آیا سرعت نور در محیط‌های مختلف تغییر می‌کند؟ بر اساس نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین، هیچ‌چیز در جهان نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. این نظریه ادعا دارد وقتی سرعت ماده به سرعت نور نزدیک می‌شود جرم ماده بی‌نهایت خواهد شد. به این معنی که سرعت نور به‌عنوان محدودیتی برای مشخص‌کردن سرعت در کل جهان عمل می‌کند.
سرعت نور آن‌قدر تغییرناپذیر است که بر اساس اعلام مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده، از آن برای تعیین اندازه‌های استاندارد بین‌المللی مانند متر (و مایل، پا و اینچ) استفاده شده است. از طریق برخی از معادلات حتی می‌تواند به تعریف کیلوگرم و کلوین هم کمک کند. علی‌رغم این تعریف، آیا سرعت نور در همه‌جا یکسان است؟ عاملی می‌تواند باعث کاهش یا افزایش سرعت نور شود و تغییری در این معیار مشخص برای سرعت به‌وجود آورد؟
اگر بخواهیم یک پاسخ سریع به این سؤال بدهیم، باید گفت: بله، تغییر می‌کند. اما چرا و در چه محیط‌هایی این اتفاق می‌افتد؟ این موضوعی است که قرار است این بار در مجله بروکس از آن صحبت کنیم. خواندن ادامه مطلب کمک می‌کند تا شما هم همراه ما به پاسخ این سؤال برسید.
آیا سرعت نور در هوا یا آب تغییر می‌کند؟
وقتی حرف از «سرعت نور» در یک زمینه کلی می‌شود، معمولاً منظور سرعت نور در خلأ است. سرعت نور در خلأ هم به معنای سرعت اندازه‌گیری شده در یک قاب اینرسی است. این سرعت خلأ – اینرسی با نماد c نشان داده می‌شود اما سرعت نور در محیط‌های شفاف مانند هوا، آب و شیشه تغییر می‌کند. درواقع هیچ نوری به اندازه همان مقدار سرعتی که در خلأ داشته است، نمی‌تواند در محیط‌هایی مثل آب یا هوا جلو برود. سرعت نور در این محیط‌ها کاهش پیدا می‌کند.
به نسبتی که سرعت نور در محیط‌های مختلف کم می‌شود، ضریب شکست محیط می‌گویند. عددی که برای ضریب شکست محیط در نظر گرفته می‌شود به طور معمول بیشتر از یک است. این معیاری است که دانشمند ژان فوکو در سال ۱۸۵۰ کشف کرد و تا امروز هم ثابت مانده است.
این توضیح را گفتیم اما چه چیزی باعث تغییر سرعت نور در محیط‌هایی مثل آب یا هوا می‌شود؟ سؤالی است که لازم است برای رسیدن به جواب آن درباره ماهیت نور صحبت کنیم. البته ما یک مطلب کامل و جامع درباره تعریف نور برای کودکان پیش‌ازاین آماده کرده‌ایم. اگر دوست داشته باشید اطلاعات تکمیلی بیشتری دراین‌باره کسب کنید، خواندن این مقاله کمک‌کننده خواهد بود.
ساختار اصلی نور چیست؟
چیزی که نور را تشکیل می‌دهد و به‌عنوان اساس نور شناخته می‌شود، ذره است. وقتی نور از منبع نوری مانند لامپ، چراغ‌قوه، نشانگر لیزر یا حتی خورشید بیرون می‌آید، مانند ذره‌ای به نظر نمی‌رسد. علت این اتفاق، نداشتن تجهیزات لازم برای دیدن نور است. ما برای دیدن ذرات منفرد نور مجهز نیستیم. اگر از آشکارسازهای الکترونیکی به‌جای چشم خود استفاده کنید، متوجه می‌شوید که تمام نور جهان از یک نوع ذره تشکیل شده است. ذره‌ای به نام فوتون که مهم‌ترین چیز برای تولید نور است. در مقاله‌ای درباره چگونگی تولید نور با شما صحبت کرده‌ایم، پیشنهاد می‌کنیم برای کسب اطلاعات تکمیلی آن را بخوانید.
این ذره دارای چند ویژگی است که بین همه فوتون‌ها یکسان است:
- جرم آن (که صفر است)
- سرعت آن (که همیشه c است و با همان سرعت نور در نظر گرفته می‌شود.)
- چرخش آن (که همیشه یک است؛ معیاری از حرکت زاویه‌ای ذاتی ذره فوتون)
اما علاوه بر این سه ویژگی، یک ویژگی مهم دیگر دارد که آن بین همه فوتون‌ها ثابت نیست و هر فوتونی ممکن است اندازه مختلفی از این ویژگی را داشته باشد. آن ویژگی چیست؟ بله، انرژی!
نور بنفش بیشترین انرژی را در بین هر فوتونی که برای چشم انسان قابل‌مشاهده است، دارد و این در حالی است که رنگ قرمز کمترین انرژی را نسبت به هر فوتون قابل‌مشاهده به خود اختصاص داده است. فوتونهای مادون‌قرمز، ماکروویو و رادیو دارای سطح انرژی پایین‌تری هستند و از فوتونهای ماوراء بنفش، اشعه ایکس و گاما در انرژی‌های بالاتری یافت می‌شوند.
حتی یک از مواردی که باعث می‌شود ما آسمان و خورشید را در ساعات مختلف روز آبی، قرمز یا حتی سفید بینیم، همین انرژی نور است. بحث جالبی است که پیشنهاد می‌کنیم برای کسب اطلاعات بیشتر در این باره نگاهی به مقاله چرا نور خورشید زرد است؟ بیندازید.
سرعت نور در خلا
صرف‌نظر از انرژی، سرعت نور در خلا همیشه ثابت است. مهم نیست که نور به سمت شما می‌آید یا شما به سمت نور می‌روید. سرعتی که در آن مشاهده می‌کنید همیشه ثابت و در حال حرکت است. چیزی که به‌جای سرعت تغییر می‌کند، انرژی نور خواهد بود.
پرانرژی‌ترین فوتون و کم انرژی‌ترین فوتونی که تابه‌حال مشاهده شده، هردو با سرعت یکسانی حرکت می‌کنند.
همه ذرات بدون جرم با سرعت نور حرکت می‌کنند؛ از جمله فوتون، گلوئون، امواج گرانشی و … که به ترتیب حامل برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی، هسته‌ای قوی و گرانشی هستند.
سرعت نور در کدام محیط کمتر است؟
اگر سرعت نور را خارج از خلأ و وقتی وارد یک ماده می‌شود بررسی کنید، ممکن است سرعت نور کاهش یابد. نور می‌تواند از هر ماده‌ای که شفاف است عبور کند. به‌طورکلی فوتون‌ها از موادی مثل آب، اکریلیک، کریستال، شیشه و حتی هوا در آن عبور می‌کنند اما چه چیزی باعث کاهش سرعت نور در این محیط‌ها می‌شود؟
فوتونهای مختلف دارای انرژی‌های متفاوتی هستند، به این معنی که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی آنها با سرعت‌های مختلف نوسان می‌کنند. درحالی‌که سرعت انواع مختلف نور در خلا یکسان است، این سرعت‌ها در هر نوع محیطی می‌توانند متفاوت باشند.
وجود ذرات باردار در این مواد، به‌ویژه الکترون‌هایی که در آب، شیشه یا هر ماده دیگری وجود دارد، باعث این تغییر سرعت فوتون می‌شود. این ذرات باردار با فوتون‌ها به‌گونه‌ای تعامل می‌کنند که از سرعت نور کم و یا اصطلاحاً دچار ضریب شکست در محیط می‌شود.
نور مانند موج رفتار می‌کند. با حرکت یک فوتون در فضا، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نوسانی از خود نشان می‌دهد و می‌تواند با ذرات باردار تعامل داشته باشد. این فعل‌وانفعالات باعث کند شدن آن می‌شود و تا زمانی که در یک ماده (مثل آب یا شیشه) هستند با سرعتی کمتر از سرعت نور در خلا حرکت می‌کنند.
سرعت نور در آب
نور سفید (که از همه رنگ‌ها تشکیل شده است) را از یک قطره آب یا یک منشور عبور دهید تا ببینید فوتونهای پرانرژی‌تر حتی بیشتر از فوتونهای کم‌انرژی سرعت خود را کاهش می‌دهند. این اتفاق باعث جداشدن رنگ‌ها می‌شود. این‌چنین است که تابش نور از طریق قطرات آب رنگین‌کمان ایجاد می‌کند، زیرا فوتون‌ها با انرژی‌های مختلف در ارتباط با ذرات باردار یک محیط (و به میزان متفاوت) کند می‌شوند. انعکاس‌های متعدد نور در قطرات آب منجر به جداشدن نور در زوایای مختلف می‌شود که نور قرمز سریع‌تر و نور بنفش با سرعت کمتری از طریق آب حرکت می‌کند.
اما مهم است در همه این موارد به‌خاطر بسپاریم که هیچ‌چیزی در مورد خود نور تغییر نمی‌کند. این انرژی از دست نمی‌رود. یعنی نور ویژگی اصلی و ذاتی خود را تغییر نمی‌دهد. به هیچ چیز دیگر تبدیل نمی‌شود. تنها چیزی که تغییر می‌کند فضای اطراف آن است. هنگامی که نور از محیط خارج می‌شود و به خلا بازمی‌گردد، با سرعت نور در خلأ حرکت می‌کند و این سرعت برابر با ۲۹۹،۷۹۲،۴۵۸ متر در ثانیه است.
تا زمانی که اتم‌ها در همه جای جهان یکسان باشند، تعاریف ما از زمان، طول و سرعت نور هرگز تغییر نمی‌کند. مهم نیست که در کجا و چه زمانی در جهان نگاه می‌کنیم و مهم نیست که چقدر به جهان دور نگاه می‌کنیم، فیزیک حاکم بر اتم‌ها و تعاریف ما از طول، زمان و سرعت نور دقیقاً یکسان است.
کلام آخر
از بسیاری جهات، نور ساده‌ترین ذره در جهان است. تا زمانی که ماده‌ای در جهان وجود داشته باشد که برای نور شفاف باشد، نمی‌توانید از کاهش سرعت آن جلوگیری کنید. اما به محض بازگشت دوباره نور به فضای خالی، نور در خلأ به‌سرعت بازمی‌گردد و هر فوتون طوری حرکت می‌کند که گویی هرگز با هیچ سرعت دیگری حرکت نکرده است!
سؤالات متداول
آیا سرعت نور در محیط‌های مختلف تغییر می‌کند؟
نور در خلا با سرعتی ثابت عبور می‌کند اما وقتی وارد فضاهای دیگری مثل آب، شیشه یا هوا می‌شود، ذرات باردار محیط روی فوتونهای آن تاثیر گذاشته و باعث کاهش سرعت ذرات نور می‌شود.
ساختار اصلی نور چیست؟
اساس نور ذره است؛ ذره‌ای به نام فوتون که با چشم انسانی قابل تشخیص نیست. اگر از آشکارسازهای الکترونیکی به‌جای چشم خود استفاده کنید، متوجه می‌شوید که تمام نور جهان از یک نوع ذره تشکیل شده است.
آیا تغییر محل انتشار نور باعث تغییر در ویژگی‌‌‌ها و رفتار نور هم می‌شود؟
تغییر محل انتشار نور باعث نمی‌شود هیچ‌چیزی در مورد خود نور تغییر کند. نه انرژی، نه جرم و گردش نور تغییر نمی‌کند. یعنی نور ویژگی اصلی و ذاتی خود را تغییر نمی‌دهد. به هیچ چیز دیگر تبدیل نمی‌شود و تنها چیزی که تغییر می‌کند، فضای اطراف آن است.