد از بازتاب توسط آينه‌ي A مجددا به آينه‌ي نيمه شفاف برخورد كرده و قسمتي از آن عبور كرده و به پرده مي‌رسد.

با قرار دادن يك تيغه‌ي شيشه‌اي بين مسير B، دو باريكه‌ي نور، مسير كاملاً يكساني را طي مي‌كنند. اين تيغه‌ي شيشه را تيغه‌ي جبران‌كننده راه نوري مي‌نامند. اگر طول اين دو مسير كه دو باريكة‌ي نور طي مي‌كنند، مساوي باشند، با هم به پرده رسيده و تداخل سازنده تشكيل داده و يك نوار روشن تشكيل مي‌شود. ولي با توجه به اينكه يكي از دو باريكه‌ي نور در جهت حركت زمين (حركت اتر) و باريكه‌ي ديگر در جهت عمود بر آن مي‌باشد، پس از عبور دو باريكه‌ي نور بين آينه‌ي نيمه شفاف و آينه‌هاي A و B نمي‌تواند مساوي باشد و در نتيجه دو باريكه همزمان به پرده نرسيده و داراي يك اختلاف فاز مي‌باشند و اين اختلاف فاز ميان باريكه‌هاي تركيب‌شونده سبب ظهور نوارهاي روشن و تاريك يا «««فريزها»»» مي‌شوند كه با تداخل‌هاي سازنده و ويرانگر متناظرند.

01

با قرار دادن تيغه‌ي جبران‌كننده، دو باريكه‌ طول مسير يكساني را طي مي‌كنند. بنابراين اختلاف فاز دو باريكه ناشي از اختلاف زماني ميان مسيرهاي در خلاف جهت جريان- در جهت جريان و مسيرهاي در عرض جريان خواهد بود. در صورتي‌كه دستگاه تداخل‌سنج ساكن باشد، تشخيص اختلاف فاز دو شعاع نوراني ميسر نيست. ولي اگر دستگاه 90 درجه دوران داده شود، جهت دو مسير نسبت به جهت فرضي حركت اتر تغيير مي‌كند و باريكه‌اي كه پيش از چرخش در خلاف جهت جريان- در جهت جريان قرار داشت، پس از چرخش در عرض جريان قرار مي‌گيرد و با چرخش دستگاه اگر زمان لازم براي باريكه‌ي نور A و B به ترتيب tA و tB باشند، پس از چرخش دستگاه به اندازه‌ي 90 درجه به ترتيب tB و tA مي‌شوند.

اگر tB مساوي  tA نباشد و بر اثر اين تغيير فاز، نوار روشن به نوار تاريك تغيير مي‌كند و هر تغيير از روشن به تاريك نشان‌دهنده‌ي 180 درجه تغيير فاز است كه با اختلاف زماني نيم‌دوره‌ي تناوب (براي نوري در حدود 10 به توان منفي 15 ثانيه‌) متناظر است.

به متن زير توجه كنيد:

02

03

04

 با توجه به اينكه مقدار فوق براي يك مسير (A يا B) صدق مي‌كند، تعداد كل نوارهاي جابه‌جا شده 2n يا 0/4 نوار مي‌شود. اين جابه‌جايي به آساني قابل مشاهده است ولي با كمال تعجب در نوارها ديده نشد. اين آزمايش در فصول مختلف سال و از نقاط مختلف و به طريق مشابه انجام شد و نتيجه‌ي تمامي اين آزمايش‌ها اين واقعيت بود كه

در داخل اتر حركتي مشاهده نمي‌شود

آزمايش مايكلسون-‌مورلي دو پيامد مهم داشت.

اولاً فرض غير منطقي اتر نمي‌توانست مورد قبول باشد. ثانياً  اصل جديدي در علم فيزيك ارائه شد

سرعت نور نسبت به تمام ناظرها يكسان است و بستگي به سرعت ناظر و چشمه‌ي نور ندارد.

دوستان مي‌توانند با مراجعه به اینجا، كتاب آشنايي با نسبيت خاص، نوشته‌ي رابرت رزنيك، نشر دانشگاهي از جزئيات بيشتري در مورد تداخل‌سنج مايكلسون و مسئله اتر اطلاع خواهند يافت.


نویسنده: اسماعیل جوکار/ سایت علمی بیگ بنگ

منابع:  كتاب كشف رمز عالم، مقدمه‌اي بر نظريه‌ اطلاعات كوانتومي

كتاب آشنايي با نسبيت خاص، نوشته‌ي رابرت رزنيك، نشر دانشگاهي

كتاب فيزيك جديد يك، چاپ دانشگاه پيام نور



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.