نور چگونه در فضا و دیگر محیط‌های واسط حرکت می‌کند؟

سفر نور چگونه است

طبق نظریه نسبیت خاص انیشتین، سرعت نور در خلآ ثابت است و سرعت هیچ جسمی نمی‌تواند از آن فراتر رود. خلاصه این که، هیچ چیزی نمی‌تواند سریعتر از نور حرکت کند. این محدودیت سرعت کیهانی برای تبادل اطلاعات است.
 
دانشمندان سرعت نور را 299،792،458 متر در ثانیه اندازه گیری کرده‌اند. این بالاترین سرعتی است که توسط هر وجودی قابل دستیابی است. تاکنون هیچ جسمی یافت نشده است که با سرعتی زیادتر از سرعت نور حرکت کند.
 
اگر سرعتی بیش از سرعت نور توسط هر موجود دیگری به دست آید، یکی از ارکان اصلی فیزیک مدرن، نظریه خاص نسبیت، نقض خواهد شد. به طور خلاصه، نور سریع‌ترین چیز در جهان ما است و هیچ اطلاعاتی نمی‌تواند سریع‌تر از آن سفر کند. چگونه نور به این سرعت فوق العاده دست می‌یابد؟ اصلاً چطور حرکت می کند؟ بگذارید این موضوع را دریابیم.
 

با فهمیدن ماهیت آن، می‌توان پدیده سفر نور را درک کرد. نخستین نگاه‌ به ماهیت نور از طریق نبوغ جیمز کلارک ماکسول حاصل شد. و این به صورت یک الهام درخشان بر او حادث شد هنگامی که او در حال ایجاد نظریه‌ای بود که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی بین اجسام ثابت و متحرک را توصیف می‌کرد.
 
وی دریافت که برق و آهن ربا دو سوی یک سکه هستند. نظریه وی الکتریسیته و مغناطیس را در یک نیروی متحد الکترومغناطیس ترکیب کرد و فهمیده شد که نور یک موج الکترومغناطیسی است. این نظریه، نور را به عنوان یک موج الکترومغناطیسی عرضی مصور می‌کند که در میان فضا حرکت می‌کند. این دیدگاه کلاسیک در این موضوع است.
 
با این وجود، در صورتی که از منظر مکانیک کوانتومی، که تمام ماده و انرژی را کوانتیده می‌کند، به آن نگاه شود نور همچنین می‌تواند به گونه‌ای دیگر به صورت ذراتی به نام فوتون درک شود. در حقیقت، طبق نظریه میدان کوانتومی، هر چیزی مانند یک ذره و یک موج رفتار می‌کند. نه تنها فوتون‌ها، بلکه الکترون‌ها، که قبلاً تصور می‌شد ذره هستند، اکنون به عنوان امواج شناخته می‌شوند. هر دو دیدگاه ذره و موج معادل هم هستند و برای این بحث، ما روی چشم انداز موج تمرکز خواهیم کرد، که توضیح ساده تری از سفر نور ارائه می‌دهد.
 

به این ترتیب، نور نوعی موج است. لکن هر موج، در چیزی موج می‌زند. به این معنی که هر موج، مانند موج دریا، از میان یک محیط واسط عبور می‌کند، که در آن باعث ایجاد اختلال می‌شود و تموج ایجاد می‌کند.
 
اگر یک موج دریا تموج یا اختلالی است که از طریق آب متقل می‌شود، محیط واسطی که در آن نور به صورت موج حرکت می‌کند چیست؟ پاسخ «هیچ چیز» است. اینجاست که نور با هر نوع موج دیگری متفاوت است. نور می‌تواند از میان خلأ سفر کند و برای انتشار به محیط واسط نیازی ندارد.
 
چگونه نور قادر به انجام این کار است؟ پاسخ در این واقعیت نهفته است که نور یک موج الکترومغناطیسی است و انرژی دارد. ماکسول کشف کرد که چگونه نور از میان خلأ عبور می‌کند. در اینجا نمایشی از موج الکترومغناطیسی وجود دارد که ماهیت آن را روشن می‌کند و اجزای آن را به وضوح نشان می‌دهد.
 

موج الکترومغناطیسی
 
در اینجا توضیح می‌دهیم که به طور خلاصه، چه چیزی سفر نور را ممکن می‌سازد. هر جسم باردار دارای یک میدان الکتریکی همراه با بار است. با تغییر این میدان الکتریکی، یک میدان مغناطیسی در حال تغییر ایجاد می‌شود. در نتیجه، تغییر میدان مغناطیسی دوباره یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند. این پروسه به صورت بی انتها ادامه می‌یابد، و یک موج الکترومغناطیسی را ایجاد می‌کند که در فضا سفر می‌کند. این گونه است که نور، به صورت یک اختلال یا موج در میدان الکترومغناطیسی، حرکت می‌کند.
به طور خلاصه، یک بار شتاب دار، امواج الکترومغناطیسی ساطع می‌کند. از منظر ریاضی، این رابطه را می توان از طریق حل معادلات ماکسول برای فضای آزاد درک کرد.
 
نور مرئی، امواج رادیویی و حتی اشعه X همه امواج الکترومغناطیسی با طول موج و فرکانس‌های مختلف هستند. طول موج نور مرئی به گونه‌ای است که چشمان ما با آن تنظیم می‌شود، دقیقاً همان طور که یک گیرنده رادیویی با امواج رادیویی تنظیم شده است. بنابراین، چشم ما می‌تواند بخشی از طیف الکترومغناطیسی را درک کند.
 
نور به خط مستقیم در خلأ حرکت می‌کند. با این حال، در یک محیط مادی، نور دو خاصیت بازتاب و شکست را از خود نشان می‌دهد. هنگامی که یک موج نوری نتواند در یک شیء نفوذ کند، بازتاب می‌یابد و هنگامی که یک موج نوری در یک محیط حرکت می‌کند، خم می‌شود یا انکسار پیدا می‌کند.
 
هنگامی که نور از یک محیط واسط عبور می‌کند، با میدان الکتریکی آن در تعامل است. بسته به ماهیت آن میدان، می‌توان میزان خمش یا انکساری را که نور در عبور از آن محیط متحمل می‌شود پیش گویی کرد.
 
در اینجا چگونگی درک نور از طریق چشمان شما ارائه می‌شود: نوری که به داخل سفیدی چشم شما (قرنیه) وارد می‌شود، از میان لنز عبور کرده و خم می‌شود و یا انکسار پیدا می‌کند تا روی شبکیه چشم شما متمرکز شود. نور، به صورت یک اختلال یا موج در میدان الکترومغناطیسی، حرکت می‌کند. شبکیه، نور وارده را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند، که از آنها در مغز شما تصویری ایجاد می‌شود که شما درک می‌کنید.
 

اگرچه سرعت نور در خلأ ثابت است، این سرعت به هنگام گذشتن نور از میان محیط‌های واسط متراکم تر، به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. میزان خم شدن یا کند شدن سرعت نور در محیط‌های واسط مختلف، با ضریب شکست ماده ​​اندازه گیری می‌شود. سرعت نور هنگام ورود از یک محیط رقیق‌تر به یک محیط متراکم‌تر کاهش و هنگام ورود از یک محیط متراکم‌تر به یک محیط رقیق‌تر افزایش می‌یابد.
 
منبع: اُمکار فاتاک