سرعت نور در خلا ۲۹۹ هزارو ۷۹۲ کیلومتر در ثانیه است و از نظر تئوری هیچ چیز نمی‌تواند از نور سریع‌تر حرکت کند، اما اگر که سرعت نور را بر اساس کیلومتر بر ساعت بیان کنیم، باید از عدد بزرگ ۱ میلیارد و ۷۹ میلیون و ۲۵۰ هزار و ۱۷۰ کیلومتر در ساعت سخن بگوییم!
در هر صورت برای درک بهتر باید گفت اگر شما بتوانید با سرعت نور حرکت کنید، در ثانیه ۷.۵ بار می‌توانید به دور سیاره زمین گردش کنید. دانشمندان تا زمانی که قادر به درک حرکت نور نبودند، گمان می‌کردند که نور می‌تواند بلافاصله جابجا شود و به زمان برای حرکت خود نیازی ندارد.
با این حال هر چه پیش رفتیم، اندازه گیری‌های حرکت این ذرات موج مانند، دقیق و دقیق‌تر شد. به لطف کار‌های آلبرت انیشتین و سایر دانشمندان، ما امروزه می‌دانیم که سرعت نور یک پارامتر محدود تئوری است.
نور با چه سرعتی حرکت می‌کند؟
سرعت نور (که به طور معمول با c نشان داده می‌شود) به دلایلی که در ادامه به آنها اشاره می‌کنیم، آستانه‌ای است که به نظر می‌رسد با هیچ چیز دارای جرمی قابل دستیابی نباشد؛ اما این موضوع ذهن نویسندگان علمی تخیلی را با محدودیت مواجه نکرده و نمی‌کند. این عدم محدودیت را حتی باید به اذهان بسیاری از دانشمندان جدی امروزی نیز تعمیم داد. تئوری‌های جایگزین فرضی بسیاری وجود دارند که امکان سفر‌های بسیار پرسرعت را در سراسر کائنات مهیا می‌کند.
تاریخه تئوری سرعت نور
نخستین باری که سخن از عبارت سرعت نور به میان آمد به دوران فیلسوف یونانی، ارسطو، بازمی‌گردد. او در نامه‌ای در راستای مخالفت با دانشمند یونانی دیگری، امپدوکلس، از این عبارت استفاده کرد. امپدوکلس معتقد بود از آنجایی که نور جابجا می‌شود، پس برای طی مسافت خود به صرف زمان نیاز دارد؛ اما ارسطو با این نظر مخالف بود. او معتقد بود نور بدون گذشت زمان می‌تواند بلافاصله از نقطه‌ای به نقطه دیگر برود.
در سال ۱۶۶۷ میلادی در آزمایشی، گالیلئو گالیله، ستاره شناس ایتالیایی، دو نفر را در سر دو تپه در فاصله‌ای کمتر از یک مایل قرار داد. هر یک از این دو یک فانوس سپردار در اختیار داشتند. هنگامی که یکی از آنان فانوس خود را نمایان می‌کرد، دیگری پس از دیدن نور فانوس نفر اول، بلافاصله فانوس خود را از محافظ خارج می‌کرد.
گالیله گمان کرد با مشاهده مدت زمانی که طول میکشد تا افراد فانوس‌های یکدیگر را مشاهده کنند و نیز اندازه گیری زمان خارج کردن فانوس از محافظ، توانسته است تا سرعت نور را محاسبه کند.
متاسفانه، فاصله کمتر از یک مایلی میان دو تپه در آزمایش گالیله بسیار کمتر از آن بود که بتوان تفاوت را درک کند، اما در نهایت او تنها موفق شد تعیین کند که نور با سرعتی حداقل ۱۰ برابر بیشتر از سرعت صوت سفر می‌کند. سرعت نور یکی از رکوردهای دنیای نجوم است و به این سادگی‌ها شکسته نمی‌شود.
بیشتر بخوانید : عجیب ترین رکوردهای فضایی ؛ از مسن‌ترین فضانورد تا بیشترین زمان حضور در فضا
در دهه ۱۹۶۰، اوله رومر (Ole Römer) ستاره شناس دانمارکی، از اختفا آیو (Io)، قمر مشتری، به عنوان یک کرنومتر برای اندازه گیری سرعت نور استفاده کرد. این اولین آزمایش واقعی برای محاسبه سرعت نور به شمار می‌رفت.
در طول یک بازه زمانی چند ماهه، با عبور غول گازی منظومه شمسی از مقابل قمر آیو، رومر پی برد که هر اختفا کمی بعدتر از زمانی که او محاسبه می‌کند، رخ می‌دهد. او از اینجا نتیجه گرفت که نور برای پیمایش فاصله آیو تا زمین، مدت زمان مشخصی را صرف می‌کند.
بیشتر میزان تاخیر در وقوع اختفا را زمانی شاهد بود که زمین و مشتری حداکثر فاصله را از یکدیگر داشتند. همچنین هنگامی که این دو جرم کمترین فاصله را از یکدیگر داشتند، کمترین میزان اختلاف زمانی با برنامه پیش‌بینی شده رومر وجود داشت.
بیشتر بخوانید : ماموریت فضاپیمای جونو ؛ مشتری زیر ذره‌بین سریع‌ترین فضاپیمای تاریخ
آنطور که ناسا می‌گوید : ” این موضوع برای رومر سندی متقاعد کننده مبنی بر حرکت نور در فضا با سرعتی ثابت به شمار می‌رفت.”
مطابق محاسبات رومر می‌بایست چیزی میان ۱۰ تا ۱۱ دقیقه طول بکشد تا نور خورشید به زمین برسد. امروز دقیق‌ترین محاسبات، زمان طی کردن مسافت خورشید تا زمین توسط پرتو‌های نور را ۸ دقیقه و ۱۹ ثانیه بر‌آورد می‌کنند. مضاف بر اینکه محاسبات او بسیار به این عدد نزدیک است، اما باید اشاره کنیم که تنها عاملی که از دقت تخمین او می‌کاست، کاهش محاسبه سرعت نور به میزان ۲۰۰ کیلومتر در ساعت بود.
در سال ۱۷۲۸، جیمز بردلی (James Bradley) فیزیکدان انگلیسی، محاسبات خود را بر مبنای تغییر موقعیت ظاهری ستاره‌ها همزمان با گردش زمین به دور خورشید تنظیم کرد. بر این اساس او سرعت نور را برابر ۳۰۱ هزار کیلومتر در ساعت و با دقت حدود ۱ درصدی تعیین کرد.
در میانه‌های سده ۱۸۰۰ دو تلاش دیگر در این زمینه انجام شد و مشکل را مجددا به زمین بازگرداند. هیپولیت فیزو (Hippolyte Fizeau)، فیزیکدان فرانسوی، آزمایش خاصی را انجام داد.
او پرتو‌های نور را از چرخش دندانه‌داری که به سرعت می‌چرخید، عبور داد و بوسیله آینه‌ای که در ۵ مایلی آن قرار داشت، پرتو‌ها را مجددا به سوی منبع هدایت می‌کرد. تغییر سرعت حرکت چرخ به فیزو اجازه می‌داد تا محاسبه کند که چه میزان طول میکشد تا نور از درون حفره خارج شود، به آینه برسد و از طریق روزنه‌ای مجددا باز گردد.
لئون فوکو (Leon Foucault)، یک دانشمند فرانسوی دیگر، به جای استفاده از چرخ؛ از یک آینه چرخان استفاده کرد. این دو آزمایش مستقل از هم سرعت نور را به میزان ۱۰۰۰ هزار مایل بر ثانیه (حدود ۱۶۱۰ کیلومتر در ثانیه) اندازه گیری کردند.
آلبرت مایکلسون (Albert Michelson)، فیزیکدان متولد شوروی که در ایالات متحده بزرگ شده بود، در سال ۱۸۷۹ تلاش کرد تا آزمایش فوکو را تکرار کند. با این تفاوت که هم فاصله را افزایش داد و هم از آینه‌ها و عدسی‌هایی به شدت باکیفیت‌تر استفاده کرد.
نتیجه آزمایش او سرعت نور را ۲۹۹ هزار و ۹۱۰ کیلومتر بر ثانیه نشان می‌داد. این اندازه‌گیری برای مدت ۴۰ سال به عنوان دقیق‌ترین عدد برای سرعت نور پذیرفته شد، تا زمانی که مایکلسون اندازه گیری خود را تکرار کرد.
نکته جالب و شایان توجه در آزمایش مایکلسون این بود که این دانشمند روس‌تبار، در تلاش بود تا واسطه‌ای را کشف کند که نور بواسطه آن حرکت می‌کند. واسطه‌ای که اتر (به انگلیسی luminiferous aether) نام داشت، اما در عوض آزمایش او نشان داد که واسطه‌ای به نام اتر اصلا وجود ندارد.
اتان سیگل (Ethan Siegal)، اختر فیزیکدان آمریکایی، در وبلاگ علم فوربس نوشت:
این آزمایش و بدنه تحقیقات مایکلسون، بسیار انقلابی بود؛ چرا که او تنها شخصی در تاریخ بوده است که برای پی بردن به عدم وجود یک چیز موفق به دریافت جایزه نوبل شده است. هرچند که این آزمایش به خودی خود یک شکست کامل بود، اما آنجه از آن می‌آموزیم یک مزیت بزرگ برای بشریت است و فهم ما از کائنات است که هر موفقیتی در آن شدنی است.
انیشتین و نظریه نسبیت خاص
در سال ۱۹۰۵، انیشتین نخستین مقاله خود را در باب نسبیت خاص نوشت. در آن مقاله، او این قانون را بنا نهاد که نور بدون توجه به اینکه مشاهده‌گر آن با چه سرعتی حرکت می‌کند، همواره با سرعتی یکسان در حال حرکت است.
حتی با استفاده از دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های ممکن، سرعت نور برای فردی که بر روی سطح زمین ایستاده است، دقیقا برابر با سرعت نور از نگاه شخصی بوده که سوار بر یک جت مافوق صوت بر فراز سطح زمین در حال حرکت است. برای اطلاع بیشتر در این زمینه مطلب زیر را از دست ندهید.
بیشتر بخوانید : نظریه نسبیت عام انیشتین ؛ داستان یک پیشگویی علمی
دقیقا به همین ترتیب، با وجود اینکه زمین به دور خورشید می‌گردد و خورشید خود حول مرکز کهکشان راه شیری در حال گردش است و کهکشان راه شیری نیز خود در کائنات در حال حرکت است، سرعت اندازه‌گیری شده نوری که از خورشید می‌آید، چه برای فردی که درون کهکشان است و چه برای فردی که خارج از کهکشان است، در صورت محاسبه کاملا برابر خواهد بود. مطابق نظر انیشتین سرعت نور با تغییر زمان و مکان دچار تغییر نمی‌شود.
اگر چه سرعت نور در اکثر مواقع به عنوان حد نهایی سرعت کائنات شناخته می‌شود، اما کائنات حتی در حقیقت با سرعت بیشتری در حال انبساط است. بنابر گفته پاول ساتر (Paul Sutter)، نویسنده و اخترفیزیکدان آمریکایی، کائنات با سرعتی تقریبا ۶۸ کیلومتر در ثانیه در مگاپارسک (هر مگاپارسک را ۳.۲۶ میلیون سال نوری در نظر می‌گیریم) است.
بنابراین یک کهکشان در ۱ مگاپارسک آن طرف تر، با سرعت ۶۸ کیلومتر در ثانیه در حال دور شدن از کهکشان راه شیری است، در حالی که کهکشانی که ۲ مگاپارسک آن سو تر واقع است، با سرعت ۱۳۶ کیلومتر در ساعت در حال فاصله گرفتن از ماست و همین طور الی آخر.
ساتر می‌نویسد:
در برخی مواقع، در برخی مسافت‌های نامتعارف، این سرعت از مقیاس‌ها پا را فراتر می‌گذارد و از حد سرعت نور بیشتر می‌شود، موضوعی که در انبساط منظم و طبیعی فضا وجود دارد.
ساتر موضوع را با تشریح این جمله ادامه داد. درحالی که تئوری نسبیت خاص آستانه‌ای ایزوله را برای این سرعت پیشنهاد می‌کند، نسبیت عام این اجازه دسترسی به مسافت‌های بیشتر را می‌دهد.
ساتر ادامه می‌دهد:
در مورد یک کهکشان که در نقطه‌ای بسیار دور در کائنات حضور دارد چطور؟ این دامنه نظریه نسبیت عام است و در این جا بیان می‌کند که مسئله مهمی نیست! کهکشان در این حالت می‌تواند هر سرعتی را که بخواهد به خود بگیرد، تا زمانی که این فاصله خود را حفظ کند و در نزدیکی ما قرار نگیرد. نسبت خاص به سرعت یک کهکشان دوردست اهمیتی نمی‌دهد (سرعت مافوق نور یا هر چیز دیگری) و نیز به سرعت حرکت ما
یک سال نوری چقدر است؟
مسافتی که نور طی یک دوره یک ساله می‌پیماید را سال نوری می‌گوییم. یک سال نوری هم پارامتری برای اندازه گیری زمان است و هم مکان. آنطور هم که به نظر می‌رسد، فهمیدن آن کار دشواری نیست.
به این صورت به این قضیه نگاه کنید:
مدت ۱ ثانیه طول میکشد تا نور از سطح کره ماه به چشم ما برسد. این بدان معناست که کره ماه ۱ ثانیه نوری از ما فاصله دارد. مدت ۸ دقیقه طول میکشد که نور خورشید به چشم ما برسد، بنابراین خورشید در فاصله ۸ دقیقه نوری از ما واقع شده است.
آلفا قنطورس (Alpha Centauri) نزدیک‌ترین منظومه خورشیدی به ماست و مدت زمان ۴.۳ سال زمان می‌برد تا نور این منظومه به کره خاکی ما برسد. این گزاره به این معنی است که منظومه آلفا قنطورس در ۴.۳ سال نوری آن طرف تر از ما واقع شده است.
در وبسایت مرکز تحقیقات گلن ناسا آمده است:
برای رسیدن به درک صحیح از اندازه یک سال نوری، اندازه محط زمین را در نظر بگیرید (۴۰ هزار و ۷۵ کیلومتر)، حال این اندازه را بگسترانید و روی یک خط راست قرار دهید. طول این خط را ۷.۵ برابر کنید (فاصله‌ای متناظر با یک ثانیه نوری)، سپس ۳۱.۶ میلیون خط مشابه را به آن متصل کنید. اندازه نهایی ۹.۶۵ تریلیون کیلومتر خواهد بود.
ستاره‌ها و سایر اجرام خارج از منظومه شمسی ما در فواصل مختلف، از چند سال نوری تا چند میلیون سال نوری، از ما واقع شده‌اند؛ بنابراین، دانشمندان هنگامی که اجرامی را در یک سال نوری (یا بیشتر) آنسوتر از ما مطالعه می‌کنند، وضعیت کنونی جرم را مشاهده نمی‌کنند، بلکه آن وضعیتی را می‌بینند که جرم در یک سال نوری پیش (مدت زمان حرکت نور در طی یک سال قبل‌تر) داشته است. برای مشاهده وضعیت کنونی این جرم می‌بایست در نزدیکی سطح آن قرار داشته باشیم.
با چنین نگاهی، وقتی که ما به اجرام دوردست کائنات نگاه می‌کنیم، در حقیقت در حال نگریستن به تاریخ هستیم و یا از زاویه‌ای دیگر، ما در حال نگاه کردن به گذشته آن مکان هستیم؛ این در واقع نوعی سفر در زمان است.
بیشتر بخوایند : سفر در زمان ؛ نظریات، پارادوکس‌های زمانی و احتمالات آن
سفر در زمان از جمله خیال‌انگیزترین چالش‌های علمی است. نظریات بسیاری وجود دارد که امکان سفر در زمان را مورد بررسی قرار می‌دهند. همچنین پارادوکس‌هایی نظیر پاردوکس مرگ پدربزرگ اساسا چنین تلاشی را بی‌نتیجه می‌دانند. مطلب بالا، از سیر تا پیاز سفر در زمان را با شما در میان می‌گذارد. آن را از دست ندهید.
این نظم که بواسطه سرعت ثابت نور بوجود آمده است، به ستاره‌شناسان این اجازه را می‌دهد تا ببینند که جهان اولیه پس از بیگ بنگ چه وضعیتی داشته است؛ رویدادی که 13.8 میلیون سال قبل رخ داد.
با این تفاسیر هنگامی که گفته می‌شود شی ای در 10 میلیون سال نوری دورتر از زمین رویت شده، در واقع اکنون وضعیت 10 میلیون سال پیش آن را مشاهده می‌کنید، درست زمانی که هنوز کائنات جوان بوده است.
بیشتر بخوانید : دورترین سیاهچاله کلان‌جرم شناخته شده، متعلق به ۱۳.۶ میلیارد سال پیش، کشف شد
آیا سرعت نور واقعا ثابت است؟
نور به صورت امواج سفر می‌کند و درست مانند صوت، بسته به محیطی که بواسطه آن حرکت می‌کند، می‌تواند تغییر سرعت داشته باشد. در شرایط خلاء هیچ چیز نمی‌تواند با سرعت نور رقابت کند. با این حال اگر یک محیط حاوی ماده باشد، حتی گرد و غبار، نور می‌تواند هنگام تماس با ذرات محیط خم شود که این موضوع منجر به کاهش سرعت آن خواهد شد.
حرکت نور در اتمسفر زمین تقریبا به همان سرعتی است که در خلا انجام می‌شود. در حالی که با عبور نور از یک الماس، سرعت آن به نصف این مقدار کاهش خواهد یافت. البته در این حالت نیز نور سرعتی معادل ۱۲۴ هزار کیلومتر در ثانیه خواهد داشت، سرعتی که نمی‌توان با آن شوخی کرد!
آیا ما می‌توانیم سریع‌تر از نور حرکت کنیم؟
در داستان‌های علمی تخیلی، بسیار در این مورد صحبت شده است. سفری با سرعت بیش از سرعت نور توسط “ماشین وارپ”، ما را قادر می‌سازد تا در بازه‌های زمانی کوچکی که غیرممکن به نظر می‌رسد، از ستاره‌ای به ستاره دیگری سفر کنیم.
درست است که تاکنون غیرممکن بودن این امر اثبات نشده، اما اینکه آیا سفر با سرعت فراتر از سرعت نور ممکن است یا خیر، این ایده را بسیار دور از ذهن می‌کند. شاید سفر در زمان و یا حرکت با سرعتی فراتر از سرعت نور را بتوان در دسته بندی شبه علم قرار داد. برای اینکه بدانید چه تفاوتی بین علم و شبه علم وجود دارد، مطلب زیر را از دست ندهید.
تفاوت علم و شبه علم چیست ؛ آیا علم پاسخ تمامی سوالات را دارد؟
بر اساس نظریه نسبیت عام انیشتین، هرچه یک جرم با سرعت بیشتری حرکت کند، جرم آن افزایش پیدا کرده و اندازه آن کمتر می‌شود. در حرکت با سرعت نور، جسم ما دارای جرم بی‌نهایت و در اندازه خود، صفر (0) است؛ موضوعی که با علم کنونی ما کاملا غیرممکن است، بنابراین براساس این نظریه هیچ جرمی نمی‌تواند به سرعت نور برسد.
شاید جالب باشد بدانید که سریع‌ترین شی جهان که تاکنون توسط انسان ساخته شده، فضاپیما جونو است. این فضاپیما در تاریخ ۹ اکتبر ۲۰۱۳ پس از انجام فلای بای در نزدیکی سطح زمین، توانست با کمک نیروی گرانش این کره خاکی، سرعت خود را به 3.9 کیلومتر بر ثانیه برساند و رهسپار سیاره مشتری شود. در مطلب زیر از تکراتو با سریع‌ترین فضاپیمای تاریخ بیشتر آشنا شوید!
بیشتر بخوانید : ماموریت فضاپیمای جونو ؛ مشتری زیر ذره‌بین سریع‌ترین فضاپیمای تاریخ
اما این موضوع تئوریسین‌ها را از ارائه نظریه‌های رقیب و خلاقانه باز نمی‌دارد. ایده وارپ یا ماشین وارپ که برخی از آن سخن به میان می‌آورند، غیرممکن نیست. شاید مردم نسل‌های آینده به همان طریق و با همان مصرف سرعت و زمانی که ما امروزه میان شهر‌ها جابجا می‌شویم، از ستاره‌ای به ستاره دیگر منتقل شوند.
یک پیشنهاد دیگر این است که فضاپیمایی طراحی کنیم که بتواند حباب فضا-زمان اطراف خود را پیچ دهد و بدین طریق به سرعتی بیش از سرعت نور دست یابد. این موضوع از نظر تئوری فوق‌العاده است.
ست شوستاک (Seth Shostak)، محقق موسسه تحقیقات هوش فرازمینی (SETI) در مانتین ویو کالیفرنیا، در سال ۲۰۱۰ و در مصاحبه‌ای با وبسایت LiveScience گفت:
اگر یک کاپیتان کرک (کاراکتری در جنگ ستارگان) پیدا شود که بتواند با موشک‌هایی با سرعت چندین برابر موشک‌های فعلی ما پرواز کند، می‌توانیم او را عازم سفری چند صد هزار ساله کنیم تا به منظومه ستاره‌ای همسایه ما برسد. منظور من این است که دنیای علم و تخیل مدت‌ها پیش راه حل عبور از مانع محدودیت سرعت نور را از پیش رو برداشته است. با این حساب، ما می‌توانیم با سرعت بیشتری پیش برویم.
بیشتر بخوانید :
- دستگاه شبیه ساز نور خورشید در دانشگاه امیرکبیر ساخته شد!
- نورهای عجیب در آسمان ایلام و خوزستان؛ منشا این پدیده آسمانی چیست؟
- مریخ نورد کنجکاوی ؛ گشت و گذاری در مریخ به دنبال نشانه‌های حیات!
.
منبع : Space