آیا نور همواره با سرعت یکسانی حرکت می‌کند؟
نور، سریع‌ترین چیزی است که در این جهان حرکت می‌کند؛ اما این سرعت تنها به حرکت نور محدود نمی‌شود، بلکه یک ثابت جهانی نیز به شمار می‌رود. فرقی نمی‌کند که یک چراغ را روشن کنیم، به خورشید و ماه نگاه کنیم یا این‌که به رصد یک کهکشان که میلیاردها سال نوری آن طرف‌تر قرار گرفته بپردازیم؛ سرعت نور چیزی است که هیچ‌گاه تغییر نمی‌کند. آیا این موضوع واقعیت دارد؟
این چیزی است که همه‌ی ما و وایولت برتشنایدر می‌خواهیم بدانیم:
آیا نور همواره با سرعتی یکسان حرکت می‌کند؟ اگر سرعت نور توسط چیزی کاهش یابد؛ آیا باز هم همچنان پایین خواهد ماند؟ یا باز هم به سرعت اولیه خود باز می‌گردد؟
ابتدا بگذارید به نور به از سطحی بنیادین بنگریم. نور در بنیادی‌ترین سطح، یک ذره به شمار می‌رود. ممکن است که وقتی شما آن را از منبعی مانند یک چراغ قوه، لیزر و یا حتی خورشید می‌بینید، مانند یک ذره به نظر نرسد؛ اما از آن‌جایی که ما قادر نیستیم ذرات را به صورت تکی مشاهده کنیم، هیچ‌گاه نمی‌توانیم با چشمان عادی نور را به صورت ذره ببینیم. اگر ما به جای چشمان خود از فتودتکتورهای الکترونیکی (آشکارسازهای نوری) استفاده کنیم، می‌توانیم پی ببریم نوری که در سرتاسر جهان وجود دارد از ذره‌ای یکسان به نام فوتون ساخته شده است.
فوتون‌ها برخی خاصیت‌های یکسان دارند که عبارتند از:
- وزن یکسان (همواره برابر با صفر است)
- سرعت یکسان (همواره C است، یا همان سرعت نور در خلأ)
- اسپین یکسان (همواره ۱ است)
فوتون‌ها یک خاصیت دیگر نیز به نام انرژی دارند که یکسان نیست و برای طیف‌های مختلف، تفاوت دارد. پر انرژی‌ترین فوتون‌هایی که برای چشم انسان قابل مشاهده هستند، به نور بنفش تعلق دارند و این در حالی است که میان نورهای طیف مرئی، نور سرخ، کم انرژی‌ترین فوتون‌ها را دارد. پس از نور سرخ، کم انرژی‌ترین فوتون‌ها به فروسرخ، مایکروویو (ریزموج) و رادیو تعلق دارد که همگی نامرئی هستند و با چشم انسان دیده نمی‌شوند. فوتون‌های فرابنفش، اشعه‌ی ایکس و گاما، انرژی به مراتب بیشتری در مقایسه با نور بنفش دارند اما آن‌ها نیز در گروه نورهای نامرئی قرار می‌گیرند.
در فضای خلأ، فرقی نمی‌کند که انرژی فوتون‌ها به چه میزان است؛ آن‌ها همواره با بالاترین سرعت ممکن یا همان C حرکت می‌کنند. فرقی نمی‌کند که شما با چه سرعتی نسبت به نور حرکت می‌کنید، سرعت نور همواره ثابت است و تغییری نمی‌کند و از سرعت حرکت شما تأثیر نمی‌پذیرد. سرعت نور تغییری نمی‌کند؛ اما انرژی نور کاملاً متغیر است. اگر ناظری ثابت باشد و منبع نور به سمت آن حرکت کند، آن‌گاه fL (فرکانس دریافت شده توسط ناظر) کم‌تر از fS (فرکانس انتقال یافته از منبع نور) می‌شود و این امر در طیف نور، باعث جابه‌جایی به سمت نور آبی و بنفش می‌شود که انرژی بالایی دارد. اصطلاحاً به این اثر، بلوشیفت یا اثر انتقال به آبی نیز می‌گویند. اگر ناظر ثابت باشد و منبع نور از آن دور شود، آن‌گاه در طیف نور شاهد جابه‌جایی به سمت نور قرمز خواهیم شد که انرژی پایینی دارد. به این اثر نیز ردشیفت یا اثر انتقال به سرخ می‌گویند.
جابه‌جایی به سمت آبی و قرمز، نوع حرکت شما، نوع حرکت منبع نور و چگونگی تغییر انرژی نور به دست شما، کوچک‌ترین تغییری در سرعت نور ایجاد نمی‌کنند. کم انرژی‌ترین فوتون‌ها و پر انرژی‌ترین آن‌ها، همگی با سرعتی یکسان حرکت می‌کنند؛ اما اگر شما از خلأ بیرون آمده و وارد ماده شوید، این امکان وجود دارد که بتوانید از سرعت نور بکاهید. هر ماده‌ای که شفاف باشد به فوتون‌های نور اجازه‌ی عبور از میان ساختار خود را می‌دهد. مواد شفاف زیادی وجود دارند که نور را از خود عبور می‌دهند؛ برخی از آن‌ها عبارتند از: آب، اکریلیک، شیشه یا حتی هوا.
از آن‌جایی که ذرات بارداری مانند الکترون در این مواد وجود دارند؛ بنابراین آن‌ها با فوتون‌ها تعامل خواهند داشت که این امر به کاهش سرعت فوتون‌ها می‌انجامد. به کمک آزمایشی مشهور که توسط توماس یانگ انجام شد، ما به این موضوع پی بردیم که نور رفتاری موجی دارد. وقتی که فوتون در فضا حرکت می‌کند، حالتی نوسانی را از خود نشان می‌دهد و می‌تواند با ذرات باردار در تعامل باشد. این تعامل‌ها باعث می‌شوند که از سرعت حرکت فوتون کاسته شود و تا زمانی که در ماده قرار دارد، با سرعتی پایین‌تر از سرعت نور در خلأ حرکت کند.
فوتون‌های مختلف، انرژی‌های مختلفی نیز دارند. این جمله نشان می‌دهد که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی اطراف فوتون‌ها، با نرخ‌های مختلفی نوسان می‌کنند. سرعت تمام نورها در فضای خلأ یکسان است؛ اما در ماده، این سرعت‌ها می‌توانند متفاوت باشند. نور سفید (این نور متشکل از تمام رنگ‌ها است) را به یک قطره‌ی آب و یا یک منشور بتابانید؛ مشاهده می‌کنید که از سرعت فوتون‌های پر انرژی‌تر در مقایسه با آن‌هایی که انرژی کمتری دارند، بیشتر کاسته می‌شود و همین موضوع باعث می‌شود که نورها از یکدیگر جدا شوند.
این همان دلیلی است که باعث می‌شود نوری که از میان قطرات آب عبور می‌کند، یک رنگین کمان را خلق کند؛ زیرا فوتون‌هایی با انرژی‌های متفاوت می‌توانند به راحتی با ذرات بارداری که در ماده وجود دارند، تعامل داشته باشند و سرعت‌های آن‌ها به ترتیب کاهش یابد و شکسته شوند.
انتقال الکترونی از اوربیتال 6S که با تولید فوتون، باعث شد ما تعریفی دقیق از فاصله و زمان داشته باشیم.
با وجود تمام این اتفاقات، نور هیچ‌گاه تغییر نمی‌کند و شما باید این موضوع مهم را در نظر داشته باشید. این یعنی نور انرژی خود را از دست نمی‌دهد، تغییری در اساس نور ایجاد نمی‌شود، خواص ذاتی آن تغییری نمی‌کنند و به چیز دیگری تبدیل نمی‌شود. تنها چیزی که تغییر می‌کند، فضای اطراف نور است. وقتی که نور ابتدا در ماده قرار دارد و بعد به فضای خلأ وارد می‌شود، باز هم سرعت خود را بازیابی کرده و با سرعت ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه حرکت می‌کند. در واقع، شناخت و تعریفی که ما از فاصله و زمان داریم (متر و ثانیه)، از نور برگرفته شده‌اند.
اتم‌ها می‌توانند با توجه به انتقال الکترونی که درون آن‌ها رخ می‌دهد، نور را جذب کرده یا آن را از خود ساطع کنند. سزیم، عنصر شماره‌ی ۵۵ در جدول تناوبی، ۵۵ الکترون در اتمی یکتا، پایدار و خنثی دارد. ۵۴ الکترون اول آن معمولاً در سطح پایین انرژی قرار دارند؛ اما ۵۵مین الکترون، دارای دو سطح انرژی نزدیک است که می‌تواند آن‌ها را اشغال کند و میان آن‌ها جابه‌جا شود. اگر الکترون ۵۵ از سطح انرژی بالاتر به سمت پایین‌تر حرکت کند، فوتون تولید خواهد شد. با توجه به این مفاهیم، تعداد ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ چرخه‌‌ی تشعشع فوتون در اتم سزیم را «یک ثانیه» می‌گوییم. مقدار مسافتی را که یک فوتون در اتم سزیم طی ۳۰.۶۶۳۳۱۹ چرخه طی می‌کند، «یک متر» می‌گوییم.
این موضوع به ما مفهومی عمیق و مهم را یاد می‌دهد: تا زمانی که اتم‌ها در همه جای جهان یکسان باشند، تعاریف ما از زمان، طول و سرعت نور هیچ‌گاه تغییر نخواهد کرد و فرقی نمی‌کند که شما چه زمانی و در کجا به جهان بنگرید. بگذارید یک جمع‌بندی از آن‌چه که آموختیم داشته باشیم:
- فرقی نمی‌کند که انرژی نور پایین یا بالا باشد؛ باید بدانید تا زمانی که در فضای خلأ قرار دارد، همواره با سرعت نور حرکت می‌کند.
- هر تغییری که شما در حرکت خود و یا نور ایجاد کنید، باعث ایجاد تغییر در سرعت نور نخواهد شد.
- با عبور دادن پرتو نور از داخل ماده، می‌توانید از سرعت آن بکاهید و تا زمانی که نور در آن ماده باشد، سرعتش همچنان پایین خواهد بود.
- نوری با انرژی متفاوت، می‌تواند با توجه به خواص ماده‌ای که از میان آن عبور می‌کند، سرعت خود را تا مقادیر مختلفی کاهش دهد.
- وقتی که نور، ماده را ترک می‌کند و به فضای خلأ وارد می‌شود، مجدداً با سرعت نور حرکت خواهد کرد.
- در نهایت، سرعت نور در هر کجای جهان و در هر زمانی، همواره روی ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه ثابت خواهد بود.
از جهات مختلف، نور ساده‌ترین ذره در جهان است. نور همواره با نهایت سرعت حرکت می‌کند؛ اما فضای خلأ نیز در واقع کاملاً عاری از ماده نیست و در فضا نیز ماده وجود دارد که به صورت موقت از سرعت نور می‌کاهند؛ اما نور به سرعت از آن مواد عبور می‌کند و مجدداً به نهایت سرعت خود باز می‌گردد و فوتون‌ها با سرعتی حرکت می‌کنند که هیچ چیزی نمی‌تواند به آن‌ها برسد.