اطلاعاتی در باره ی نور

زندگی نامه ی هویگنس:کریستین هویگنس در 14 آوریل سال 1629 میلادی در لاهه هلند متولد و در سال 1695 میلادی و در لاهه در گذشت. سیزده سال پیش از تولد نیوتن «کریستین هویگنس» فیزیکدان بزرگ در هلند به دنیا آمد. او در خانواده هنر و سیاست پرورش یافته بود. به سوی علوم تجربی و ریاضی روی کرد و در سن 22 سالگی مقالاتی در ریاضیات و نجوم نوشت که مورد توجه رنه دکارت فیلسوف فرانسوی قرار گرفت. هویگنس در 34 سالگی به عضویت انجمن سلطنتی انگلیس انتخاب شد و در زمان توقفش در لندن با نیوتن فیزیکدان بزرگ آشنا شد و با او بر روی مسائل علمی به بحث و تبادل نظر پرداخت. جالب است که این دو دانشمند وضع کننده دو نظریه متفاوت مربوط به ماهیت نور هستند. هویگنس با استفاده از کشف گالیله درباره آونگ توانست قوانین آونگ ساده را کشف کند و در سال 1657 ساعت آونگی را اختراع کرد. او در همین زمینه کتابی با عنوان (درباره نوسان ساعتها) نوشت و در سال 1656 تلسکوپی ساخت و با آن به کشف سحابی جبار و مشاهده بزرگترین قمر زحل به نام تیتان موفق هویگنس برای تعیین فاصله ثوابت تا زمین با استفاده از اندازه گیری شدت درخشندگی و میزان روشنایی آنها راهی پیشنهاد کرد ولیکن چون ابزار اندازه گیری دقیق نداشت در این راه به نتایج درستی نرسید. بیشتر شهرت هویگنس مربوط به نظریه ای است که درباره ماهیت نور بیان کرده است. او ماهیت موجی را برای نور پذیرفت و لیکن چون فرضیه ذره ای نیوتن بهتر می توانست پدیده های بازتابش و شکست و سیر مستقیم نور را توضیح دهد. از این رو این نظریه برای مدتها مسکوت ماند تا آنکه آزمایش معروف یانگ و سپس تئوری ماکسول درباره امواج الکترومانیتیک جان تازه ای به نظریه هویگنس داد. هویگنس پس از مدتی فعالیت علمی از انگلیس به فرانسه رفت ولی در آن جا نیز به دلیل فشارهای مذهبی که نسبت به پروتستانها اعمال می شد نتوانست برای مدت زیادی دوام آورد و سرانجام رهسپار وطن خود هلند شد و در حالی که بر روی قضیه «فورس ویو» (نیروی زنده) مطالعه می کرد دارفانی را وداع گفت.

اصل هویگنس:

در نورشناسی اصل هویگنس روشی برای تحلیل انتشار موج است. این اصل می‌گوید هر نقطه از موج پیش‌رونده خودش چشمه‌ای تازه در انتشار موج است. موج نهایی جمع همهٔ این موج ‌های پیش‌رونده است.

اولین گام در خصوص این مساله مقاله‌ای بود که در سال ۱۹۶۰/۱۰۶۹ تحت عنوان رساله در باب نور منتشر شد، که فیزیکدان هلندی به نام کریستیان هویگنس یازده سال پیش از آن تاریخ آن را نوشته بود. آنچه را که او در این مقاله اعلام کرده بود حالا به نام اصل هویگنس معروف است.

هر نقطه روی جبهه موج اولیه همانند یک چشمه امواج کروی ثانویه عمل می‌کند. بطوریکه جبهه موج اولیه در لحظه بعدی پوش این موجکهای ثانویه است. افزون بر این ، این موجکها با این سرعت و فرکانس مساوی با سرعت و فرکانس موج اولیه در هر نقطه از فضا به پیش می‌روند. اگر محیط همگن باشد، این موجکها می‌توانند با شعاعهای متناهی تشکیل شوند. در صورتیکه اگر محیط ناهمگن باشد، موجکها به ناچار شعاعهای بینهایت کوچکی خواهند داشت.

خواص نور:

نخستین مسئله ای مهم جلوه می کرد این بود که نور چیست؟ از آنجاییکه عامل دیدن بود و در تاریکی چیزی دیده نمی شد، سئوال این بود که نور چیست؟ چرا می بینیم و نور چگونه و توسط چه چیرزی تولید می شود؟ بالاخره این نظریه پیروز شد که نور توسط اجسام منیر نظیر خورشید و مشعل تولید می شود. بعد از آن مسئله انعکاس نور مورد توجه قرار گرفت و اینکه چرا برخی از اجسام بهتر از سایر اجسام نور را باز تابش می کنند؟ چرا نور از برخی اجسام عبور می کند و از برخی دیگر عبور نمی کند؟ چرا نور علاوه بر آنکه سبب دیدن است موجب گرم شدن نیز می شود؟ نور چگونه منتقل می شود؟ سرعت آن چقدر است؟ و سرانجام ماهیت نور و نحوه ی انتقال آن چیست؟

نخستین آزمایش مهم نور توسط نیوتن در سال ۱۶۶۶انجام شد. وی یک دسته اشعه نور خورشید را که از شکاف باریکی وارد اتاق تاریکی شده بود، بطور مایل بر وجه یک منشور شیشه ای مثلث القاعده ای تابانید. این دسته هنگام ورود در شیشه منحرف شد و سپس هنگام خروج از وجه دوم منشور باز هم در همان جهت منحرف شد.

نیوتن دسته اشعه خارج شده را بر یک پرده سفید انداخت. وی مشاهده کرد که به جای تشکیل یک لکه سفید نور، دسته اشعه در نوار رنگینی که به ترتیب مرکب از رنگهای سرخ، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش است پراکنده شده است. نوار رنگینی را که از مولفه های نور تشکیل می شود، طیف می نامند.

نیوتن نظر داد که نور از ذرات بسیار ریز دانه ها تشکیل می شود که با سرعت زیاد حرکت می کند. علاوه بر آن به نظر نیوتن نور در محیط غلیظ باسرعت بیشتری حرکت می کند. اگر نظر نیوتن در مورد سرعت نور درست می بود می بایست سرعت نور در شیشه بیشتر از هوا باشد که می دانیم درست نیست.

هویگنس در سال ۱۶۹۰رساله ای در شرح نظریه موجی نور منتشر کرد. طبق اصل هویگنس حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه های نوری به تمام جهات پخش می شود. هویگنس با به کاربردن امواج اصلی و موجک های ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. هویگنس نظر داد که سرعت نور در محیط های شکست دهنده کمتر از سرعت نور در هوا است که درست است.

نظریه موجی نور

نظریه دانه ای نیوتن هرچند بعضی از سئوالات را پاسخ می گفت، اما باز هم پرسش هایی وجود داشت که این نظریه نمی توانست برای آنها جواب قانع کننده ای ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بیشتر منحرف می شوند؟ چرا دو دسته اشعه ی نور می توانند بدون آنکه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟

اما بر اساس نظریه موجی هویگنس، دو دسته اشعه ی نورانی می توانند بدون آنکه مزاحمتی برای هم فراهم کنند از یکدیگر بگرند. هویگنس نمی دانست که نور موج عرضی است یا موچ طولی، و طول موج های نور مرئی را نیز نمی دانست. ولی چون نور در خلاء نیز منتشر می شود، وی مجبور شد محیط یا رسانه حاملی برای این انتشار این امواج در نظر بگیرد. هویگنس تصور می کرد که این امواج توسط اتر منتقل می شوند. به نظر وی اتر محیط و مایع خیلی سبکی است و همه جا، حتی میان ذرات ماده نیز وجود دارد.

نظری هویگنس نیز بطور کامل رضایت بخش نبود، زیرا نمی توانست توضیح دهد که چرا سایه ی واضح تشکیل می شود، یا چرا امواج نور نمی توانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟

نظریه موجی و دانه ای نور بیش از یکصد سال با هم مجادله کردند، اما نظریه دانه ای نیوتن بیشتر مورد قبول واقع شده بود، زیرا از یکطرف منطقی تر به نظر می رسید و از طرف دیگر با نام نیوتن همراه بود. با وجود این هر دو نظریه فاقد شواهد پشتوانه ای قوی بودند. تا آنکه بتدریج دلایلی بر موجی بودن نور ارائه گردید.

لئونارد اویلر فکر امواج دوره ای را تکمیل کرد، همچنین دلیل رنگ های گوناگون را مربوط به تفاوت طول موج آنها دانست. و این گام بلندی بود. در سال ۱۸۰۰ ویلیام هرشل آزمایش بسیار ساده اما جالبی انجام داد. وی یک دسته اشعه ی نور خورشید را از منشور عبور داد و در ماورای انتهای سرخ طیف حاصل دماسنجی نصب کرد. جیوه در دما سنج بالا رفت، بدین ترتیب هرشل تابشی را کشف کرد که به تابش زیر قرمز مشهور شد.

در همین هنگام یوهان ویلهلم ریتر انتهای دیگر طیف را کشف کرد. وی دریافت که نیترات نقره که تحت تاثیر نور آبی یا بنفش به نقره ی فلزی تجزیه و رنگ آن تیره می شود، اگر در ورای طیف، در جاییکه بنفش محو می شود، نیترات نقره قرار گیرد حتی زودتر تجزیه می شود. ریتر نوری را کشف کرد که ما اکنون آن را فوق بنفش می نامیم. بدین ترتیب هرشل و ریتر از مرزهای طیف مرئی گذشتند و در قلمروهای جدید تابش پا نهادند. در این هنگام دلایل جدیدی برای موجی بودن نور توسط یانگ و فرنل ارائه گردید.

در سال ۱۸۰۱توماس یانگ دست به آزمایش بسیار مهمی زد. وی یک دسه اشعه ی باریک نور را از دو سوراخ نزدیک بهم گذارانید و بر پرده ای که در عقب این سوراخ نصب کرده بود تابانید. احتمال می رفت که اگر نور از ذرات تشکیل شده باشند، محل تلاقی دو دسته اشعه ای که از سوراخها عبور کرده اند، بر روی پرده روشن تر از جاهای دیگر باشد. اما نتیجه ای که یانگ به دست آورد چیزی دیگر بود. بر روی پرده یک گروه نوارهای روشن تشکیل شده بود که هر یک به وسیله ی یک نوار تاریک از دیگری جدا می شد. این پدیده به سهولت با نظریه موجی نور توضیح داده شد.

نوار روشن نشان دهنده ی تقویت امواج یکی از دسته ها به وسیله ی امواج دسته ی دیگر است. به گفته ی دیگر، هر جا که دو موج همفاز شوند، بر یکدیگر افزوده می شوند و یکدیگر را تشدید می کنند. از طرف دیگر نوارهای تاریک نشان دهنده ی جاهایی است که امواج در فاز مقابلند، در نتیجه یکدیگر را خنثی می کنند. اگر چه یانگ بارها تاکید کرد که برداشت هایش ریشه در پژوهش های نیوتن دارد، اما به سختی مورد حمله قرار گرفت و نظریات وی خالی از هر گونه ارزش تلقی شد. با این وجود یانگ طول موج های متفاوت نور مرئی را اندازه گرفت.

در سال ۱۸۱۴ ژان فرنل بی خبر از کوششهای یانگ مفاهیم توصیف موجی هویگنس و اصل تداخل را با هم ترکیب کرد و اظهار داشت: ارتعاشات یک موج درخشان را در هر یک از نقاط آن می توان به عنوان مجموع حرکت های بنیادی دانست که به آن نقطه می رسند. بر اثر انتقادهای شدید طرفداران نیوتن، فرنل تاکیدی ریاضی یافت. وی توانست نقش های پراش ناشی از موانع و روزنه های گوناگون را محاسبه کند و به طور رضایت بخشی انتشار مستقیم نور را در محیط های همسانگرد و همگن توضیح دهد. بدینسان انتقاد عمده ی طرفداران نیوتن را نسبت به نظریه موجی بی اثر کند. هنگامیکه فرنل به تقدم یانگ در اصل تداخل پی برد، هرچند اندکی مایوس شد، اما نامه ای به یانگ نوشت و احساس آرامش خود را از هم رای بودن با او ابراز داشت.

قبل از ادامه ی بحث در مورد کارهای فرنل لازم است موج طولی و موج عرضی را تعریف کنیم. در موج طولی جهت انتشار با جهت ارتعاش یکی هستند. نظیر نوسان یک فنر. اما در موج عرضی جهت ارتعاش بر جهت انتشار عمود است، نظیر موج بر سطح آب که نوسان و انتشار عمود بر هم هستند.

فرنل تصور می کرد امواج نور، امواج طولی هستند. اما تصور موج طولی نمی توانست خاصیت قطبش نور را توجیه کند. فرنل و یانگ چندین سال با این مسئله درگیر بودند تا سرانجام یانگ اظهار داشت که ممکن است ارتعاش اتری همانند موجی در یک ریسمان عرضی باشد. ولی امواج عرضی انها در یک محیط مادی منتقل شوند. از طرفی دیگر با توجه به سرعت نور ( که در آنزمان مقدار آن را نمی دانستند ولی می دانستند که فوق العاده زیاد است)، اتر نمی توانست گاز یا مایع باتشد و باید جامد و در عین حال خیلی صلب باشد حتی می بایست صلب تر از فولاد باشد. از این گذشته اتر می بایست در تمام مواد نفوذ کند، یعنی نه تنها در فضا، بلکه باید در بتواند گازها، آب، شیشه و حتی در چشم ها نفوذ کند، زیرا نور وارد چشم نیز می شود. علاوه بر این اتر نبایستی هیچگونه اصطکاکی داشته باشد و مانع بهم خوردن پلک ها گردد. با وجود این با تمام مشکلاتی که اتر داشت برای توجیه موجی بودن نور مورد قبول واقع شد. بدین ترتیب در سال ۱۸۲۵نظریه موجی نور مورد قبول واقع شد و نظریه دانه ای نیوتن طرفداران چندانی نداشت.

محاسبه سرعت نور

اولین کسی که برای محاسبه ی سرعت نور اقدام کرد، گالیله بود. وی به اتفاق همکارش برای اندازه گیری سرعت نور اقدام کردند. روش کار به این طریق بود که همکار گالیله در حالیکه فانوسی در دست داشت بالای تپه ای ایستاده بود و گالیله بالای تپه ای دیگر. هر دو با خود فانوسی داشتند که روی آن را پوشانده بودند. دستیار وی به مجرد آنکه نور گالیله را می دید، با برداشتن پرده از روی فانوس خود به گالیله علامت می داد. گالیله این آزمایش را با فواصل بیشتر و بیشتر تکرار کرد، اما نتوانست اختلاف زمانی بین برداشتن پرده از روی فانوس خود و دستیارش به دست آورد و سرانجام گفت که سرعت نور خیلی زیاد است.

نخستین بار سرعت نور در سال ۱۶۷۶توسط رومر (Romer) با استفاده از ماه گرفتگی محاسبه شد و معلوم گشت که سرعت نور نیز محدود است. عددی را که رومر به دست آورد ۲۱۵هزار کیلومتر بر ثانیه بود. این عدد آنقدر بزرگ بود که معاصران وی آن را باور نمی کردنددر سال ۱۷۲۶برادلی با استفاده از تغییر وضعیت ستارگان نسبت به زمین سرعت نور را محاسبه کرد و عدد سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه را به دست آورد.

نخستین بار فیزیو با ستفاده از روش غیر نجومی و اصلاح روش گالیله سرعت نور اندازه گیری کرد و مقدار آن را سیصد و سیزده هزار کیلومتر بر ثانیه به دست آورد. بتدریج همراه با پیشرفت وسائل اندازه گیری های زیادی انجام شد و امروزه مقدار سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه پذیرفته شده است

/**/ نور و الکترومغناطیس

/**/ همزنان با تلاشهای یانگ و فرنل فارادی، اورستد، آمپر و عده ای دیگر از فیزیکدانان روی پدیده های الکتریکی و مغناطیسی و وابستگی آنها کار می کردند که ظاهراً هیچ ربطی به نور نداشت. اما بعدها مشخص گردید که الکتریسیته و مغناطیس و نور از هم جدا نیستند.

/**/

نیروی الکتریکی

دو جسم که دارای بار الکتریکی باشند بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. کولن تحت تاثیر قانون جهانی گرانش نیوتن مقدار نیرویی را که اجسام باردار بر یکدیگر وارد می کنند به طور ریاضی بیان کرد که طبق آن این مقدار با حاصلضرب بارها متناسب و با مجذور فاصله نسبت عکس دارد.

بین نیروی گرانش و نیروی الکتریکی دو اختلاف وجود دارد:

اول اینکه گرانش همواره جاذبه است. در حالیکه نیروی الکتریکی می تواند جاذبه یا دافعه باشد. دو بار الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می کنند و دو بار الکتریکی غیر همنام یکدیگر را جذب می کنند.

اختلاف دیگر نیروهای الکتریکی و گرانشی در مقدار آنها است. به عنوان مثال نیروی الکتریکی که دو الکترون به یکدیگر وارد می کنند، تقریبا هزار میلیارد میلیار میلیارد برابر نیروی گرانشی است که این دو الکترون برهم وارد می کنند.

کولن پس از ارائه قانون الکتریکی خود، در صدد تهیه قانونی برای نیروی مغناطیسی برآمد. کولن برای نیروی مغناطیسی فرمولی مشابه با نیروی الکتریکی به دست آورد که مورد توجه فیزیکدانان واقع نشد. اما پس از کشف ارتباط متقابل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، مشخص شدکه این دو میدان مستقل از هم نیستند. که آن را نیروی الکترومغناطیسی می نامند. برد این نیرو نیز بینهایت است.

الکترومغناطیس

مبدا علم الکتریسیته به مشاهده معروف تالس ملطی در ۶۰۰سال قبل از میلاد بر میگردد. در آن زمان تالس متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خرده های کاغذ را میرباید. از طرف دیگر مبدا علم مغناطیس به مشاهده این واقعیت برمیگردد که بعضی از سنگها (یعنی سنگهای ماگنتیت) بطور طبیعی آهن را جذب میکند. این دو علم تا سال ۱۱۹۹ ۱۸۲۰به موازات هم تکامل مییافتند.

در سال ۱۱۹۹ ۱۸۲۰هانس کریستان اورستد (۱۷۷۷ ۱۸۵۱) مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیستم میتواند عقربه قطب نمای مغناطیسی را تحت تاثیر قرار دهد. بدین ترتیب الکترومغناطیس به عنوان یک علم مطرح شد. این علم جدید توسط بسیاری از پژوهشگران که مهمترین آنان مایکل فاراده بود تکامل بیشتری یافت.

جیمز کلارک ماکسول قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که امروزه میشناسیم، در آورد. این قوانین که معادلات ماکسول نامیده میشوند، همان نقشی را در الکترومغناطیس دارند که قوانین حرکت و گرانش در مکانیک دارا هستند

در مکانیک کلاسیک و ترمودینامیک تلاش ما بر این است که کوتاهترین وجمع و جورترین معادلات یا قوانین را که یک موضع را تا حد امکان به طور کامل تعریف می کنند معرفی کنیم. در مکانیک به قوانین حرکت نیوتن و قوانین وابسته به آنها ، مانند قانون گرانش نیوتن، و در ترمودینامیک به سه قانون اساسی ترمودینامیک رسیدیم. در مورد الکترومغناطیس ، معادلات ماکسول به عنوان مبنا تعریف می شود. به عبارت دیگر می توان گفت که معادلات ماکسول توصیف کاملی از الکترو مغناطیس به دست می دهد و علاوه برآن اپتیک را به صورت جزء مکمل الکترومغناطیس پایه گذاری می کند. به ویژه این معادلات به ما امکان خواهد داد تا ثابت کنیم که سرعت نور در فضای آزاد طبق رابطه

C=۱/sqr

به کمیتهای صرفا الکتریکی و مغناطیسی مربوط می شود .

یکی از نتایج بسیار مهم معادلات ماکسول ، مفهوم طیف الکترومغناطیسی است که حاصل کشف تجربی موج رادیویی است. قسمت عمده فیزیک امواج الکترومغناطیسی را از چشمه های ماورای زمین دریافت می کنیم و در واقع همه آگاهی هایی که درباره جهان داریم از این طریق به ما می رسد. بدیهی است که فیزیک امواج الکترو مغناطیسی خارج از زمین در گسترده نور مرئی از آغاز خلقت بشر مشاهده شده اند.

▪ فیزیک امواج الکترو مغناطیسی یک رده از فیزیک امواج است که دارای مشخصات زیر است.

ـ امواج الکترو مغتاطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، یا طول موج با هم تفاوت دارند .

ـ در طیف فیزیک امواج الکترو مغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را می توانیم تولید کنیم.

ـ برای مقیاس های بسامد یا طول موج ، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده ای وجود ندارد.

ـ قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرازمینی هستند.

ـ فیزیک امواج الکترومغناطیسی جزو امواج عرضی هستند.

فیزیک امواج الکترومغناطیسی از طولانی ترین موج رادیویی ، با طول موج های معادل چندین کیلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج رادیویی متوسط و کوتاه تا نواحی کهموج ، فروسرخ و مرئی امتداد می یابد. بعد از ناحیه مرئی فرابنفش قرار دارد که خود منتهی به نواحی اشعه ایکس ، اشعه گاما و پرتوی کیهانی می شود.

یکاهای معروف فیزیک امواج الکترومغناطیسی

طول موج لاندا بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنین میکرون یا میکرومتر ، واحد آنگستروم نشان داده می شود. این واحد اکنون دقیقا معادل ۱۰ ^ ۱۰متر تعریف شده است.

ناحیه مرئی یا نور مرئی ( ۴۰۰۰ ۷۵۰۰آنگستروم ) توسط نواحی فروسرخ از طرف طول موج های بلند ، فرابنفش از طرف طول موج های کوتاه ، محصور شده است. معمولا این نواحی به قسمت های فروسرخ و فرابنفش دور و نزدیک ، با محدوده هایی به ترتیب در حدود ۳۰میکرومتر و ۲۰۰۰آنگستروم تقسیم می شوند که نواحی مزبور دارای شفافیت نوری برای موادی شفاف از جمله منشورها و عدسی ها می باشند .

طبیعت نور

حساسیت اندام های دیداری به نور بسیار زیاد است. بنابر تازه ترین اندازه گیریها ، برای احساس نور کافی است که حدود انرژی تابشی در هر ثانیه و تحت شرایط مناسب بر چشم بتابد. به عبارت دیگر ، توان کافی برای تحریک نوری قابل احساس مساوی است.

چشم انسان از جمله حساسترین وسایلی است که می تواند وجود نور را درک کند. اثر نور بر چشم در فرایند شیمیایی معینی خلاصه می شود. که در لایه حساس چشم پدید می آید و باعث تحریک عصب بینایی و مرکزهای مربوط در مغز قدامی می شود. اثر شیمیایی نور مشابه با کش روی ای حساس چشم انسان را می توان در محور تدریجی رنگها در نور مشاهده کرد .

با استفاده از این وسایل خاص می توان پدید آمدن جریان الکتریکی بر اثر نور را به سهولت آشکار کرد. اگر بام یک خانه کوچک را بتوان با ماده ای که در فتوسلها بکار می رود پوشاند، می توان در یک روز آفتابی به کمک انرژی نوری جریان الکتریکی با توان چند کیلووات بهت آورد. سرانجام باید متمرکز شد که اثر مکانیک نور را نیز می توان مشاهده کرد. این اثر در فشار نور بر سطح بازتاب دهنده یا جذب کننده نور آشکار می شود.

اگر جسم را به شکل پره های متحرکی بسازیم، چرخش چنین پره هایی بر اثر نور تابشی را می توان دید. این آزمایش جالب توجه اولین بار در ۱۹۰۰توسط بروف در مسکو انجام شده است. محاسبه ها نشان می دهد که تابش پرتوهای خورشیدی بر آینه ها اثر می کند.

معادلات الکترومغناطیس ماکسول و آغاز بحران فیزیک نیوتنی

ماکسول تمام دانش تجربی آن روزگار را در مجموعه واحدی از معادلات ریاضی به طور بارزی خلاصه کرد و جهان علم را شدیداً تحت تاثیر قرار داد. چنانکه همگان به تحسین وی پرداختند. لودویک بولتزمن از قول گوته می نویسد که آیا خدا بود که این سطور را نوشت.

وی به شیوه ای صرفاً نظری نشان داد که میدان مغناطیسی می تواند همانند موجی عرضی در اتر نور رسان انتشار یابد. پذیرش موجی نور به همان اندازه پذیرش یک زمینه ی فراگیر یعنی اتر نور رسان را ایجاب می کرد. ماکسول در این مورد می گوید.

اترها را ابداع کردند تا سیارات در آنها شناور باشند، جوهای الکتریکی و شارهای مغناطیسی را تشکیل دهند، احساس ها را از یک پاره ی پیکر ما به پاره ی دیگر منتقل کنند. ولی آخر، تا آنجا که تمامی فضا سه یا چهار بار از اترها پر شده است... تنها اتری که باقیمانده است، همان است که توسط هویگنس برای توضیح انتشار نور ابداع شده است.

بنابراین سرعت ثابت امواج الکترمغناطیسی بایستی نسبت به یک دستگاه مقایسه می شد، و این دستگاه همان دستگاه اتر بود. یعنی اتر ساکن مطلق فرض می شد و تمام اجسام نسبت به آن در حرکت بودند و سرعت امواج الکترومغناطیسی و در حالت خاص سرعت نور نسبت به اتر ثابت بود. این نظریه در حالی شکل گرفت که نسبیت گالیله ای نیز معتبر و بی نقص تصور می شد. بنابراین اگر سرعت نور نسبت به یک دستگاه لخت c باشد و دستگاه با سرعت v نسبت به اتر در حرکت باشد، در آنصورت سرعت نور نسبت به اتر w برابر خواهد شد با w=c+v چنانچه نور در جهت مخالف دستگاه حرکت کند، آنگاه خواهیم داشت w=c v نتیجه اینکه در اواخر قرن نوزدهم میلادی فیزیک نظری بر سه بنیاد زیر مبتنی بود.

۱معادلات نیوتن

۲نسبیت گالیله ای

۳معادلات ماکسول

بر این اساس ماکسول به فکر محاسبه سرعت حرکت منظومه ی شمسی نسبت به اتر افتاد. وی در سال ۱۸۷۹طی نامه ای که برای تاد در آمریکا نوشت، طرحی را برای اندازه گیری سرعت حرکت منظومه ی شمسی نسبت به اتر پیشنهاد کرد. یک آمریکایی به نام مایکلسون این طرح را دنبال کرد و برای انجام آزمایش تداخل سنجی نیز ساخت و در سال ۱۸۸۰آزمایش کرد.

آزمایش مایکلسون

آزمایش مایلکسون بر اساس نسبیت گالیله شکل گرفت. در نسبیت گالیله ای همه ی اجسام نسبت به اتر که ساکن فرض شده بود حرکت می کردند. بنابراین اگر جسمی مثلاً زمین نسبت به اتر با سرعت V۱در حرکت بود و جسم دیگری مثلاً یک راکت نسبت به زمین با سرعت V۲حرکت می کرد، انگاه سرعت راکت نسبت به اتر از رابطه ی زیر به دست می آمد:

V=v۱+V۲

سئوال مایکلسون این بود که اگر دو شعاع نورانی یکی عمود بر جهت حرکت زمین و دیگری همجهت با آن به دو آینه که در فاصله مساوی از منبع نور قرار دارند بفرستیم، کدامیک زودتر بر می گردد؟ طبق محاسبات مایکلسون که در ادامه خواهد آمد و با استفاده از نسبیت گالیله ای و مطلق بودن زمان و با توجه به جمع برداری سرعت ها، زمان رفت و برگشت دو شعاع نورانی قابل محاسبه و با توجه به آن می توان سرعت مطلق زمین را نسبت به اتر محاسبه کرد.

با توجه به شکل آزمایش مایکلسون، یک پرتو نوری (مایکلسون از نور خورسید استفاده کرد) به آینه میانی دستگاه برخورد می کند. آینه نیمه اندود است قسمتی از نور را عبور می دهد و بخشی از آن را با توجه به زاویه ای که با نور ورودی تشکیل داده تحت زاویه ۴۵درجه منعکس می کند.

پرتو عبوری در رفت و بازگست بازوی تداخل سنج را طی می کند که با توجه به اینکه در رفت و بازگشت به ترتیب سرعت های زیر خواهد داشت:

c+v and c v

که در آن c , v به ترتیب سرعت نور نسبت به زمین و سرعت زمین نسبت به اتر است. بنابراین زمان رفت و برگشت پرتو موازی با حرکت زمین برابر خواهد شد با

T۱=(L/c+v)+(L/c v)=۲Lc/c۲ v۲

که در آن L طول بازوی تداخل سنج است.

اما پرتوی که عمود بر جهت حرکت منعکس می شود، قبل از آنکه به منعکس کننده برسد، منعکس کننده قدری جابجا شده و که در این حالت کقدار جابجایی آن با بازوی تداخل سنج و مسیر نور یک مثلث قائم الزاویه تشکیل می دهد. که می توان نشان داد زمان رفت و برگشت تور در جهت عمود بر جهت حرکت رمین برابر است با:

T۲=۲L/(c۲ v۲)۱/۲

با تقسیم طرفین روابط بالا بر یکدیگر و پس از ساده کردن خواهیم داشت:

T۲=T۱/(۱ v۲/c۲)۱/۲

در این رابطه سرعت نور مشخص است و زمانها با آزمایش قابل محاسبه هستند و تنها مجهول آن v یعنی سرعت زمین نسبت به اتر مجهول بود که طبق پیش بینی مایکلسون بسادگی قابل محاسبه بود.

مایکلسون برای آنکه طول بازوی تداخل سنج هم موجب بروز اشکال نشود با چرخندان آن به اندازه ۹۰درجه تنها یک طول مورد استفاده قرار گرفت، با این وجود نتیجه ی آزمایش منفی بود. بارها و بارها این آزمایش و حتی با در سال ۱۹۸۷به کمک مورلی تکرار شد، بازهم نتیجه منفی بود و دو زمان اندازه گیری شده با هم برابر بود. یعنی آزمایش نشان داد که زمین نسبت به اتر ساکن است.

/**/ بحران فیزیک کلاسیک

آنچه از این آزمایش به دست آمد بسیار گیج و ناراحت کننده بود. اولین فکری که قوت گرفت این بود که باید اشکال از معادلات ماکسول باشد که تنها بیست سال از عمر آن می گذشت. یعنی باید آنها را طوری تغییر داد تا با نسبیت گالیله ای سازگار باشد. اما آزمایش فیزو و سایر نتایج حاصل از حرکت نور و امواج الکترومغناطیسی آنها را تایید می کرد.

مورد بعدی اشکال را به مکانیک نیوتنی وارد کردند، اما مکانیک نیوتنی هم در جهان معمولی پا برجا و با تجربه سازگار بود. هر تلاشی که برای توجیه علت شکست نتیجه ی آزمایش مایکلسون انجام می دادند، با شکست رو به رو می شد. در این میان دو نظریه از بقیه حالب تر به نظر می رسید.

یکی کشش اتری که به موجب آن جارجوب اتر بطور موضعی به کلیه ی اجسام با جرم محدود متصل است. این نظریه هیچ اصلاحی را در قوانین نیوتن، نسبیت گالیله ای و معادلات ماکسول لازم نمی دانست. اما این نظری با کجراهی نور ستارگان ناسازگار بود.

نظریه دوم نظریه گسیلی بود که طبق آن معادله های ماکسول را باید طوری اصلاح می کردند که سرعت نور با سرعت چشمه ی صادر کننده بستگی داشته باشد. این نظریه نیز با نور واصل از ستارگان دوتایی ناسازگار بود

سرانجام در سال ۱۸۹۳فیتز جرالد نظریه ی عجیبی ارائه داد. طبق نظر فیتز جرالد، تمام اجسام در جهت حرکت خود نسبت به اتر منقبض می شوند و عامل انقباض برابر است با:

۱/sq۱ (v۲/c۲)^۲

این نظریه هرچند عجیب و ساختگی به نظ می رسید، اما جون فرضیه اتر را می پذیرفت و معادلات الکترومغناطیس ماکسول را تغییر نمی داد و در عین حال اصول مکانیک بهمان شکل قبلی باقی می گذاشت و نتیجه ی آزمایش را نیز توجیه می کرد، بیشتر مورد قبول بود.

متعاقب آن لورنتس تبدیلات خود را که به تبدیلات لورنتس معروف است ارائه کرد :

Lorentz Transformation

در همان دوران که لورنتس روی اشعه ی کاتدی کار می کرد، این انقباض را بوسیله ی نظریه الکترونی خود توضیح داد. وی نظر داد که جرم ذره ای باردار که بر اثر حرکت در حجم کوچکتری متمرکز می شود، اضافه خواهد شد. و بدین تریب نظریه تغییرات جرم نیز برای اولین بار در فیزیک مطرح شد.

تمام این کوششها برای حفظ دستگاه مرجع مطلق اتر انجام شد، اما دیگر این موجود ناسازگاری خود را با مشاهدات تجربی نشان داده بود. پوانکاره نخستین کسی بود که اظهار داشت آین اتر ما واقعاً وجود دارد؟ من اعتقاد ندارم که مشاهدات دقیقتر ما هرگز بتواند چیزی بیشتر از جابجایی های نسبی را آشکار کند.

بدین ترتیب فیزیک نظری در آغاز قرن بیستم با بزرگترین بحران دوران خود رو به رو بود .

اطلاعاتی در باره ی نور

مطالب مشابه :

تراوین با سرعت بینهایت

هک تراوین اسپید

رمز بازی کنستانستین

بخش 6 علوم نور و بازتابش

رمز های کانتر 1.6 + آموزش

اطلاعاتی در باره ی نور

تاریخچه ..شرکت D&G

کار با مولتی متر