نور هم شکستني است!

تا به حال به ني يا قاشقي که در ليوان آب گذاشته شده است نگاه کرده ايد؟ امتداد قاشق يا ني شکسته به نظر مي رسد. پس نورهميشه هم به خط مستقيم نمي رود! يکي از عواملي که مي تواند مسير نور را منحرف کند، تغيير غلظت محيطي است که نور از آن مي گذرد. اگر اهل رانندگي در جاده باشيد و با زاويه اي غير از عمود، با سرعت از جاده ي آسفالت وارد جاده ي خاکي شويد، متوجه خواهيد شد که خودرو شما ناخودآگاه کمي به چپ يا راست منحرف مي شود. علت آن، اختلاف سرعت حرکت چرخ ها در جاده ي خاکي و آسفالت است. اگر از محيطي با سرعت بيشتر، وارد محيطي با سرعت کمتر بشويد، راستاي حرکت به خط عمود بر خط جدا کننده ي دو محيط، نزديک مي شود.
نور هم تقريباً همين طور است. اگر نور از محيطي که سرعتش در آن بيشتر است وارد محيط غليظ تري بشود که سرعتش در آن کمتر است، راستاي آن به خط عمود بر سطح جدا کننده ي دو محيط نزديک مي شود. به اين پديده شکست نور مي گويند.
جالب اين جاست که ميزان انحراف نور علاوه بر غلظت محيط، با طول موج نور هم بستگي دارد. امواجي با طول موج هاي بلندتر و انرژي کمتر (رنگ هاي قرمز و نارنجي) کمتر از امواج با طول موج هاي کوتاه تر (آبي و بنفش) شکست پيدا مي کنند، به همين سبب پس از عبور نور از منشور، رنگ هاي مختلف نور از هم جدا مي شوند.
اگر چشمه ي نور در محيط غليظ تر باشد، امتداد پرتو نور هنگام ورود به محيط رقيق تر، از خط عمود بر سطح جداکننده ي دو محيط دور مي شود. اگر زاويه ي تابش را در اين وضعيت زياد کنيم، به موقعيتي مي رسيم که زاويه ي شکست کاملاً 90 درجه مي شود و پرتو خروجي کاملاً موازي سطح جدا کننده ي دو محيط است. حالا اگر زاويه ي تابش را کمي بيشتر کنيم، نور اصلاً از محيط غليظ خارج نمي شود و به درون آن بازتاب مي شود.
به اين زاويه ي خاص، زاويه ي حدّ و به اين پديده، بازتابش کلي مي گويند. از بازتابش کلي براي ساختن فيبر نوري استفاده مي کنند. فيبر نوري از موادي ساخته مي شود که زاويه ي حدّ کوچکي نسبت به هوا دارند. نور وارد شده به يک سر فيبر آن قدر درون آن بازتاب کلي مي شود تا از انتهاي ديگرش خارج شود. مزيت فيبر نوري بر سيم هاي الکتريکي، سرعت بيشتر انتقال اطلاعات و نوفه (نويز) کمتر در آن است.
پديده ي سراب هم به سبب بازتابش کلي رخ مي دهد. در روزهاي گرم تابستان يا در مناطقي مانند بيابان، سطح زمين بسيار گرم است و هواي مجاور آن هم گرم مي شود. چون چگالي هوا در مناطق نزديک سطح زمين کمتر است، هنگامي که نور از لايه هاي بالاتر، که چگالي هوا در آن ها بيشتر است، وارد لايه هاي پايين تر مي شود کم کم تغيير مسير مي دهد و زاويه ي تابش آن بيشتر مي شود تا اين که به زاويه ي حدّ مي رسد، بازتابش کلي مي کند و دوباره به بالا بر مي گردد. وقتي پرتويي که به سمت بالا بازگشته است به چشم ما مي رسد، ما تصوير اجسامي را که در بالا قرار داشته اند (مانند آسمان) روي زمين مي بينيم. اين تصوير به سبب حرکت لايه هاي هوا، کمي اعوجاج دارد و درست مانند تصويري است که در آب ديده مي شود، بنابراين ناظر تصور مي کند که روي زمين آب وجود دارد.
شايد در تابستان که سطح جاده بسيار گرم است متوجه شده باشيد که گاهي سطح جاده خيس به نظر مي رسد و تصوير خودرويي که جلوي شماست روي آبي که در سطح جاده است، ديده مي شود اما هنگامي که به مکان قبلي آن خودرو مي رسيد، مي بينيد که جاده کاملاً خشک است! شکست نور خدمات بسياري به علم، به ويژه علم نجوم، کرده است. يکي از اين خدمات تجزيه ي نور و تشکيل طيف با منشور است و مهم ترين خدمت آن تغيير مسيرنور در عدسي هاست. مسير نور در عدسي ها هم به سبب شکست آن تغيير مي کند و ما مي توانيم با به کار بردن عدسي محدب، دسته ي پرتوهاي موازي نور را در يک منطقه متمرکز کنيم.
عامل ديگري که موجب شکست نور مي شود، گرانش است. اگر نور از کنار جسمي يا گرانش زياد عبور کند، مسيرش منحرف مي شود. در واقع اجسام يا گرانش زياد فضا - زمان را خميده مي کنند به همين علت مسير نور هم منحرف مي شود. اگر مي توانستيم در روز ستاره هاي نزديک خورشيد را ببينيم، متوجه مي شديم که ستاره هاي نزديک خورشيد کمي جابه جا شده اند. البته اين جابه جايي بسيار کم و در حد ثانيه ي قوس (يک سه هزار و ششصدم درجه) است. نخستين بار اين اثر را دانشمندي به نام آرتور ادينگتون در زمان جنگ جهاني دوم، با تصاويري که از ستاره هاي نزديک خورشيد در هنگام خورشيد گرفتگي تهيه کرد، به طور عملي اثبات کرد.
همان طور که عدسي هاي محدب مي توانند با منحرف کردن نور، دسته ي پرتو نور را متمرکز کنند، اجسام با گرانش بالا نيز مي توانند با انحراف نور آن را متمرکز کنند و در واقع عدسي طبيعي به شمار مي روند. به چنين پديده اي عدسي گرانشي گفته مي شود نخستين بار عدسي هاي گرانشي در کشف اجرام فشرده و چگال که تابش زيادي ندارند، مانند کوتوله هاي قهوه اي و کوتوله هاي سياه (کوتوله هاي سفيدي که ديگر تابش نور و فروسرخ چنداني ندارند) به کار رفت.
تصور کنيد در يک روز زيباي تابستاني در کنار درياچه اي قدم مي زنيد. ناگهان متوجه مي شويد کسي دارد در درياچه غرق مي شود و کمک مي خواهد. شما هم که شناگر قابلي هستيد مي خواهيد به او کمک کنيد. به نظر شما بهترين و سريع ترين مسير براي رسيدن به فرد غريق چه مسيري است: خط مستقيم (الف)؟ يا اين که بيشتر مسير را در خشکي و کمتر را در آب بپيماييد (ب)؟ يا بيشتر مسير را در آب و کمتر را در خشکي (ب)؟
عقل حکم مي کند که چون سرعت حرکت در آب کمتر و در خشکي بيشتر است، بيشتر مسير را در بيرون از آب بدويد و مقدار کمتري را در آب طي کنيد! يعني مسير ب سريع ترين روش براي رسيدن به غريق است. درباره ي نور هم همين طور است. نور هميشه سريع ترين مسير را طي مي کند. اگر مسير رسيدن ناجي به غريق را بررسي کنيد مي بينيد که کاملاً شبيه به مسير نور است هنگامي که از محيط رقيق (که سرعت نور در آن بيشتر است) به محيط غليظ (که سرعت نور در آن کمتر است) وارد مي شود.
جسمي شفاف را، که به شکل تيغه اي با صفحات موازي و غليظ تر يا رقيق تر از محيط بيرون است، تيغه ي متوازي السطوح مي نامند. مثلاً شيشه ي پنجره، تيغه ي متوازي السطوح به حساب مي آيد. امتداد پرتو نور ورودي به شيشه، مي شکند و به خط عمود نزديک مي شود. هنگام خروج باز هم مي شکند و اين بار چون از محيط غليظ وارد محيط رقيق مي شود، امتداد پرتو نور از خط عمود دور مي شود اما ميزان دور شدن دقيقاً به همان اندازه اي است که هنگام ورود به شيشه، به خط عمود نزديک شده بود. به همين علت پرتو خروجي کاملاً موازي با پرتو ورودي است. اما کمي محل آن جابه جا شده است مقدار اين جابه جايي، به زاويه ي تابش و ضخامت تيغه بستگي دارد.

منبع:نشريه نجوم، شماره 193.