نیوتن نور را شامل مجموعه ای از ذرات بی وزن منفصل تصور می کرد که از منبع نورانی خارج و صادر می شوند. «او پدیده های انتشار خطی نور، انعکاس نور در برخورد با یک سطح شفاف، شکست نور در مرز میان دو محیط مادی و جذب نور را مطابق فرضیه ی ذره ای بودن نور توضیح می داد.» (1) و این در حالی بود که تئوری موجی نور ابتدا در سال 1665 به وسیله ی رابرت هوک (2) (1703-1635) فیزیکدان انگلیسی مطرح شد. و چند سال بعد نیز توسط کریستیان هویگنس (3) (1695-1629) فیزیکدان و اخترشناس هلندی به صورت کاملتری بیان گردید. برطبق این تئوری، نور مانند صوت، به صورت امواج کروی منتشر می شود. در نتیجه، هویگنس برای حل مسئله ی چگونگی تابش نور در خلاء بر این باور شد که همه ی اجسام و اجرام در یک جوهر فرضی به نام اتر (4) غوطه ورند. (یعنی خلایی دیگر وجود نداشته و تابش نور، نتیجه ی ضربان و ایجاد موج در اتر فرض می شود).
تئوریهای ذره ای و موجی نور هر کدام برای خود پیروانی داشتند؛ و از همان ابتدا مجادله بین آنان آغاز گردید، که برای مدت یک صد سال ادامه یافت. در اوایل قرن نوزدهم، آزمایشهای اوگوستین فرنل فرانسوی(5) (1827-1788) و توماس یانگ انگلیسی (6) (1829-1773) نتایجی را به بار آورد که پیروزی تئوری موجی را اثبات می کرد.
پدیده های تداخل (7) (خاصیت جمع موج ها)، پراش (8) خاصیت دور زدن موانع) و قطبی شدن (9) با تئوری موجی تطابق داشتند، در صورتی که براساس تئوری ذره ای توجیه نمی شدند. ماکسول نیز ثابت کرد که نور از امواج الکترومغناطیسی تشکیل شده است. ولی پنجاه سال بعد تئوری ذره ای نور دوباره زنده گردید.
«در سال 1902 می دانستند که یک سطح فلزی صیقلی تحت تأثیر نور، الکترون تولید می کند (سلول فوتوالکتریک)، اما تئوری موجی نور به طور کلی قادر به توجیه این پدیده نبود.
در پدیده فوتوالکتریک باید به موارد زیر توجه داشت:
1- برای منتشر شدن تعدادی الکترون تحت تأثیر نور، فرکانس نور باید از یک مقدار حداقل بیشتر باشد.
2- انرژی جنبشی الکترونها با افزایش فرکانس نور افزایش می یابد.
3- شدت نور تغییری در انرژی جنبشی الکترونها نمی دهد، بلکه تعداد آنها را زیاد می کند.
اما تئوری موجی نور نه می توانست تغییرات انرژی جنبشی الکترونها را بر حسب فرکانس، و نه وجود فرکانس آغاز یا فرکانس بحرانی را جواب دهد، و بعلاوه تئوری موجی پیش بینی می کرد که انرژی جنبشی الکترونها باید با اضافه شدن شدت نور اضافه شود، و حال آنکه این موضوع با عمل مغایرت داشت.
در سال 1905 آینشتاین گفت: اگر قبول کنیم که نور از ذراتی مشخص به نام فوتون تشکیل شده است. می توان عمل فوتو الکتریک را توجیه کرد. به این صورت که یک فوتون به فرکانسv و به انرژی hv مقداری از انرژی خود را به یک الکترون می دهد. یک مقدار از این انرژی به اندازه ی اپسیلن Ɛ صرف شکستن نیروی پیوند الکترون فلز می شود. و الکترون جابجا شده، بقیه انرژی فوتون را به صورت انرژی جنبشی با خود می برد یعنی:
بنابراین اپسیلن کمترین مقدار انرژی است که فوتون بایستی داشته باشد، تا الکترون را از اتم فلز جدا نماید. اگر اپسیلن را بر حسب فرکانسش بنویسیم خواهیم داشت:
آینشتاین فرض کرد که نور یکنواخت مرکب از کوانتومهای انرژی است که آنها را فوتون (11) نامیدند. او ثابت کرد که نور نه تنها طبق فرضیه ی پلانک به صورت کوانتوم تابیده می شود، بلکه به صورت کوانتوم نیز انتشار می یابد. به همین دلیل نور تابیده شده بر سطح فلز همان برخورد امواج دریا به صخره های ساحلی نیست بلکه نظیر شلیک گلوله ی توپ به صخره های ساحلی است. زیرا اگرچه انرژی کلی امواج دریا به مراتب بیشتر از انرژی یک گلوله توپ است که بر صخره ها اصابت می کند، ولی چون این انرژی به طور مساوی بر تمام صخره تقسیم می شود، در نتیجه قرنها لازم است تا نتیجه تخریب روزانه ی آن را مشاهده کنیم. در حالی که نتیجه ی اصابت یک گلوله شلیک شده به طرف صخره را به سرعت مشاهده می کنیم. در ضمن آنکه هر یک از چنین گلوله های کوانتومی فقط می تواند یک الکترون را از اتم خارج نماید.در واقع تا وقتی کوانتوم انرژی کوچک است (نور قرمز)، کوانتومها هر قدر هم تعدادشان زیاد باشد قادر نیستند الکترونی را از اتم جدا سازند
اما وقتی انرژی آنها افزایش می یابد (نور بنفش) موقعی می رسد که این انرژی برای برکندن الکترون کافی می شود
و بدین ترتیب بود که آینشتاین نشان داد که نور نه تنها به صورت کوانتا جذب و انتشار می شود بلکه نور مستقل از این دو پدیده، خود نیز از کوانتا تشکیل شده است. وجود اتمها (سازنده ی عناصر)، الکترونها (ساƐزنده ی الکتریسیته)، کوانتوم (سازنده ی انرژی) و فوتونها (سازنده ی نور)، فصلی جدید را در بینش فلسفی بشر به جای نهاد، و آن وجود انفصالهایی بود در جهان به ظاهر یکپارچه و بسیط.با وجود این، هنوز این حقایق نسبی اند. برای مثال در چشم انداز فیزیک معاصر «نمودهای نوری را به سه قسمت تقسیم می کنند:
1- نمودهایی مانند کیفیت فوتوالکتریک که فقط با تئوری کوانتومی تفسیر پذیرند.
2- نمودهایی مانند خم شدن نور در اطراف موانع (پراش) که با نظریه ی موجی توضیح داده می شوند.
3- نمودهایی مانند انتشار مستقیم الخط که هم با نظریه ی موجی و هم با نظریه ی کوانتومی قابل توجیه می باشند.« (12)
با توجه به این مطالب است که در کل نور را به شکل موج-ذره در نظر می گیرند، که بنا به شرایط آزمایش گاهی خصلت موجی و گاهی خصلت ذره ای خود را نمایان می سازد.
هر موجی دارای دامنه ی A، طول موجλ، فرکانس (تعداد طول موجها در یک ثانیه) F، و سرعت است. اگر سرعت نور را با C نمایش بدهیم،
1- از صفر تا 20 هرتز: امواجی نظیر امواج زلزله جای دارند.
2- از 20 تا 20 کلیوهرتز: امواج صوتی یا شنیدنیها (AF)
3- از 20 کیلو تا 30 کیلوهرتز: امواج مافوق صوت یا اولتراسونیک (US)
4- از 30 کیلو تا 30 مگاهرتز: امواج بی سیم و رادیو(SW, MF, LF)
5- از 30 مگا تا300 مگا هرتز: امواج با فرکانس زیاد (VHF) شامل امواج تلویزیونی، موج FM و...
6- از 300 مگا تا 3 گیگا هرتز: امواج با فرکانس خیلی زیاد UHF که شامل امواج نظیر امواج تلویزیونی و مخابراتی می باشد.
7- از 3 گیگا تا 30 گیگا هرتز: امواج فرکانس بالا یا SHF یا که شامل امواجی نظیر امواج ماکروویو، رله و رادار می باشد.
8- از 30 گیگا تا 300 گیگا هرتز: امواج فرکانس خیلی بالا یا EHF که شامل امواجی نظیر امواج مربوط به موشکهای هدایت شونده، رادار و کنترل ماهواره ها و سفینه ها می باشد.
9- از 300 گیگا تا 3 تراهرتز: شامل امواج گرمایی
10- از 3 ترا تا 300 تراهرتز: امواج مادون قرمز
11- از 300 ترا تا 30000 تراهرتز: شامل امواج نوری یا دیدنیها است، که به ترتیب فرکانس موجی عبارتند از: رنگهای مادون قرمز، قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش. در این باند کسانی چون نیوتن، هویگنس، ماکسول، فرنل، مایکلسون و آینشتاین تحقیقاتی انجام داده اند.
12- از 30000 ترا تا سه میلیون تراهرتز: امواجی نظیر اشعه ی ماوراء بنفش جای دارد، که پژوهشهای رایلی، جینز، وین، بولتزمان و پلانک در این باند جای می گیرد.
13- از
تراهرتز: امواجی نظیر اشعه ایکس یا اشعه ی رونتگن جای می گیرد.
«تمام شدن اشعه ایکس و انرژی حرارتی در ستارگان که از عوامل انبساط آنهایند، سبب برتری نیروی گرایشی یا عامل انقباضی ستاره می گردد. این پدیده به نام ریزش (13) معروف است. به دنبال پدیده ی ریزش، ستاره ها نوترونی می شوند.« (14) یعنی از ترکیب الکترونها و پروتونهایشان، نوترونها بوجود می آیند. و ستاره آن قدر فشرده می شود که حتی نور نیز نمی تواند از میدان جاذبه ی بسیار قوی آن بگریزد. در این صورت ستاره نوترونی به حفره ی سیاه (15) تبدیل می شود.
14- بعد از اشعه ی ایکس به اشعه گاما می رسیم. با توجه به فرمول پلانک یعنیE=hv چون فرکانس اشعه گاما بسیار زیاد است، در نتیجه این اشعه دارای انرژی و قابلیت نفوذ بسیار زیاد می باشد.
15- بعد از اشعه گاما به اشعه نوترونی می رسیم که ثمره ی اکتشافات بکر (16)، بوت (17) (فیزیکدانان آلمانی) ایرن کوری، ژولیووچادویک است.
عده ای از فیزیکدانان و ستاره شناسان بر این نظرند که پس از حادثه ی انفجار بزرگ، از یک طرف ماده و اجزایش یعنی اتمها، و از طرف دیگر میدان یا امواج، این جهان رنگارنگ را به این شکل درآورده اند.
پی نوشت ها :
1. امواج، اثر کاظم عضوامینیان، انتشارات جیران، صفحه 21
2. Robret Hooke
3. Huygens
4. Ether
5. Fresnel
6. Young
7. Interferance
8. Diffraction
9. Polarization
10. اصول شیمی نوین، اثر علی افضل صمدی، انتشارات دانشگاه مشهد، صفحه های 46 و 47 و 48
11. photon (در زبان یونانی photos به معنای نور است)
12. تکامل علم فیزیک، اثر آلبرت آینشتاین و...، ترجمه احمد آرام، انتشارات پرتو، صفحه 248
13. Collapic
14. امواج، اثر کاظم عضوامینیان، انتشارات جیران، صفحه 26
15. Black Hole
16. Becker
17. Bothe
18. Big Bang
