نویسنده: تام گیل
مترجم: شادی حامدی آزاد
مترجم: شادی حامدی آزاد
محمد علی کِلی زمانی لاف زده بود که آن قدر سریع است که می تواند چراغ اتاق را خاموش کند و پیش از تاریک شدن اتاق روی تخت خواب دراز بکشد. معمولاً برای نشان دادن حسی از سرعت های بسیار زیاد، سرعت پدیده های مختلف را با سرعت نور یا صوت مقایسه می کنیم. مثلاً سرعت بسیار زیاد جت های جنگی را به صورت نسبی از سرعت صوت بیان می کنیم. البته حتی برای امواج صوتی هم 02/ 0 ثانیه طول می کشد تا عرض اتاقی کوچک را طی کنند. در حالی که در چنین بازه ای از زمان، پرتو نور عرض اقیانوس اطلس را طی می کند.
در واقع برای مجسم کردن گستره های عظیمی که نور در بازه های زمانی مختلف در فضا طی می کند راهی بهتر از این نداریم که آن بازه های زمانی را با لحظه های بسیار کوتاهی مقایسه کنیم که نور برای طی کردن فاصله های آشنا و روزمره ی زمینی لازم دارد. بنابراین همیشه برای اخترشناسان مهم بوده است که سرعت دقیق نور را بدانند تا بتوانند عظمت گیج کننده ی کیهان را بسنجند. همین انگیزه بود که باعث شد بسیاری از آن ها همواره در سنجش سرعت نور نقشی فعال داشته باشند.
«*توضیح شکل: گرفت های یو. اخترشناس دانمارکی، اوله رومر ( 1644- 1710)، نشان داد که تغییر زمان مخفی شدن یو در سایه ی مشتری به سبب بسیار زیاد اما محدود نور است. همان طور که این تصویرسازی نشان می دهد به نظر می رسد گرفت های یو، بسته به این که زمین و مشتری در کجای مدارشان باشند، «دیرتر (بالا) یا «زودتر» (پایین) از موعد مقرر رخ می دهند. از آن جا که اندازه ی منظومه شمسی در زمان رومر ناشناخته بود، او نمی توانست از این روش برای بدست آوردن دقیق سرعت نور بهره ای ببرد.»
بر اساس نظریه ی نسبیت خاص آلبرت اینشتین، هیچ گونه انتقال اطلاعاتی در خلأ ممکن نیست سریع تر از سرعت نور رخ بدهد؛ بنابراین اجسامی که دور از یکدیگر قرار دارند علاوه بر بُعد فضا در بُعد زمان نیز با هم فاصله دارند. حتی منظره ای که از ماه می بینیم تاریخ گذشته است؛ یعنی از ماه، نه آن چه را که اکنون هست بلکه، آن چه را که 28/ 1 ثانیه ی پیش بوده است می بینیم. اما فقط در ژرفای فضاست که تأخیر پیش بوده است می بینیم. اما فقط در ژرفای فضاست که تأخیر در انتقال نور اهمیت می یابد. علایم رادیویی فضاپیمای ویجر 2 در زمان گذرش از کنار سیاره ی نپتون بیش از چهار ساعت طول می کشید تا به زمین برسند. اختروش های دوردست به کیهان شناسان امکان می دهند تا بیش از 10 میلیارد سال در زمان به عقب سفر کنند.
در معادله ی نظریه ی نسبیت خاص اینشتین، یعنی
، سرعت نور با حرف C ( که احتمالاً اول کلمه ی لاتین celeritas به معنای «سرعت» است) نشان داده می شود. فرمول مشهور او جرم را در تناسب با انرژی هم ارزش قرار می دهد. با این حال، گذشته از ارتباط c با اخترشناسی و سفرهای فضایی، این مفهوم همچنین در سازوکار الکترومغناطیس و ساختارهای اتمی هم نهفته است. از آن جا که این قوانین بنیادین شرایط واکنش های شیمیایی و سازوکارهای به دقت تنظیم شده ی زیستی را نیز دیکته می کنند، دانشمندان در بسیاری از رشته های علمی بسیار پیش از زمان اینشتین درک اهمیت کیهانی c را آغاز کرده بودند. در نتیجه، دانستن میزان دقیق سرعت نور به موضوعی بسیار با اهمیت تبدیل شد.
نخستین پژوهشگران بی نهایت تحت تأثیر ماهیت نور قرار داشتند و به طور قابل درکی از سرعت فوق العاده زیاد آن، که مهارت های آن ها در سنجش را به مبارزه می طلبید، حیرت زده بودند. بسیاری از متفکران به آسانی فرض کردند که سرعت نور باید بی نهایت باشد. شاید این موجود دسترس ناپذیر و به ظاهر جادویی اصلاً نیازی نداشت از جایی به جای دیگر حرکت کند. آیا مانور را از فاصله ی دوردست به طور آنی مشاهده و درک می کنیم؟
«*توضیح شکل: آبیراهی ستاره ای. جیمز بردلی ( 1693 – 1762)، در حالی که در سال 1728 بر رود تیمز لندن قایق رانی می کرد متوجه شد علت این که ستاره ها در طول سال تغییر مکان می دهند در واقع حرکت زمین در مدارش به دور خورشید است (چپ) که موجب آبیراهی در نور ستاره ها می شود ( که البته در نمودار بالا با اغراق نمایش داده شده است). بردلی با استفاده از تغییر مکان زاویه ای رصد شده برای ستاره ی گاما – اژدها
و بهترین مقدار موجود در آن زمان برای سرعت مداری زمین به دور خورشید و بهره گیری از قوانین ساده ی هندسه، به محاسبه ی سرعت نور میان خورشید و زمین پرداخت (راست). نتیجه ای که او به دست آورد 8 دقیقه و 12 ثانیه بود یعنی فقط 7 ثانیه کوتاه تر از مقداری که امروز می شناسیم . این برای بردلی دستاور مهمی بود که سبب ورود او به حلقه ی منجمان سلطنتی انگلستان در سال 1742 شد.»
در اوایل دهه ی 1600 میلادی، گالیله تلاش های بسیاری برای اندازه گیری سرعت نور انجام داد. استراتژی او منطقی بود، هر چند در بازنگری به نظر عجیب می رسد. گالیله و یکی از دستیارانش هر کدام فانوسی را به بالای تپه ای بردند. گالیله درپوش فانوس خود را برداشت تا پرتویی از نور ایجاد کند. دستیارش می بایست به محض مشاهده ی آن پرتو نور درپوش فانوس خود را برمی داشت. گالیله زمان ظهور پرتو نور از فانوس دستیارانش را ثبت کرد و به این ترتیب زمان سفر رفت و برگشت نور میان دو تپه را به دست آورد. با این که گالیله این فرایند را برای کاهش خطای انسانی بارها و بارها به صورتی خستگی ناپذیر تکرار کرد، نتوانست در رسیدن نور فانوس دستیارش هیچ تأخیری، به تأخیر نسبت داده شده به واکنش کُند انسان، ثبت کند. با این حال، این آزمایش محکوم به شکست گالیله نشان داد که نور دست کم 10 بار سریع تر از صوت حرکت می کند. هر چند بسیاری از نظریه پردازان همین آزمایش را اثباتی دیگر بر بی نهایت بودن سرعت نور می دانستند.
«*توضیح شکل: چرخ چرخان آشکارکننده فیزیک دان فرانسوی، آرمان فیزو ( 1819 – 1896 )، آزمایشی برای سنجش سرعت نور انجام داد که اصولش بسیار ساده اما در عمل بسیار دشوار بود. او با تاباندن نور از میان چرخی که با نیروی الکتریکی می چرخید و خودش می توانست سرعت چرخش آن را کنترل کند، سرعت نور را با 4 درصد خطا نسبت به مقدار امروزی اش به دست آورد. او همچنین ثابت کرد که سرعت نور بسته به ماده ای که نور از میانش می گذرد، تغییر می کند.»
رومردر سال بعد رصدهایش را در پاریس زیر نظر ژان دومینیک کاسینی ادامه داد. اخترشناس جوان دانمارکی خیلی زود دریافت که گرفت های یو چرخه ای سیزده ماهه دارند که هنگام مقابله ی مشتری زودتر از موعد مقرر عقب می مانند. رومر به درستی نیتجه گرفت که این بی نظمی ها هیچ ربطی به مدار یو ندارند و در عوض حاصل بازتاب نور خورشید از سطح آن است که تا رسیدن به زمین زمان های گوناگونی را طی می کند واین نیز به چگونگی جای گیری زمین و مشتری در مدارهای شان نسبت به هم بستگی دارد. وقتی منظومه ی مشتیری در نزدیک ترین فاصله از زمین قرار دارد، نور سریع تر به رصدگر می رسد و موجب می شود گرفت ها زودتر از موعد رخ بدهند. وقتی مشتری نزدیک به حالت مقارنه باشد، نورش برای رسیدن به زمین باید کل قطر مدار زمین را هم طی کند که طبق زمان سنجی رومر حدود 22 دقیقه بیشتر طول می کشد.
در آن زمان هیچ کس اندازه ی مدار زمین را نمی دانست و بنابراین، متأسفانه، داده های گروه پاریس را نمی شد به عددی معتبر برای سرعت نور تغبیر کرد. اما نخستین بار رومر بود که نشان داد سرعت نور ماهیتی بی نهایت اما محدود دارد.
بردلی در ماه های آینده مکان ستاره ی گاما – اژدها را دنبال کرد به نظر می رسید که این ستاره ی قدر دومی مسیری دایره ای را طی می کند اما حرکتش در جهتی کاملا خلاف انتظار او و با مقداری بسیار بیشتر بود. دیگر ستاره هایی که بردلی آن ها را زیر نظر گرفت نیز رفتار مشابهی از خود نشان می دادند و هر کدام بیضی بسیار بزرگی، به قطر حدود 41 ثانیه ی قوس، را در آسمان دنبال می کردند. روشن بود که این رفتار حاصل اختلاف منظر نیست؛ باور کردنی نبود که همه ی این ستاره ها در فاصله ای یکسان از زمین قرار داشته باشند یا آن قدر به زمین نزدیک بوده باشند که موجب ایجاد شدن چنین تغییرات عظیمی بشوند.
چند سال بعد، بردلی در حالی که سوار بر قایقی بر رود تیمز در بادی ملایم می راند متوجه شد که هر بار قایق می چرخد جهت بادنمای بالای دکل قایق کمی تغییر می کند. این عجیب به نظر می رسید زیرا جهت وزش باد تغییری نمی کرد. دریانوردان به بردلیِ متعجب توضیح دادند که تغییر جهت قایق موجب این تغییرات می شود ناگهان این فکر به ذهن بردلی رسید که اگر نور سرعتی محدود دارد، گردش زمین به دور خورشید باید اثری مشابه بر جهت ظاهری نور رسیده از ستاره ها داشته باشد. حالا زمان سنجی و مقدار تغییرات به مکان زمین وابسته نبودند بلکه در عوض حاصل حرکت زمین در حالت عمود بر نور رسیده از ستاره بودند. وقتی در میان باران می دویم یا با ماشین حرکت می کنیم، به سبب ترکیب شدن سرعت حرکت ما با سرعت بارش باران ، به نظر می رسد که باران با زاویه ای رو به ما می بارد در صورتی که در واقع عمود به زمین می بارد. به همین ترتیب، حرکت مداری سیاره ی ما هم با سرعت نور ترکیب می شود و زاویه ی تابش نور ستاره را کمی منحرف می کند.
بردلی، با استفاده از قوانین ساده ی هندسه و مقداری «جدیداً» تأیید شده از سرعت مداری زمین، اعلام کرد که نور با سرعتی 10،210 برابر سرعت زمین در مدارش حرکت می کند. این عدد سرعت نور را فقط کمی بیش از یک درصد بیشتر از واقعیت تخمین می زد. این نتیجه ای نبود که بردلی به دنبالش بود اما کشف ابیراهی ستاره ها حرکت زمین درون منظومه ی شمسی را به صورتی بسیار دقیق تر از پیش نشان داد و اثباتی شد بر مدل خورشیدمرکز کپرنیک.
آرمان فیزو، فیزیک دان فرانسوی، با دانستن این نکته، دستگاهی را ساخت که پرتو نوری را از آینه ای در فاصله ی 8 کیلومتری به سوی چشمه اش بازتاب کند و با زیرکی نیاز به ابزار دوم برای زمان سنجی را خنثی کرد. مخترع و همکار پاریسی او، پاول – گوستاو فرومان دستگاه های لازم را گرد هم آورد و این آزمایش را در مرکز یکی از اختراعات جدیدش، که موتوری الکتریکی با جریان مستقیم بود، قرار داد.
فیزو، که پرتو نور را طوری تنظیم کرده بود که از میان دندانه های ظریف چرخی در حال گردش بتابد، مشاهده کرد که وقتی چرخ آهسته می چرخد پرتوهای نور از میان همان روزنه ی خروجی بازمی گردند. وقتی چرخ سریع تر می چرخید، یکی از دندانه ها مانع نور بازگشته می شد. باز هم سریع تر، و این بار نور از درون شکاف کناری باز می گشت. فیزو، با کنترل کردن سرعت چرخ، توانست زمان حرکت رفت و برگشت هر پرتو نور را اندازه گیری کند. سرعت زیاد چرخش و، مهم تر از همه، حرکت دائماً یکنواخت موتور برای موفقیت این آزمایش الزامی بودند. هر چند نخستین نتایج فیزو سرعت نور را حدود 4 درصد بیش از واقعیت تخمین می زدند، بررسی های بعدی او نشان داد که نور درون آب و شیشه کندتر از درون هوا حرکت می کند و به این ترتیب تصورانی به قدمت چند قرن درباره ی ماهیت نور را باطل کرد.
«*توضیح شکل: کوه به کوه. آلبرت میکلسون ( 1852- 1931) در دهه ی 1300/ 1920 آزمایش های اندازه گیری سرعت نور را بر فراز دو قله در کالیفرنیا انجام داد. او نور را از یک آینه ی چرخان هشت ضلعی به آینه ای دیگر در فاصله ی 35 کیلومتری می تاباند که باید نور را باز می تاباند. میکلسون با تغییر دادن سرعت چرخش آینه ی هشت ضلعی، درست همان طور که فیزو سرعت چرخ خود را تغییر می داد، عدد درست را به دست آورد زیرا عدد فعلی سرعت نور، یعنی 458/ 299792 کیلومتر بر ثانیه، با در نظر گرفتن خطاهای آزمایش او بسیار به یافته ی او نزدیک است.»
اما در کمال تعجب همگان، آزمایش میکلسون – مورلی نتوانست شواهدی از وجود اتر به دست آورد و این یکی از مهم ترین نتایج منفی آزمایش های علمی در تاریخ علم بوده است. آن ها با اثبات این نکته که سرعت نور مستقل از چگونگی حرکت ناظر همواره یکسان به نظر می رسد، راه را برای اینشتین هموار کردند که نسبیت خاص را فرمول بندی کند. میکلسون برای این دستاورد و نتایج دیگر کارهای خود جایزه ی نوبل فیزیک سال 1907 را به دست آورد.
اندازه گیری سرعت نور میکلسون را همه ی عمر به خود مشغول کرد. او در دهه ی 1300/ 1920، در سنی که دیگر هر کس به فکر بازنشستگی است، دوباره به سراغ این موضوع برگشت و متوجه شد که برای کاهش دادن خطاها باید مسیری که نور در آزمایش طی می کند خیلی طولانی تر باشد. میکلسون چشمه ی نور را به همراه آینه ای هشت ضلعی که به سرعت می چرخید بر فراز قله ی مونت ویلسون در رشته کوه سن گابریل کالیفرنیا گذاشت و آینه ی دوم را بر فراز قله ی مونت لوک آوت، در فاصله ی 35 کیلومتری، قرار داد. هوای پاک در ارتفاعات بالا میزان جذب جوّی را کاهش می داد. او سرعت چرخش آینه ی چرخان را تغییر می داد؛ درست همان طور که فیزو در آزمایش خود انجام داده بود. میکلسون، که خیلی دقیق بود، نقشه بردارانی را استخدام کرده بود که طول خطّ مبنای آزمایش را با دقتی بی نظیر تا حدود یک سانتی متر اندازه بگیرند.
متأسفانه رصدهای طاقت فرسای او طی سه سال به سبب وقوع مجموعه ای از اتفاقات با مشکل روبه رو شد. دود ناشی از آتش سوزی جنگل ها موجب کاهش شفافیت هوا شد. از این بدتر، وقوع زلزله ای قوی در میانه ی کار گردآوری داده ها احتمالاً تغییری هر چند کوچک در طول خط مبنای آزمایش ایجاد کرد. البته، علی رغم این موانع، سرعتی که میکلسون برای نور تخمین زد ( یعنی
کیلومتر بر ثانیه) دقیق تر از هر تخمینی در گذشته و نیز تا 25 سال پس از خودش بود.
رادارها، که پالس های رادیویی را مخابره و سپس پرتوهای بازگشته را آشکار می کنند، فقط با دانستن مقدار دقیق سرعت نور می توانند با موفقیت فاصله و حرکت اجسام هدف را مشخص کنند. کاربردهای شهری امروزی رادار عبارتند از، کنترل ترافیک هوایی، سامانه ی ماهواره ایِ مکان یابی جهانی، و تله های سرعت سنج پلیس. رادار به اخترشناسان امکان می دهد که فاصله تا اجسام نزدیک در منظومه ی شمسی را بسنجند و این به ویژه در بررسی سیارک های خطرناک نزدیک زمین بسیار سودمند است.
ثانیه طی می کند. هر چند گاهی پیش می آید که در تصاویر متحرک از ژرفای عالم می بینیم که یک سحابی یا فورانی از ماده ظاهرا سریع تر از سرعت نور در فضا گسترش می یابد. مثلا تصاویر تلسکوپ فضایی هابل از ستاره ی متغیر « V838 تک شاخ» حلقه ای به سرعت گسترش یابنده را نشان می دهند که به نظر می رسد بر خلاف قوانین اینشتین رفتار می کند. در واقع، همواره ثابت شده است که چنین ناهنجاری هایی فقط خطای دید ما هستند؛ اثری هندسی که به سبب حرکت مواد با سرعتی نزدیک به سرعت نور در زاویه ای تقریبا مستقیم به سوی زمین ایجاد می شود. در « V838 تک شاخ» نوعی فوران ستاره ای در میان ابرهای ساکن گازی رخ داده و پالس نور به طور متوالی نواحی دوردست تر سحابی را روشن کرده است. همین اثر پژواک نور این تصور را ایجاد می کند که خود گاز با سرهتی بیش از سرعت نور در حال حرکت است. پژواک های نوری را نخستین بار با تلسکوپ در اطراف نواختر درخشان GK – برساوش رصد کردیم که در سال 1901 میلادی فوران کرد.
نتایجی که تیم اپرا از آزمایشگاه ملی گرن ساسو در شهریور سال گذشته درباره ی عبور نوترینوها از سرعت نور منتشر کردند، نوعی ناهنجاری است که هنوز کاملا تأیید یا رد نشده است در این آزمایش، نوترینوها از آزمایشگاه سِرن (نزدیک ژنو در سوییس) تا فاصله ی 740 کیلومتری از میان زمین به آزمایشگاه ایتالیایی ارسال شدند. طبق محاسبات گروه آزمایشگر، اگر سرعت این نوترینوها به اندازه ی سرعت نور می بود به طور میانگین 60 نانوثانیه دیرتر از زمان کنونی به مقصد می رسیدند! پس آن ها با سرعتی بیش از سرعت نور حرکت کرده بودند. بسیاری از دانشمندان ممتاز، از جمله خود گروه اپرا، تردیدهایی را به میان آورده اند و بر این نکته اصرار دارند که احتمالا خطاهای سیستماتیک پیش بینی نشده ای در اندازه گیری زمان حرکت این ذرات پدید آمده است. پیش گام تکرار آزمایش ها برای روشن شدن این یافته های بی سابقه، آزمایشگاه فرمی در شیگاگو خواهد بود. بعید به نظر می رسد اما اگر آن ها این نتیجه را تکرار کنند، جامعه ی علمی و همه ی مردم با نفس هایی حبس در سینه باید در انتظار شنیدن اخباری تازی باشند.
علی رغم مطرح شدن هرازچند گاه چنین ادعاهای خلافی، به نظر می رسد هر چند آزمایش پیچیده تر باشد مجموعه ی نتایج گردآوری شده بیشتر نشان می دهد که هیچ چیز نمی تواند در خلأ سرعتی بیش از سرعت نور داشته باشد؛ درست همان طور که اینشتین گفته بود. به لطف تلاشی که پیشینیان برای سنجش یکی از پیچیده ترین ثابت های طبیعت انجام داده اند، ما توانسته ایم بسیار بیشتر درباره ی مقیاس های عالم بفهمیم.
برگرفته از : Sky & Telescope,Feb. 2012
منبع: ماهنامه نجوم شماره 216
در واقع برای مجسم کردن گستره های عظیمی که نور در بازه های زمانی مختلف در فضا طی می کند راهی بهتر از این نداریم که آن بازه های زمانی را با لحظه های بسیار کوتاهی مقایسه کنیم که نور برای طی کردن فاصله های آشنا و روزمره ی زمینی لازم دارد. بنابراین همیشه برای اخترشناسان مهم بوده است که سرعت دقیق نور را بدانند تا بتوانند عظمت گیج کننده ی کیهان را بسنجند. همین انگیزه بود که باعث شد بسیاری از آن ها همواره در سنجش سرعت نور نقشی فعال داشته باشند.
«*توضیح شکل: گرفت های یو. اخترشناس دانمارکی، اوله رومر ( 1644- 1710)، نشان داد که تغییر زمان مخفی شدن یو در سایه ی مشتری به سبب بسیار زیاد اما محدود نور است. همان طور که این تصویرسازی نشان می دهد به نظر می رسد گرفت های یو، بسته به این که زمین و مشتری در کجای مدارشان باشند، «دیرتر (بالا) یا «زودتر» (پایین) از موعد مقرر رخ می دهند. از آن جا که اندازه ی منظومه شمسی در زمان رومر ناشناخته بود، او نمی توانست از این روش برای بدست آوردن دقیق سرعت نور بهره ای ببرد.»
بر اساس نظریه ی نسبیت خاص آلبرت اینشتین، هیچ گونه انتقال اطلاعاتی در خلأ ممکن نیست سریع تر از سرعت نور رخ بدهد؛ بنابراین اجسامی که دور از یکدیگر قرار دارند علاوه بر بُعد فضا در بُعد زمان نیز با هم فاصله دارند. حتی منظره ای که از ماه می بینیم تاریخ گذشته است؛ یعنی از ماه، نه آن چه را که اکنون هست بلکه، آن چه را که 28/ 1 ثانیه ی پیش بوده است می بینیم. اما فقط در ژرفای فضاست که تأخیر پیش بوده است می بینیم. اما فقط در ژرفای فضاست که تأخیر در انتقال نور اهمیت می یابد. علایم رادیویی فضاپیمای ویجر 2 در زمان گذرش از کنار سیاره ی نپتون بیش از چهار ساعت طول می کشید تا به زمین برسند. اختروش های دوردست به کیهان شناسان امکان می دهند تا بیش از 10 میلیارد سال در زمان به عقب سفر کنند.
در معادله ی نظریه ی نسبیت خاص اینشتین، یعنی
، سرعت نور با حرف C ( که احتمالاً اول کلمه ی لاتین celeritas به معنای «سرعت» است) نشان داده می شود. فرمول مشهور او جرم را در تناسب با انرژی هم ارزش قرار می دهد. با این حال، گذشته از ارتباط c با اخترشناسی و سفرهای فضایی، این مفهوم همچنین در سازوکار الکترومغناطیس و ساختارهای اتمی هم نهفته است. از آن جا که این قوانین بنیادین شرایط واکنش های شیمیایی و سازوکارهای به دقت تنظیم شده ی زیستی را نیز دیکته می کنند، دانشمندان در بسیاری از رشته های علمی بسیار پیش از زمان اینشتین درک اهمیت کیهانی c را آغاز کرده بودند. در نتیجه، دانستن میزان دقیق سرعت نور به موضوعی بسیار با اهمیت تبدیل شد.
نخستین پژوهشگران بی نهایت تحت تأثیر ماهیت نور قرار داشتند و به طور قابل درکی از سرعت فوق العاده زیاد آن، که مهارت های آن ها در سنجش را به مبارزه می طلبید، حیرت زده بودند. بسیاری از متفکران به آسانی فرض کردند که سرعت نور باید بی نهایت باشد. شاید این موجود دسترس ناپذیر و به ظاهر جادویی اصلاً نیازی نداشت از جایی به جای دیگر حرکت کند. آیا مانور را از فاصله ی دوردست به طور آنی مشاهده و درک می کنیم؟
«*توضیح شکل: آبیراهی ستاره ای. جیمز بردلی ( 1693 – 1762)، در حالی که در سال 1728 بر رود تیمز لندن قایق رانی می کرد متوجه شد علت این که ستاره ها در طول سال تغییر مکان می دهند در واقع حرکت زمین در مدارش به دور خورشید است (چپ) که موجب آبیراهی در نور ستاره ها می شود ( که البته در نمودار بالا با اغراق نمایش داده شده است). بردلی با استفاده از تغییر مکان زاویه ای رصد شده برای ستاره ی گاما – اژدها
و بهترین مقدار موجود در آن زمان برای سرعت مداری زمین به دور خورشید و بهره گیری از قوانین ساده ی هندسه، به محاسبه ی سرعت نور میان خورشید و زمین پرداخت (راست). نتیجه ای که او به دست آورد 8 دقیقه و 12 ثانیه بود یعنی فقط 7 ثانیه کوتاه تر از مقداری که امروز می شناسیم . این برای بردلی دستاور مهمی بود که سبب ورود او به حلقه ی منجمان سلطنتی انگلستان در سال 1742 شد.»
در اوایل دهه ی 1600 میلادی، گالیله تلاش های بسیاری برای اندازه گیری سرعت نور انجام داد. استراتژی او منطقی بود، هر چند در بازنگری به نظر عجیب می رسد. گالیله و یکی از دستیارانش هر کدام فانوسی را به بالای تپه ای بردند. گالیله درپوش فانوس خود را برداشت تا پرتویی از نور ایجاد کند. دستیارش می بایست به محض مشاهده ی آن پرتو نور درپوش فانوس خود را برمی داشت. گالیله زمان ظهور پرتو نور از فانوس دستیارانش را ثبت کرد و به این ترتیب زمان سفر رفت و برگشت نور میان دو تپه را به دست آورد. با این که گالیله این فرایند را برای کاهش خطای انسانی بارها و بارها به صورتی خستگی ناپذیر تکرار کرد، نتوانست در رسیدن نور فانوس دستیارش هیچ تأخیری، به تأخیر نسبت داده شده به واکنش کُند انسان، ثبت کند. با این حال، این آزمایش محکوم به شکست گالیله نشان داد که نور دست کم 10 بار سریع تر از صوت حرکت می کند. هر چند بسیاری از نظریه پردازان همین آزمایش را اثباتی دیگر بر بی نهایت بودن سرعت نور می دانستند.
یو؛ قمر عجیب
در قرن هفدهم میلادی موجی از سفرهای دریایی آغاز شد که در آن ها زمان سنجی دقیق برای تشخیص طول جغرافیایی که مشکلی دردسرساز برای کشتی های خارج از دیدرس خشکی ها محسوب می شد – بسیار حیاتی بود. اوله رومر، که در سال 1671 در رصدخانه ی اورانی بورگ دانمارک کار می کرد، تصمیم گرفت این ادعای گالیله را – که می گفت با رصد تلسکوپی قمرهای مشتری می توان به دقت زمان سنجی کرد – بیازماید. قمر پر سرعت یو در هر 5 /42 ساعت با نظمی ساعت وار سایه ی مشتری می شود. منجمان حتی با تلسکوپی ابتدایی می توانستند این گرفت ها را زمان سنجی کنند. اما در کمال تعجب همه، ظاهراً یو چند دقیقه زودتر یا دیرتر از پیش بینی ها وارد سایه می شد. این مسئله برای دریانوردان ناامیدکننده و برای اخترشناسان گیج کننده بود.رومردر سال بعد رصدهایش را در پاریس زیر نظر ژان دومینیک کاسینی ادامه داد. اخترشناس جوان دانمارکی خیلی زود دریافت که گرفت های یو چرخه ای سیزده ماهه دارند که هنگام مقابله ی مشتری زودتر از موعد مقرر عقب می مانند. رومر به درستی نیتجه گرفت که این بی نظمی ها هیچ ربطی به مدار یو ندارند و در عوض حاصل بازتاب نور خورشید از سطح آن است که تا رسیدن به زمین زمان های گوناگونی را طی می کند واین نیز به چگونگی جای گیری زمین و مشتری در مدارهای شان نسبت به هم بستگی دارد. وقتی منظومه ی مشتیری در نزدیک ترین فاصله از زمین قرار دارد، نور سریع تر به رصدگر می رسد و موجب می شود گرفت ها زودتر از موعد رخ بدهند. وقتی مشتری نزدیک به حالت مقارنه باشد، نورش برای رسیدن به زمین باید کل قطر مدار زمین را هم طی کند که طبق زمان سنجی رومر حدود 22 دقیقه بیشتر طول می کشد.
در آن زمان هیچ کس اندازه ی مدار زمین را نمی دانست و بنابراین، متأسفانه، داده های گروه پاریس را نمی شد به عددی معتبر برای سرعت نور تغبیر کرد. اما نخستین بار رومر بود که نشان داد سرعت نور ماهیتی بی نهایت اما محدود دارد.
در میان دایره ها
همچون بسیاری از گام های رو به جلو درعلم، در تلاش های بعدی برای تشخیص سرعت نور نیز بخت یار دانشمندان بود. در سال 1725 جیمز بردلی، اخترشناس دانشگاه اکسفورد، در تلاش بود تا تغییر مکان اختلاف منظریِ برخی از ستاره های نزدیک بر اثر گردش زمین به دور خورشید را به دست آورد. چنین رصدی اثباتی بود بر مدل خورشیدمرکز منظومه ی شمسی که کپرنیک ارایه کرده بود؛ اثباتی که اخترشناسان سال ها در جست و جوی آن بودند.بردلی در ماه های آینده مکان ستاره ی گاما – اژدها را دنبال کرد به نظر می رسید که این ستاره ی قدر دومی مسیری دایره ای را طی می کند اما حرکتش در جهتی کاملا خلاف انتظار او و با مقداری بسیار بیشتر بود. دیگر ستاره هایی که بردلی آن ها را زیر نظر گرفت نیز رفتار مشابهی از خود نشان می دادند و هر کدام بیضی بسیار بزرگی، به قطر حدود 41 ثانیه ی قوس، را در آسمان دنبال می کردند. روشن بود که این رفتار حاصل اختلاف منظر نیست؛ باور کردنی نبود که همه ی این ستاره ها در فاصله ای یکسان از زمین قرار داشته باشند یا آن قدر به زمین نزدیک بوده باشند که موجب ایجاد شدن چنین تغییرات عظیمی بشوند.
چند سال بعد، بردلی در حالی که سوار بر قایقی بر رود تیمز در بادی ملایم می راند متوجه شد که هر بار قایق می چرخد جهت بادنمای بالای دکل قایق کمی تغییر می کند. این عجیب به نظر می رسید زیرا جهت وزش باد تغییری نمی کرد. دریانوردان به بردلیِ متعجب توضیح دادند که تغییر جهت قایق موجب این تغییرات می شود ناگهان این فکر به ذهن بردلی رسید که اگر نور سرعتی محدود دارد، گردش زمین به دور خورشید باید اثری مشابه بر جهت ظاهری نور رسیده از ستاره ها داشته باشد. حالا زمان سنجی و مقدار تغییرات به مکان زمین وابسته نبودند بلکه در عوض حاصل حرکت زمین در حالت عمود بر نور رسیده از ستاره بودند. وقتی در میان باران می دویم یا با ماشین حرکت می کنیم، به سبب ترکیب شدن سرعت حرکت ما با سرعت بارش باران ، به نظر می رسد که باران با زاویه ای رو به ما می بارد در صورتی که در واقع عمود به زمین می بارد. به همین ترتیب، حرکت مداری سیاره ی ما هم با سرعت نور ترکیب می شود و زاویه ی تابش نور ستاره را کمی منحرف می کند.
بردلی، با استفاده از قوانین ساده ی هندسه و مقداری «جدیداً» تأیید شده از سرعت مداری زمین، اعلام کرد که نور با سرعتی 10،210 برابر سرعت زمین در مدارش حرکت می کند. این عدد سرعت نور را فقط کمی بیش از یک درصد بیشتر از واقعیت تخمین می زد. این نتیجه ای نبود که بردلی به دنبالش بود اما کشف ابیراهی ستاره ها حرکت زمین درون منظومه ی شمسی را به صورتی بسیار دقیق تر از پیش نشان داد و اثباتی شد بر مدل خورشیدمرکز کپرنیک.
چرخ تقدیر
طولی نکشید که بسیاری از فیزیکدانان مشتاق شدند که با آزمایش های زمینی به اثبات سرعت نور بپردازند. در میانه ی دهه ی 1800 میلادی، برای نخستین بار ممکن شد که به کمک موتورهای الکتریکی ساده به سنجش سرعت نور در طول فاصله های زمینی بپردازند. دانشمندان خیلی زود متوجه شدند که مانع اصلی بر سر راه سنجش حرکت نور در هر جهت، ناممکن بودنِ ارسال آنی علایم میان ساعت های هم سان شده ی دو ناظر دور از هم است.آرمان فیزو، فیزیک دان فرانسوی، با دانستن این نکته، دستگاهی را ساخت که پرتو نوری را از آینه ای در فاصله ی 8 کیلومتری به سوی چشمه اش بازتاب کند و با زیرکی نیاز به ابزار دوم برای زمان سنجی را خنثی کرد. مخترع و همکار پاریسی او، پاول – گوستاو فرومان دستگاه های لازم را گرد هم آورد و این آزمایش را در مرکز یکی از اختراعات جدیدش، که موتوری الکتریکی با جریان مستقیم بود، قرار داد.
فیزو، که پرتو نور را طوری تنظیم کرده بود که از میان دندانه های ظریف چرخی در حال گردش بتابد، مشاهده کرد که وقتی چرخ آهسته می چرخد پرتوهای نور از میان همان روزنه ی خروجی بازمی گردند. وقتی چرخ سریع تر می چرخید، یکی از دندانه ها مانع نور بازگشته می شد. باز هم سریع تر، و این بار نور از درون شکاف کناری باز می گشت. فیزو، با کنترل کردن سرعت چرخ، توانست زمان حرکت رفت و برگشت هر پرتو نور را اندازه گیری کند. سرعت زیاد چرخش و، مهم تر از همه، حرکت دائماً یکنواخت موتور برای موفقیت این آزمایش الزامی بودند. هر چند نخستین نتایج فیزو سرعت نور را حدود 4 درصد بیش از واقعیت تخمین می زدند، بررسی های بعدی او نشان داد که نور درون آب و شیشه کندتر از درون هوا حرکت می کند و به این ترتیب تصورانی به قدمت چند قرن درباره ی ماهیت نور را باطل کرد.
«*توضیح شکل: کوه به کوه. آلبرت میکلسون ( 1852- 1931) در دهه ی 1300/ 1920 آزمایش های اندازه گیری سرعت نور را بر فراز دو قله در کالیفرنیا انجام داد. او نور را از یک آینه ی چرخان هشت ضلعی به آینه ای دیگر در فاصله ی 35 کیلومتری می تاباند که باید نور را باز می تاباند. میکلسون با تغییر دادن سرعت چرخش آینه ی هشت ضلعی، درست همان طور که فیزو سرعت چرخ خود را تغییر می داد، عدد درست را به دست آورد زیرا عدد فعلی سرعت نور، یعنی 458/ 299792 کیلومتر بر ثانیه، با در نظر گرفتن خطاهای آزمایش او بسیار به یافته ی او نزدیک است.»
اِتِری در کار نیست
در دهه ی 1300/ 1920 دانشمند آمریکایی لهستانی تبار، آلبرت میکلسون نسخه ای پالایش یافته وهوشمندانه از آزمایش فیزو را انجام داد که در آن از آینه ای چرخان بهره گرفت. توجه جهانی چهار دهه ی بعد به کار میکلسون جلب شد؛ او در آن زمان در کاری مشترک با ادوارد مورلی به دنبال اِتِر فراری بود. نظریه های آن زمان بر این فرض بودند که نور، که موج است، برای منتقل شدن به ماده ای احتیاج دارد؛ درست همان طور که هوا امواج صوت را منتقل و آب دریا امواج اقیانوس را حمل می کند. آن ها در صدد بودند به روش تداخل سنجی حرکت زمین در میان اتر فرضی را آشکار کنند.اما در کمال تعجب همگان، آزمایش میکلسون – مورلی نتوانست شواهدی از وجود اتر به دست آورد و این یکی از مهم ترین نتایج منفی آزمایش های علمی در تاریخ علم بوده است. آن ها با اثبات این نکته که سرعت نور مستقل از چگونگی حرکت ناظر همواره یکسان به نظر می رسد، راه را برای اینشتین هموار کردند که نسبیت خاص را فرمول بندی کند. میکلسون برای این دستاورد و نتایج دیگر کارهای خود جایزه ی نوبل فیزیک سال 1907 را به دست آورد.
اندازه گیری سرعت نور میکلسون را همه ی عمر به خود مشغول کرد. او در دهه ی 1300/ 1920، در سنی که دیگر هر کس به فکر بازنشستگی است، دوباره به سراغ این موضوع برگشت و متوجه شد که برای کاهش دادن خطاها باید مسیری که نور در آزمایش طی می کند خیلی طولانی تر باشد. میکلسون چشمه ی نور را به همراه آینه ای هشت ضلعی که به سرعت می چرخید بر فراز قله ی مونت ویلسون در رشته کوه سن گابریل کالیفرنیا گذاشت و آینه ی دوم را بر فراز قله ی مونت لوک آوت، در فاصله ی 35 کیلومتری، قرار داد. هوای پاک در ارتفاعات بالا میزان جذب جوّی را کاهش می داد. او سرعت چرخش آینه ی چرخان را تغییر می داد؛ درست همان طور که فیزو در آزمایش خود انجام داده بود. میکلسون، که خیلی دقیق بود، نقشه بردارانی را استخدام کرده بود که طول خطّ مبنای آزمایش را با دقتی بی نظیر تا حدود یک سانتی متر اندازه بگیرند.
متأسفانه رصدهای طاقت فرسای او طی سه سال به سبب وقوع مجموعه ای از اتفاقات با مشکل روبه رو شد. دود ناشی از آتش سوزی جنگل ها موجب کاهش شفافیت هوا شد. از این بدتر، وقوع زلزله ای قوی در میانه ی کار گردآوری داده ها احتمالاً تغییری هر چند کوچک در طول خط مبنای آزمایش ایجاد کرد. البته، علی رغم این موانع، سرعتی که میکلسون برای نور تخمین زد ( یعنی
دوران جنگ
قریب الوقوع بودن جنگ جهانی دوم موجب شد که بخشی از پژوهش ها به فناوری راداری اختصاص بیابد که همین موجب اختراع شدن تعداد فراوانی ابزارهای آزمایشگاهی جدید شد که به کار بررسی نور و امواج رادیویی می آمدند. لوییس اِسِن، فیزیک دان انگلیسی که پیش تر پیشگام استفاده از بلور لرزان کوارتز برای سنجش زمان بود، با همکاری ای. سی. گوردن – اسمیت توانست امواج ریز موجی با فرکانس های بسیار ویژه تولید کند. اسن در آزمایش های خود توانست سرعت نور را بسیار دقیق تر از پیشینیان خود و به میزان 5/ 299792 کیلومتر بر ثانیه تخمین بزند. مقداری که او به دست آورده بود حدود 16 کیلومتر بر ثانیه بیشتر از اغلب اندازه گیری های نوری قبلی بود و به همین سبب موجب به وجود آمدن تردیدهایی شد. اما اسن آزمایش گری سخت کوش بود. تکرار آزمایش ها مقدار به دست آمده برای سرعت نور را تأیید می کرد و این عدد تا دهه ها مورد توافق جهانی قرار داشت.رادارها، که پالس های رادیویی را مخابره و سپس پرتوهای بازگشته را آشکار می کنند، فقط با دانستن مقدار دقیق سرعت نور می توانند با موفقیت فاصله و حرکت اجسام هدف را مشخص کنند. کاربردهای شهری امروزی رادار عبارتند از، کنترل ترافیک هوایی، سامانه ی ماهواره ایِ مکان یابی جهانی، و تله های سرعت سنج پلیس. رادار به اخترشناسان امکان می دهد که فاصله تا اجسام نزدیک در منظومه ی شمسی را بسنجند و این به ویژه در بررسی سیارک های خطرناک نزدیک زمین بسیار سودمند است.
عبور ناپذیر؟
در دهه ی 1360 / 1980 سرعت نور را با چنان دقتی می دانستیم که آن را راهی برای تعریف کردن واحد متر قرار دادیم؛ امروز اندازه ی یک متر عبارت است از فاصله ای که نور در زمان
نتایجی که تیم اپرا از آزمایشگاه ملی گرن ساسو در شهریور سال گذشته درباره ی عبور نوترینوها از سرعت نور منتشر کردند، نوعی ناهنجاری است که هنوز کاملا تأیید یا رد نشده است در این آزمایش، نوترینوها از آزمایشگاه سِرن (نزدیک ژنو در سوییس) تا فاصله ی 740 کیلومتری از میان زمین به آزمایشگاه ایتالیایی ارسال شدند. طبق محاسبات گروه آزمایشگر، اگر سرعت این نوترینوها به اندازه ی سرعت نور می بود به طور میانگین 60 نانوثانیه دیرتر از زمان کنونی به مقصد می رسیدند! پس آن ها با سرعتی بیش از سرعت نور حرکت کرده بودند. بسیاری از دانشمندان ممتاز، از جمله خود گروه اپرا، تردیدهایی را به میان آورده اند و بر این نکته اصرار دارند که احتمالا خطاهای سیستماتیک پیش بینی نشده ای در اندازه گیری زمان حرکت این ذرات پدید آمده است. پیش گام تکرار آزمایش ها برای روشن شدن این یافته های بی سابقه، آزمایشگاه فرمی در شیگاگو خواهد بود. بعید به نظر می رسد اما اگر آن ها این نتیجه را تکرار کنند، جامعه ی علمی و همه ی مردم با نفس هایی حبس در سینه باید در انتظار شنیدن اخباری تازی باشند.
علی رغم مطرح شدن هرازچند گاه چنین ادعاهای خلافی، به نظر می رسد هر چند آزمایش پیچیده تر باشد مجموعه ی نتایج گردآوری شده بیشتر نشان می دهد که هیچ چیز نمی تواند در خلأ سرعتی بیش از سرعت نور داشته باشد؛ درست همان طور که اینشتین گفته بود. به لطف تلاشی که پیشینیان برای سنجش یکی از پیچیده ترین ثابت های طبیعت انجام داده اند، ما توانسته ایم بسیار بیشتر درباره ی مقیاس های عالم بفهمیم.
برگرفته از : Sky & Telescope,Feb. 2012
منبع: ماهنامه نجوم شماره 216
