سرعت نور و سرعت صوت چیست؟ هر آنچه باید بدانید

سرعت صوت و سرعت نور تعاریف نسبتاً ساده‌ای دارند: سرعت صوت سرعتی است که امواج صوتی در واحد زمان می‌پیمایند و سرعت نور سرعتی است که امواج نور در واحد زمان می‌پیمایند. اگرچه این دو مفهوم ممکن است شبیه هم به‌نظر برسند، اساساً با هم فرق دارند.

در اصطلاح رایج، نور چیزی است که از چراغ قوه بیرون می‌آید یا هنگام صبح آسمان را روشن می‌کند. در فیزیک، نور به میدان الکترومغناطیسی هر نوع طول موجی اشاره دارد که در فضا حرکت می‌کند؛ چه برای چشم انسان مشاهده‌پذیر باشد و چه نباشد. انواع مختلف تابش‌ها ازجمله امواج رادیویی، ریزموج‌ها، امواج فروسرخ، فرابنفش، پرتو ایکس و پرتو گاما نیز نور درنظر گرفته می‌شوند.

در محدوده نور مرئی، طیف ROYGBIV متشکل از رنگ‌های قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش نیز امواج الکترومغناطیسی هستند که با سرعت نور حرکت می‌کنند. بنابراین، نور میدان مغناطیسی است که با زمان و مکان نوسان می‌کند.

نور با سرعت باورنکردنی ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه یا تقریباً ۳۰۰هزار کیلومتر بر ثانیه در خلأ حرکت می‌کند. این سرعت چنان زیاد است که با آن می‌توان در یک ثانیه هفت و نیم بار دور زمین چرخید.

اولین اندازه‌گیری سرعت نور روی زمین توسط آرماند فیزو، فیزیکدان فرانسوی انجام شد. او با استفاده از چرخ‌دنده، نور و آینه‌، سرعت نور را با دقت حدود ۵ درصد ۳۱۵٬۰۰۰٬۰۰۰ متر بر ثانیه تخمین زد. در آزمایش‌های بعدی، فیزیکدانان سرعت نور را با دقت بالاتری محاسبه کردند. برای مثال، ژان برنارد لئون فوکو که آزمایش فیزو را با استفاده از آینه‌های چرخان تغییر داد، به دقت کمتر از یک درصد دست پیدا کرد. در اواخر دهه ۱۸۶۰، جیمز کلارک ماکسوِل، فیزیکدان اسکاتلندی معادلات معروف ماکسول را برای محاسبه سرعت نور ابداع کرد.

براساس نظریه نسبیت خاص آلبرت اینشتین که بیشتر فیزیک مدرن بر آن استوار است، هیچ چیزی در جهان نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. طبق این تئوری، با نزدیک شدن ماده به سرعت نور، جرم ماده به سمت بی‌نهایت میل می‌کند. بنابراین، سرعت نور به‌عنوان محدودیت سرعت در کل جهان عمل می‌کند.

سرعت نور (در خلأ) به‌قدری تغییرناپذیر است که از آن برای تعریف اندازه‌گیری‌های استاندارد بین‌المللی مانند متر و اندازه‌گیری‌های مشابه استفاده می‌شود.

سال نوری مسافتی است که نور در طول یک سال می‌پیماید (حدود ۱۰ تریلیون کیلومتر). این سنجه یکی از راه‌هایی است که دانشمندان به کمک آن فواصل بسیار طولانی را در جهان اندازه‌گیری می‌کنند.

نور در حدود یک ثانیه از ماه به چشم ما می‌رسد، یعنی ماه حدود یک ثانیه نوری با ما فاصله دارد. حدود هشت دقیقه طول می‌کشد تا نور خورشید به چشم ما برسد، بنابراین، خورشید هشت دقیقه نوری با ما فاصله دارد. نور آلفا قنطورس که نزدیک‌ترین منظومه ستاره‌ای به ما است، حدود ۴٫۳ سال طول می‌کشد تا به زمین برسد، بنابراین آلفا قنطورس ۴٫۳ سال نوری با ما فاصله دارد.

سرعت نور هنگام عبور از محیط‌های شفاف مانند هوا، آب و شیشه کم می‌شود. نسبت کاهش سرعت نور، ضریب شکست آن محیط نامیده می‌شود و همیشه بزرگ‌تر از یک است. نور در خلأ با حداکثر سرعت حرکت می‌کند. خلأ نسبت به هوا ضریب شکست کمتری دارد. ضریب شکست هوا برابر ۱٫۰۰۳ است.

نور در اجسام مختلف با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کند. نور در خلاء بالاترین سرعت را دارد و وقتی از مواد شفافی مانند شیشه، آب و پلاستیک می‌گذرد، سرعت آن کاهش پیدا می‌کند. مسیر نور هنگام ورود به محیط شفاف به علت ضریب شکست محیط خم می‌شود.

چهار ویژگی اساسی فرکانس نور یعنی نوسان، طول موج، سرعت و دامنه به درک مکانیسم شکست نور کمک می‌کند.

فرکانس به تعداد نوسانات در ثانیه اشاره دارد، درحالی‌که دامنه قدرت میدان الکتریکی را نشان می‌دهد. فرکانس نور در هر دو محیط یکسان است، بنابراین، اگر سرعت کاهش پیدا کند، به این معنا است که امواج در هر دوره زمانی مقدار کمتری حرکت می‌کنند. ازآن‌جا که تعداد نوسانات در ثانیه ثابت است، طول موج نور درون شیشه یا ‌آب کوتاه‌تر می‌شود. بنابراین، خم‌شدن نور نشانگر کاهش سرعت نور در آب است. چندین توضیح برای این مکانیسم وجود دارد، اما توضیحی که در فیزیک کلاسیک آمده، از همه دقیق‌تر است.

همه‌ی مواد از الکترون‌ها یا ذرات متحرک دارای بار الکتریکی تشکیل شده‌اند که به‌نوبه‌ی‌خود موجب حرکت میدان‌های الکتریکی می‌شوند. اکنون دو میدان الکتریکی وجود دارد: یکی مربوط به الکترون‌ها و دیگری میدان الکتریکی پرتو نور. وقتی این دو میدان با سرعت متفاوتی درون جسم حرکت کنند، سرعت ترکیبی ترکیب میدان‌های الکتریکی کمتر از سرعت اولیه نور است.

ارتعاش یا صدایی که از برخی از محیط‌ها عبور می‌کند، صدا نامیده می‌شود. صدا ازطریق حرکت دادن مولکول‌های محیط حرکت می‌کند. وقتی جسمی مرتعش می‌شود، انرژی را به ذرات اطراف خود منتقل می‌کند و موجب می‌شود آن‌ها نیز مرتعش شوند. ازآن‌جا که در خلاء ذره‌ای وجود ندارد که به‌عنوان محیط عمل کند، صدا نمی‌تواند در خلاء حرکت کند.

صدا موجی است که به صورت امواج طولی در هوا و مایع حرکت می‌کند، اما از مواد جامد هم به شکل امواج طولی و هم به شکل امواج عرضی عبور می‌کند. شدت انتشار امواج صوتی توسط ویژگی‌های محیطی تعیین می‌شود که موج در آن حرکت می‌کند. این سرعت مستقل از ویژگی‌های موج یا نیروی پدیدآورنده‌ی آن است.

از توزیع امواج صوتی در محیط برای بررسی خواص محیط استفاده می‌شود. سرعت صوت مسافتی است که موج صوتی در واحد زمان در یک محیط الاستیک طی می‌کند. سرعت صوت در یک محیط معین به چگالی و الاستیسیته محیط وابسته است. سرعت صوت در جامدات حداکثر و در گازها حداقل است.

سرعت صوت تحت تأثیر دو عامل قرار دارد:

چگالی محیط: برای حرکت امواج صوتی به محیط نیاز است و چگالی یا تراکم محیط روی سرعت صوت تأثیر دارد. وقتی تراکم محیطی بالا باشد، مولکول‌های موجود در آن فشرده‌تر هستند و این امر موجب انتشار بیشتر صدا می‌شود. درنتیجه، با افزایش چگالی محیط سرعت صوت نیز افزایش پیدا می‌کند.

دمای محیط: دمای محیط و فرکانس امواج صوتی رابطه تنگاتنگی دارند و با افزایش دما سرعت صوت نیز افزایش پیدا می‌کند.

سرعت صوت به ویژگی‌های محیطی بستگی دارد که از آن عبور می‌کند. وقتی از حالت جامد به گاز می‌رویم، سرعت صوت کاهش پیدا می‌کند. در هر محیطی، با افزایش دما سرعت صوت نیز افزایش پیدا می‌کند.

سرعت صوت در مواد جامد: صدا چیزی بیشتر از ارتعاش ناشی از برخورد ذرات نیست. مواد جامد بسیار متراکم‌تر از مایعات یا گازها هستند. در جامدات، مولکول‌ها نسبت‌به مایعات نزدیک‌تر به هم قرار دارند و در مایعات، نسبت به گازها مولکول‌ها فاصله نزدیک‌تری به هم دارند. به دلیل این مجاورت آن‌ها به‌راحتی با هم برخورد می‌کنند. زمان کمتری طول می‌کشد تا یک مولکول پایدار با مولکول کناری خود برخورد کند. بنابراین، سرعت صوت در جامدات بیشتر از گازها است.

سرعت صوت در مایعات: چگالی مایع بالاتر از چگالی گاز است. در نتیجه، فاصله بین مولکول‌ها در مایعات بیشتر از جامدات اما کمتر از گازها است. درنتیجه سرعت صوت در مایعات حد وسط سرعت صوت در جامدات و گازها است.

سرعت صوت در خلاء: صوت یک موج مکانیکی است و برای انتشار به محیط مادی نیاز دارد. ازآنجا که هیچ ذره‌ای در خلاء وجود ندارد، سرعت صوت در خلأ صفر متر بر ثانیه است.

در ادامه سرعت صوت در مواد مختلف به نقل از وب سایت آورده شده است.

مفاهیم سرعت نور و سرعت صوت تفاوت‌هایی با هم دارند. برخی از این تفاوت‌ها به شرح زیر هستند:

سرعت: یکی از تفاوت قابل‌توجه بین سرعت نور و سرعت صوت میزان سرعت آن‌ها است. در جو زمین، متوسط سرعت صوت حدود ۱۲۲۵ کیلومتر بر ساعت است. این سرعت ممکن است بالا به‌نظر برسد؛ اما در مقایسه با سرعت نور ناچیز است. نور با سرعت ۱٫۰۷ میلیارد کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند که حدود ۸۸۰ هزار برابر سرعت صوت است.

صدا به محیط نیاز دارد: برای اینکه صدا وجود داشته باشد، باید محیطی وجود داشته باشد که صدا بتواند در آن حرکت کند. برای صدا، این محیط هوا است و به همین دلیل صدایی در خلاء فضا وجود ندارد. در همین حین، نور برای وجود داشتن به محیط نیاز ندارند. در عوض، نور مستقل از هر محیطی حرکت می‌کند و بنابراین برخلاف صوت می‌تواند در فضای خلاء حرکت کند.

سرعت صوت بالاترین سرعت ممکن نیست: سرعت صوت بالا است، اما بالاترین سرعت ممکن نیست و انسان‌ها بارها دیوار صوتی را شکسته‌اند. اگرچه نور داستان متفاوتی دارد. سرعت نور در خلاء یک قانون ثابت طبیعت است و نشانگر بالاترین سرعت ممکنی است که هر چیزی می‌تواند داشته باشد.