چرا نور به خط مستقیم حرکت می‌کند؟

نور از ذراتی به نام فوتون ساخته شده است؛ گروه‌هایی از میدان الکترومغناطیسی که مقدار خاصی از انرژی را حمل می کنند. با آزمایشاتی که متناسب با کار شما حساس و دقیق هستند، می توانید فوتون‌ها را بشمارید یا حتی روی یک فوتون اندازه‌گیری کنید. محققان حتی نور را به طور موقت منجمد کرده‌اند. گاهی می‌بینیم که نور از لای شاخ و برگ درختان بیرون می‌زند و در ظاهر آن می‎بینیم که نور بدون هیچگونه انحرافی در خط مستقیم حرکت می‌کند.

اگر ترک‌های دیوار را هم مشاهده کنید، متوجه می‌شوید که نور در خط مستقیم از ترک‌های آن عبور می‌کند و هیچ شکست و انحرافی رخ نمی‎دهد. در یک جو غبارآلود نیز گاهی اوقات ممکن است نور در حال حرکت باشد و به‌نظر می‌رسد که در یک خط مستقیم حرکت می‌کند.
حقیقت حرکت نور را می‌توان با قرار دادن یک جسم در مسیر آن نشان داد. اگر آن جسم مات باشد، درجاتی از سیاهی در اطراف آن شئ دیده می‌شود که ناشی از عدم وجود نور است. این ناحیه تاریک را سایه می‌گویند. در این مقاله قصد داریم به این سوال پاسخ دهیم که چرا نور در خط مستقیم حرکت می‌کند؟ با ما همراه باشید.

اثبات انتشار نور به خط مستقیم

دانشمندان معمولا نور را به شکل خطوط مستقیم در نقشه‌ها ترسیم می‌کنند. این مسئله گاهی اوقات می‌تواند شدیدا گیج‌کننده باشد، چرا که برای سهولت درک نمودارهای توضیحی، عبور نور از منبع را فقط از بالا و پایین نشان می‌دهند، در حالی که در واقعیت نور از کل منبع خارج می‌شود.

سایه‌ها می‌توانند شواهدی ارائه دهند که نور در خط مستقیم حرکت می‌کند. به سایه‌هایی که در روزهای آفتابی بدون ابر تشکیل می‌شوند، توجه داشته باشید، آن‌ها سایه‌های کاملا مشخص و واضحی هستند. اگر که نور در خط مستقیم حرکت نکند، سایه‌ها چه شکلی خواهند بود؟ آن‌ها احتمالا مانند یک روز آفتابی و آسمان پوشیده شده از ابر، حالت و ظاهری مبهم خواهند داشت. زمانی که آسمان ابری است، نور خورشید از ابرها منعکس می‌شود و آن‌ها تبدیل به منابع نور ثانویه می‌شوند؛ بنابراین در چنین روزی، سایه از تعداد زیادی منابع نوری مختلف که از چندین جهت مختلف می‌آیند، تشکیل می‌شود.

برای پاسخ به سوالاتی همچون: آیا سرعت نور در همه‌جا یکسان است؟ چه عاملی می‌تواند باعث کاهش یا افزایش سرعت نور شود و تغییری در این معیار مشخص برای سرعت به‌وجود آورد؟ می‌توانید به مقاله سرعت نور در محیط‌های مختلف سر بزنید.

زمانی که نور به سطح یک جسم برخورد پیدا می‌کند، ممکن است یکی از حالت‌های زیر برای آن رخ دهد:

1. ممکن است توسط سطح جذب شود.
2. ممکن است توسط جسم پراکنده شود.
3. می‌تواند تا حدی پراکنده و تا حدی جذب شود.
4. ممکن است منعکس شود.

تفاوت بین بازتاب و پراکندن، به ماهیت سطح جسم بستگی دارد. یک سطح کدر یا زمخت باعث می‌شود که نور در همه جهات منعکس یا پراکنده شود، اما یک سطح صاف باعث می‌شود که نور تنها در یک جهت منعکس شود.

انعکاس نور از یک سطح صاف را می‌توان با یک توپ بیلیارد که از کناره میز بیلیارد بیرون پریده است، مقایسه کرد. اگر طوری به توپ ضربه بزنید که در زاویه ۹۰ تا لبه میز به دیوار برخورد کند، باید توپ در همان جهت به عقب بازگردد، اما اگر توپ با زاویه ۳۰ از سمت عمودی به لبه برخورد کند، توپ با زاویه ۳۰ از سمت دیگر و به حالت عمود باز می‌گردد (زاویه تابش برابر با زاویه انعکاس است). در نتیجه هنگامی که نور از سطح صافی مانند سطح آیینه منعکس می‌شود، دقیقا به همان شیوه توپ رفتار می‌کند.

شاید هیچ موضوعی به این اندازه واضح و بدیهی نباشد که آسمان آبی است، اما چرا آسمان ما آبی است و چرا سبز، قرمز یا صورتی نیست؟ برای گرفتن پاسخ این سوال‌ها می‌توانید از مقاله چرا آسمان آبی است؟ کمک بگیرید.

ردی بر نظریه حرکت نور در خط مستقیم

هر دانشجوی فیزیک می‌داند که نور در یک خط مستقیم حرکت می‌کند، اما اکنون محققان نشان داده‌اند که نور می‌تواند در یک انحنا نیز حرکت کند، بدون اینکه تأثیر یا نمود خارجی داشته باشد. این اثر در واقع یک توهم نوری است، اگرچه محققان بر این عقیده‌اند که می‌تواند کاربردهایی مانند حرکت اجسام با نور را داشته باشد.

هنگامی که نور از هوا به آب می‌رود، سرعت آن کاهش می‌یابد و باعث می‌شود جهت آن اندکی تغییر کند. این تغییر جهت را انکسار می‌گویند و زمانی که نور به یک جسم جامد و متراکم‌تر وارد می‌شود، ضریب شکست بالاتر است و بیشتر به سمت خط طبیعی خم می‌شود.

همچنین نور در حالت انکسار دچار خمش می‌شود؛ به این صورت که تغییر سرعت نور به دلیل خروج از یک محیط و ورود به محیط دیگر، منجر به تغییر جهت و انحنای نور می‌شود. مثلا هنگام ورود نور از هوا به آب یا برخورد نور به یک شیشه مات این حالت‌ها رخ می‌دهد.

از تاثیرگذاری‌های مهم نور، تاثیر آن در فضاهای شهری است. برای کسب اطلاعات بیشتر درمورد این تاثیرگذاری مهم نور، به مقاله تاثیر نور در فضاسازی شهری مراجعه کنید.

مسئله خمش نور خیلی وقت است که تشخیص داده شده است. به عنوان مثال، هنگامی که پرتوهای نور از هوا به آب گذر می‌کنند، چرخش شدیدی پیدا می‌کنند. به همین دلیل است که به نظر می‌رسد چوبی که در یک حوض آب فرو رفته است، به سمت بالا متمایل شده است. در خارج از فضا، پرتوهای نوری که از نزدیک اجسام بسیار سنگینی مانند ستاره‌ها عبور می‌کنند، حالتی همچون منحنی دارند. در هر مورد، خمش نور یک علت خارجی دارد؛ برای آب، این خمش را ضریب شکست و برای ستارگان، ماهیت تاب برداشتن گرانش می‌نامند.

با این حال، خم شدن نور به خودی خود مسئله‌ای بی‌سابقه است. در اواخر دهه ۱۹۷۰، فیزیکدان‌هایی از بریتانیا و نیویورک، کشف کردند که شکل موجی به اصطلاح Airy (موجی که نحوه حرکت ذرات کوانتومی را توصیف می‌کند)، می‌تواند گاهی اوقات به میزان اندکی خم شود. با این حال این قضیه تا سال ۲۰۰۷ تا حد زیادی نادیده گرفته شد، یعنی تا زمانی که دانشمندانی از فلوریدا با دستکاری نور لیزر، نسخه‌های نوری امواج هوایی را تولید کردند و دریافتند که پرتوی حاصل شده، هنگام عبور از دتکتور اندکی خمیده می‌شود.

این فرایند خمش خودبه‌خودی چگونه بود؟ نور مجموعه‌ای از امواج است و قله‌ها و فرورفتگی‌های آن‌ها می‌تواند با یکدیگر تداخل و تصادم داشته باشند. برای مثال، هنگامی که قله‌ای با یک فرورفتگی تداخل پیدا می‌کند، یکدیگر را به منظور ایجاد تاریکی خنثی می‌کنند؛ قله‌ای که از قله دیگر عبور می‌کند، «تداخل سازنده» را برای ایجاد یک نقطه روشن فراهم می‌آورد.
حال نور ساطع شده از یک نوار عریض را تصور کنید، مثلا یک لوله فلورسنت یا یک لیزر که خروجی آن منبسط شده است. با کنترل دقیق موقعیت اولیه قله‌های امواج (فاز امواج)، در هر مرحله در طول نوار، می‌توان کاری کرد نوری که به سمت بیرون حرکت می‌کند تنها در نقاطی از یک منحنی، تداخل سازنده ایجاد کند و در جاهای دیگر خنثی شود. تابع Airy که شامل نوسانات سریع، اما در حال کاهش است، راه آسانی برای تعریف فازهای اولیه است؛ البته فارغ از این که نور تنها در حدود 8 درجه خم می‌شود.

یکی از سوال‌هایی که فکر بسیاری از افراد را به خود مشغول می‌کند، این است که چرا نور از خود سایه‌ای ندارد. برای گرفتن پاسخ این سوال می‌توانید مقاله چرا نور سایه ندارد؟ را بخوانید.

در نهایت ما می‌توانیم نتیجه بگیریم که پدیده خمش نور در حالت‌های مختلف مثل برخورد نور به آب، نور در ذرات کوانتوم و نور در اطراف ستارگان رخ می‌دهد. البته تحقیقات راجع به این مسائل و شرح و بسط تحقیقات اولیه هنوز ادامه دارد و دانشمندان هر روز خاصیت‌های جدیدی از نور کشف می‌کنند.

کلام آخر

در این مقاله سعی داشتیم به بررسی علت حرکت نور در خط مستقیم بپردازیم. به همین منظور پس از یک مقدمه، با استفاده از چند تصویر و علم فیزیک علت حرکت مستقیم نور را شرح دادیم. بنابراین در یک نقد دیدیم که نور می‌تواند دچار شکست شود و به عبارتی حرکت نور در خط مستقیم همواره ممکن نیست.

سؤالات متداول:

چرا نور در حالت انکسار دچار خمش می‌شود؟

تغییر سرعت نور به دلیل خروج از یک محیط و ورود به محیط دیگر، منجر به تغییر جهت و انحنای نور می‌شود. مثلا هنگام ورود نور از هوا به آب یا برخورد نور به یک شیشه مات این حالت‌ها رخ می‌دهد.

نور به چه میزان خم می‌شود؟

هنگامی که نور از هوا به آب می‌رود، سرعت آن کاهش می‌یابد و باعث می‌شود جهت آن اندکی تغییر کند. این تغییر جهت را انکسار می‌گویند و زمانی که نور به یک جسم جامد و متراکم‌تر وارد می‌شود، ضریب شکست بالاتر است و بیشتر به سمت خط طبیعی خم می‌شود.

نور از چه چیزی ساخته شده است؟

نور از ذراتی به نام فوتون ساخته شده است؛ گروه‌هایی از میدان الکترومغناطیسی که مقدار خاصی از انرژی را حمل می کنند. با آزمایشاتی که متناسب با کار شما حساس و دقیق هستند، می‌توانید فوتون‌ها را بشمارید یا حتی روی یک فوتون اندازه‌گیری کنید.