مقدمه
نور و مسائل مربوط به آن همواره یکی از مباحث مهم و مورد توجه فیزیکدانان بوده و هست. نحستین تلاش های علمی در این زمینه از زمان گالیله آغاز شد. 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 1676 توسط 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 215 هزار کیلومتر بر ثانیه بود. این عدد آنقدر بزرگ بود که معاصران وی آن را باور نمی کردند در سال 1726 برادلی 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 را اندازه گیری کرد و مقدار آن را سیصد و سیزده هزار کیلومتر بر ثانیه به دست آورد. تمام این نتایج به صورت تجربی به دست آمده بود و از پشتوانه ی نظری بی نصیب بود و استناد به این اندازه گیری نمی توانست به یک نتیجه ی جهان شمول برسد. به عنوان نمونه آیا اندازه ی سرعت های به دست آمده زمینی و سماوی باید یکسان باشد یا خیر؟
در دهه ی 1860 کلارک ماکسول با استفاده از قوانین الکترومغناطیس که خود معادلات آن را نوشته بود دیدگاهی کلی و جهان شمول در مورد سرعت امواج الکترومغناطیسی که نور بخش کوچکی از آن بود، ارائه کرد.
امواج الکترومغناطیسی
امواج الکترومغناطیسی که بطور نظری در سال 1864 توسط معادلات کلارک ماکسول پیشگویی شد، نشان داد که سرعت انتشار این امواج در خلاء از رابطه ی زیر به دست می آید:
همچنانکه رابطه ی بالا نشان می دهد، سرعت نور (امواج الکترومغناطیسی) در خلاء ثابت است. اما 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
بر این اساس ماکسول به فکر محاسبه سرعت حرکت منظومه ی شمسی نسبت به اتر افتاد. وی در سال 1879 طی 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 1880 آزمایش کرد.
آنچه ازآزمایش مایکلسون 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.
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.
در این اثنا انیشتین نظریه ی انقلابی نسبیت را ارائه کرد. مسئله نسبی بودن سرعت ، از نظر انیشتین ، تا جاییکه به اعتبار اصل نسبیت مربوط می شد به اتر و حرکت سوقی ربطی نداشت. طبق اصل نسبیت : قوانین طبیعت در تمام چارچوب های مرجع لخت یکسان اند. انیشتین پس از مطرح کردن اصل نسبیت ، به دو اصل موضوع بنیادی زیر پرداخت:
1- قوانین فیزیکی در تمام دستگاه های لخت یکسان است.
2 - سرعت نور در خلاء ، در هر چارچوب لختی که اندازه گیری می شود با صرفه نظر از حرکت منبع نور ، معادل c است.
اصل موضوعی دوم انیشتین ، در واقع اندیشه مکانیکی نیوتنی و سینماتیکی گالیله ای را رد می کند . طبق اصول سینماتیک ، اگر دو جسم متحرک با سرعت ثابت ، در حال حرکت به سمت یکدیگر باشند ، سرعت هر یک از آن ها در نقطه بر خورد ، برابر با مجموع سرعتشان است.
اما درنسبیت انیشتین اینگونه نیست . اگر در نقطه ای نوری را گسیل کنیم ، ناظر ساکن و ناظر متحرک که با سرعت v در حال حرکت به سمت منبع است ، سرعت نور را c محاسبه می کنند.
نسبیت علاوه بر آنکه بخوبی توانست علت شکست نتیجه ی آزمایش مایکلسون را توجیه کند، از تمام آزمایش های مربوط به آن نیز با موفقیت بیرون آمد. علاوه بر آن به نتایج گرانقدری رسید که همه ی اندیشه بشریت را تحت ناثیر قرار داد.
همجنانکه که در بالا بیان شد، ثابت بودن سرعت نور به عنوان یک اصل موضوع مطرح شده است. اصول موضوع در هر زمینه ی علمی دارای این ویژگی هستند که اعتبار خود را تا زمانیکه با مورد نقض رو به رو نشده اند، حفظ می کنند و به محض مواجه با یک تناقض از اعتبار ساقط می شوند. ار آن جاییکه فیزیک یک دانش تجربی است، الزاماً بایستی ابطال اصولش نیز بر پایه تجربه باشد.
علاوه بر مشاهدات تجربی که می تواند اصول موضوعی را به چالش بکشد، سازگاری این اصول با سایر نظریه هایی که قادر به توجیه پدیده های فیزیکی هستند نیز از اهمیت خاصی برخور دار است. تجارب کیهانی دهه ی 1970 به بعد اصل ثابت بودن سرعت نور را با مشکل جدی مواجه ساخته است که در زیر به برخی از آنها اشاره می شود.
سرعت نور ثابت نیست
تئوری جدیدی که دانشمندان استرالیایی مطرح کرده‌اند و سرعت نور را ثابت نمی‌دانند مهمترین تئوری فیزیک نوین یعنی نسبیت انیشتین را از اریکه قدرت به پایین می‌‌کشد.
تیم فیزیکدانان دانشگاه مک کواری سیدنی در استرالیا به ریاست پال دیویز Paul Davies احتمال آن که سرعت نور طی میلیاردها سال کندتر شده باشد را مطرح ساخته‌اند. در این صورت فیزیکدانان باید در مورد بسیار از فرضیه‌ها و تئوریهای پایه بویژه در مورد قوانین حاکم بر عالم تجدید نظر کنند. دیویز در مصاحبه با رویتر گفت: «معنی این تئوری جدید آن است که باید از خیر تئوری نسبیت و فرمول E=mc2 و این جور چیزها بگذریم البته نه به این معنی که کتابها را در این مورد دور بیندازیم؛ همیشه تحولات علمی تئوریهای قدیمی‌تر را در خود هضم می‌‌کند».
نتایج تحقیقات این تیم در مجله نیچر Nature به چاپ رسیده است. جان وب اختر شناس دانشگاه نیوساوث ویلز با ارائه تئوری خود براساس شواهدی که به دست آمده است ادعا می‌‌کند که سرعت نور می‌‌تواند ثابت نباشد، که این موضوع معمای لاینحلی را پیش روی فیزیکدانان و اخترشناسان قرار داده است. براساس یافته‌های وب، نوری که از کوثر- Quasar شی‌ء شبیه به ستاره در آسمان - در طی دوازده میلیارد سال سفر خود تا رسیدن به زمین فوتونهایی از سحابی بین ستاره‌ای دریافت کرده است که با فوتونهایی که تاکنون می‌‌شناختیم تفاوت دارد.
دیویز در توضیح یافته‌های وب می‌‌گوید: مشاهدات وب به معنی آن است که ساختار اتمهایی که از نور کوثر ساطع می‌‌شود تفاوت بسیار جزیی اما با اهمیت ساختار اتمهای انسان دارد. دلیل این تفاوت فقط می‌‌تواند از دو چیز ناشی شود: یا بخاطر سرعت نور و یا بخاطر تخلیه الکترونی (Electron Charge).
از سویی دو قانون در قوانین فیزیک کیهانی مطرح است که سالهاست مورد پرسش قرار گرفته است. براساس این دو قانون نه تخلیه الکترونی و نه سرعت نور قابل تغییر نیستند. اما باید برای مشاهدات وب توضیحی داد: یا این مشاهدات اشتباه است و یا یکی از دو قانون ثبات سرعت نور و یا تخلیه الکترونی قابل تکیه نیست. تیم دیویز بنا را براین گذاشتند که مشاهدات وب درست بوده و یکی از این دو قانون ممکن است آنطور که تصور می‌‌شد غیرقابل تغییر نباشد.
به این ترتیب این تیم به مطالعه سیاه چاله‌ها روی آوردند. سیاه چاله‌ها توده‌های عظیم و اسرارآمیزی هستند که ماده را می‌‌بلعند و حتی نور نیز از چنگال این مکنده در امان نیست. اگر قرار باشد به قانون دوم ترمودینامیک- که خود یک دگماتیسم دیگر در فیزیک است- اعتقاد داشته باشیم در این صورت تغییر در قانون ثبات تخلیه الکترونی قانون دوم ترمودینامیک را در هم خواهد ریخت به همین دلیل یک گزینه باقی ماند و آن بررسی امکان متغیر بودن سرعت نور است.
گرچه هنوز مطالعات به اندازه کافی نیست و مشاهدات وب از نور کوثر برای درهم ریختن تئوریهای موجود کافی نیست اما مطالعه در این زمینه از چندی پیش آغاز شده است. ا ز جمله می‌‌توان به مقاله‌هایی که در مجله Physical Review Letters منتشر شده مراجعه کرد و گرچه بسیاری از وفاداران به تئوریهای موجود سعی دارند مشاهدات وب و دیویز را اشتباه مشاهده‌ای و اشتباه محاسباتی و آماری جلوه دهند، اما بحثی که در این زمینه آغاز شده است روز به روز دامنه‌دارتر می‌‌شود و به همان اندازه‌ای که خود کیهان سئوالات لاینحل باقی گذاشته مشاهدات اخیر نیز بسیاری از تئوریها را به چالش کشانده است.
در این وضعیت باید روشن شود به چه چیزهایی از تئوری گذشته می‌‌توان تکیه کرد و باید دید تئوریهای جدید از عهده پاسخگویی به بسیاری از پرسشها بر می‌‌آیند یا خیر. در واقع از نظر دیویز همان بلایی که تئوری نسبیت انیشتین و فیزیک کوانتوم بر فیزیک قرن نوزدهم وارد آورد حالا خود شاهد آن خواهد بود که تئوریهای جدید پایه و اساس این تئوریها را متزلزل خواهد کرد. حداقل دستاورد این مشاهدات این است که در بررسی ساختار کیهان و این که از کجا نشأت گرفته و به کجا تکامل پیدا می‌‌کند یک گام رو به جلو برداشته شده است.
تئوری نسبیت می‌‌گوید که سرعت هیچ چیز از نور فراتر نمی‌رود (سرعت نور در خلأ، تقریباً000ر300 کیلومتر در ثانیه است). آرزوی انسان فراتر رفتن از این سرعت است و این آرزوها در فیلمهایی مثل "Star Trek" انعکاس یافته‌اند. حتی اگر انسان ابزاری بسازد که بتواند با سرعت نور حرکت کند برای عبور از کهکشان راه شیری یکصدهزار سال وقت لازم است.
منابع :
http://www.abc.net.au/lateline/stories/s347215.htm
http://www.bbc.co.uk/persian/science/020814_h-si-theory.shtml
