سرعت نور چقدر است؟

ماهیت نور چیست و چرا سرعت آن در محیط های مختلف متفاوت است؟ ما در این مقاله به این سوالات پاسخ داده ایم.

به گزارش دیجیاتو، در این مقاله به بررسی سرعت نور در رسانه های مختلف می پردازیم. قبل از آن لازم است با ماهیت نور آشنا شوید.

ماهیت نور چیست؟

راه های زیادی برای تعریف نور وجود دارد. در ساده ترین تعریف می توان گفت که نور بخشی از تابش الکترومغناطیسی است. تابش الکترومغناطیسی شامل طیفی از طول موج های مختلف – از رادیو تا گاما – است و نور مرئی به عنوان بخشی از تابش الکترومغناطیسی با طول موج بین 380 تا 750 نانومتر که برای چشم ما قابل مشاهده است، تعریف می شود.

هنگامی که نور بین دو مکان حرکت می کند، انرژی بین آن دو نقطه جریان دارد. این انرژی به صورت یک الگوی ارتعاشی از امواج الکتریکی و مغناطیسی به نام امواج الکترومغناطیسی منتقل می شود. این امواج الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم هستند و با سرعت نور منتشر می شوند.

نور چگونه تولید می شود؟

مهم نیست که نور از چه منبعی ساطع می شود، اگر وارد حوزه فیزیک کوانتومی شویم، متوجه می شویم که نور زمانی تولید می شود که الکترون های موجود در اتم ها و مولکول ها انرژی آزاد کنند. هنگامی که الکترون های یک جسم انرژی می گیرند، به سطوح انرژی بالاتر می پرند و پس از بازگشت به حالت اولیه، انرژی آزاد می کنند. این انرژی با گسیل “فوتون”، ذرات ریز انرژی نور آزاد می شود.

نور با روش‌های مختلفی تولید می‌شود، از جمله همجوشی هسته‌ای (مانند ستارگان)، گرم کردن جسم تا دمای بالا (مانند لامپ رشته‌ای)، تحریک الکتریکی الکترون‌های جسم با اعمال ولتاژ (مانند چراغ قوه)، تحریک نوری. (مانند لیزر) و دیگران.

نور موج است یا ذره؟

معمولا درک ما از واقعیت مبتنی بر تجربیات روزمره است. در طول سلطنت فیزیک کلاسیک و قبل از ظهور کوانتوم، نور همیشه از ذرات ریز تشکیل شده است. در واقع اولین کسی که چنین دیدگاهی را مطرح کرد «ایزاک نیوتن» بود. نظریه ذرات نور توسط نیوتن در سال 1704 ارائه شد. این نظریه بر این اساس استوار است که نور از ذراتی به نام “جسم” تشکیل شده است که جرم ناچیزی دارند، کاملاً کشسان هستند، همیشه در یک خط مستقیم منتشر می شوند، دارای انرژی جنبشی هستند. سرعت بسیار بالا و منابع نور مانند شمع و خورشید پراکنده می شوند. نیوتن فرض کرد که ذرات کوچک نور می توانند اندازه های متفاوتی داشته باشند و همین اندازه های مختلف بودند که رنگ های متفاوتی را تولید می کردند.

همانطور که همیشه در کتاب های درسی تاکید شده است، برخی از توصیفات نیوتن از نور با واقعیت مطابقت دارد. به عنوان مثال، پدیده های بازتاب نور و شکست نور را می توان به راحتی با این نظریه درک کرد و روابط ریاضی آنها به سادگی با این فرض که نور در یک خط مستقیم منتشر می شود، فرمول بندی می شود.

به طور کلی، اگرچه بیشتر توصیفات نیوتن از نور نادرست نبودند، اما بعدها پدیده هایی مشاهده شد که توسط نظریه ذرات نور قابل توصیف نبود. در سال 1678، فیزیکدان هلندی “هویگنس” نظریه موج نور را ایجاد کرد و آن را اصل هویگنس نامید.

به نظر می رسید که پس از سال ها پیش داوری دانشمندان در مورد نظریه نیوتن، نظریه ذرات نور در حال شکست است. تا اینکه آگوستین ژان فرنل، فیزیکدان فرانسوی، دو منشور نازک را روی هم قرار داد و نور را از یک شکاف بسیار کوچک عبور داد. نقش نوارهای تاریک و روشن را نمی توان با توصیف دیگری جز خاصیت موجی نور توضیح داد. فرنل این پدیده را به صورت ریاضی ثابت کرد. علاوه بر این، در سال 1815 او موفق شد با همین نظریه قوانین شکست نور را تدوین کند. دو سال بعد، در سال 1817، فیزیکدان انگلیسی دیگری به نام «توماس یانگ» طول موج نور را با استفاده از مدل تداخل امواج محاسبه کرد. بنابراین، برای مدت طولانی به نظر می رسید که نظریه ذرات نور منسوخ شده و نظریه موج نور جایگزین شده است.

بین سال‌های 1861 تا 1864، فیزیکدان اسکاتلندی، جیمز کلارک ماکسول، روابط ریاضی میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی را گرد هم آورد و وجود امواج الکترومغناطیسی را پیش‌بینی کرد. پس از این وحدت تاریخی در فیزیک، توصیف نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی در مرکز توجه قرار گرفت.

فیزیک مدرن: نور دارای خواص ذره مانند است

نظریه ذرات نور در قرن نوزدهم تقریباً فراموش شد و همه پدیده ها را می توان با توصیف موجی نور توضیح داد. تا اینکه اینشتین با توصیف “اثر فوتوالکتریک” کوانتومی، نظریه ذرات نور را احیا کرد. تفسیر انیشتین از پدیده فوتوالکتریک، جایزه نوبل را در سال 1921 به ارمغان آورد.

پاسخ علم: نور هم موج است و هم ذره!

اکنون دو نوع پدیده وجود دارد: با آزمایش های مختلف مشخص شد که نور همیشه به شکل موج نیست و همیشه به صورت ذرات نیست، اما تحت برخی شرایط (مشاهده زیر میکروسکوپ) ویژگی های موجی از خود نشان می دهد. تحت شرایط دیگر (مشاهده در یک ماکروسکوپی) دارای خواص ذرات است. بنابراین در جامعه علمی پذیرفته شده است که نور هم ذره است و هم موج. این خاصیت نور به «دوگانگی موج-ذره» معروف است و باید به عنوان یک واقعیت علمی پذیرفته شود.

سرعت نور چقدر است؟

امپدوکلس آکراگاس، که در حدود 450 سال قبل از میلاد می زیست، یکی از اولین فیلسوفانی بود که پیشنهاد کرد نور با سرعت محدودی حرکت می کند. تقریباً هزار سال بعد، در حدود سال 525 پس از میلاد، دانشمند و ریاضیدان رومی، Anicius Boethius تلاش کرد تا سرعت نور را ثبت کند، اما پس از متهم شدن به خیانت و جادوگری، به دلیل تلاش های علمی خود سر بریده شد.

در سال 1676، اندکی پس از اختراع تلسکوپ، اوله رومر، ستاره شناس دانمارکی، اولین دانشمندی بود که به طور جدی برای تخمین سرعت نور تلاش کرد. رومر با مطالعه ماه مشتری Io و خسوف های مکرر آن توانست فراوانی دوره خسوف را برای آن پیش بینی کند. او این اندازه‌گیری را بارها در طول چندین سال انجام داد و به این نتیجه رسید که زمان خسوف مشتری ثابت نیست. در واقع با نزدیک شدن زمین به مشتری، کسوف 11 دقیقه زودتر رخ داد. با این حال، زمانی که این دو سیاره از هم دورتر بودند، کسوف 11 دقیقه بعد آغاز شد.

رومر با کشف این الگو، پیش بینی دقیقی از کسوف بعدی ماه آیو می کند. او محاسبه کرد که نور برای طی مسافتی برابر با قطر مدار زمین (300 میلیون کیلومتر) به 22 دقیقه نیاز دارد. معادل 220000 کیلومتر بر ثانیه در واحدهای فعلی. این عدد نسبت به مقدار واقعی حدود 26 درصد خطا دارد که احتمالاً به دلیل اشتباه در محاسبه فاصله مشتری از زمین است.

شخص بعدی که تخمین مفیدی از سرعت نور ارائه کرد، فیزیکدان بریتانیایی جیمز بردلی بود. در سال 1728، یک سال پس از مرگ نیوتن، بردلی سرعت نور در خلاء را با استفاده از انحرافات ستاره ای تقریباً 301000 کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد. این پدیده ها با تغییر قابل مشاهده موقعیت ستارگان در اثر حرکت زمین به دور خورشید آشکار می شوند. درجه انحراف ستاره را می توان از نسبت سرعت مداری زمین به سرعت نور تعیین کرد. بردلی با اندازه گیری زاویه انحراف ستاره ها و اعمال آن داده ها بر روی سرعت مداری زمین، توانست تخمین بسیار دقیقی داشته باشد.

آلبرت مایکلسون، فیزیکدان آمریکایی-لهستانی، پس از آزمایشات قبلی، تلاش کرد تا دقت این روش را افزایش دهد و در سال 1878 سرعت نور را با موفقیت اندازه گیری کرد. مایکلسون با استفاده از لنزها و آینه های باکیفیت، نتیجه نهایی را 299909 کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد. مایکلسون به خاطر این کشف در سال 1907 برنده جایزه نوبل فیزیک شد.

نظریه نسبیت خاص اینشتین

اینشتین در سال 1905 نظریه نسبیت خاص و سپس نظریه نسبیت عام را منتشر کرد. نظریه اول مربوط به حرکت اجسام با سرعت ثابت نسبت به یکدیگر است و نظریه دوم بر شتاب و رابطه آن با گرانش تمرکز دارد.

انیشتین ثابت کرد که سرعت نور ثابت و برابر با 299792458 متر بر ثانیه است. او این مقدار را به عنوان یک ثابت فیزیکی معروف به سرعت نور در خلاء معرفی کرد.

آیا سرعت نور ثابت است؟

در پاسخ به این سوال باید بگوییم همانطور که گفتیم سرعت نور در خلاء ثابت است. با این حال، نور هنگامی که از یک محیط مادی مانند آب (225000 کیلومتر بر ثانیه) یا شیشه (200000 کیلومتر بر ثانیه) عبور می کند کند می شود.

چرا سرعت نور پس از عبور از ماده کاهش می یابد؟

به دلیل ساختار اتمی و مولکولی ماده، سرعت نور در آن کاهش می یابد. در بسیاری از مواد، الکترون‌های موجود در ذرات ماده با گسیل نور شروع به ارتعاش می‌کنند و انرژی نور را جذب یا پراکنده می‌کنند. این فرآیند باعث کاهش سرعت نور در ماده می شود. همچنین در موادی با چگالی بیشتر که در واحد حجم ذرات باردار بیشتری وجود دارد، ضربه و پراکندگی نور افزایش یافته و سرعت نور کاهش می یابد.

سرعت نور در خلاء

سرعت نور در خلاء دقیقاً 299792458 متر بر ثانیه یا 299792458 کیلومتر در ثانیه است. ثابت جهانی شناخته شده در معادلات با پارامتر c. در محاسبات ساده، سرعت نور معمولاً تقریباً 108 x 3 m/s یا 3 x 105 km/s در نظر گرفته می شود.

سرعت نور در محیط های مختلف

برای محاسبه سرعت نور در یک محیط، باید ضریب شکست آن محیط را بدانیم. وقتی نور از یک محیط به رسانه دیگر می رسد، مسیر آن تغییر می کند. این پدیده به شکست نور معروف است و مقدار آن به ضریب شکست دو محیط بستگی دارد. ضریب شکست آب 1.33 است. با محاسبه به این نتیجه می رسیم که سرعت نور در آب برابر با 105×2.25 کیلومتر بر ثانیه است.

سرعت نور نیز در هوا تغییر می کند. محاسبات نشان می دهد که سرعت نور در هوا برابر با 105×2.99910 کیلومتر بر ثانیه است.

نتیجه

برای دیدن محیط اطراف خود به نور نیاز داریم. نور اجسام مختلف را روشن می کند و پس از انعکاس در چشم ما می توانیم آن جسم را ببینیم. نور مرئی بخشی از تابش الکترومغناطیسی است که طول موج های 380 تا 750 نانومتر را شامل می شود.

از زمان نیوتن تا قرن بیستم، ماهیت نور همیشه مورد بررسی قرار گرفته است. در دوره های مختلف، دانشمندان نظریه های مختلفی در این زمینه ارائه کرده اند. در ابتدا دو نظریه نور را «ذرات» و «امواج» در نظر گرفتند و از هر کدام برای توضیح برخی از پدیده‌های فیزیکی استفاده کردند، اما دانشمندان در نهایت به این نتیجه رسیدند که اگر نور را در سطح ماکروسکوپی مشاهده (اندازه‌گیری) کنیم. خواص ذرات و اگر در اندازه گیری شود ببینیم سطح میکروسکوپی دارای خاصیت موج است. به همین دلیل جامعه علمی می پذیرد که نور همزمان هم موج و هم ذره است.

تلاش های زیادی برای محاسبه سرعت نور انجام شده است. در نهایت، با معرفی نسبیت خاص، سرعت نور در خلاء ثابت و برابر با 108 x 3 m/s به عنوان یک قانون علمی پذیرفته شد. نحوه تعامل نور با ماده، فصل جدیدی از سوالات علمی را باز کرد که همیشه به پیشرفت تجهیزات نوری و صنعت کمک کرده است. ساخت سلول های خورشیدی، دوربین ها، مطالعه دنیای دور با تلسکوپ، فیبر نوری، مطالعه دنیای میکروسکوپی با میکروسکوپ نوری، توسعه لیزر و بسیاری موارد دیگر نتیجه شناخت نور و درک تعامل آن با مواد مختلف است. .