ماهیت اصلی نور چیست؟

خلاصه مقاله: در این مقاله به ماهیت اصلی نور خواهیم پرداخت و با مطالعه خلاصه نظریه های مختلف نور در طول تاریخ، به این پرسش پاسخ خواهیم داد که واقعا نور چیست. نظریه های زیر را در این مقاله مشاهده خواهید کرد:

نظریه نور به مانند ذره نظریه نور به مانند موج نظریه نور به مانند پرتو تکمیل نظریه نور به مانند موج

نظریه نور به شکل امواج الکترومغناطیس نظریه کوانتومی نور به شکل ذره نظریه دوگانگی موج-ذره

شاید ساده ترین تعریف از نور که به ذهن همه می رسد این باشد که نور عاملی است که باعث دیده شدن اجسام می شود و نبود آن عامل تاریکی و عدم مشاهده محیط اطراف و اجزاء تشکیل دهنده آن می باشد. اما نور این عامل بسیار مهم زندگی انسان، در آنِ واحد موضوعی هم روشن و هم مرموز است. ما هر روز ، نور را با گرمای زرد رنگ خورشید درک می کنیم و تاریکی را با لامپ های رشته ای و LED از خود دور می کنیم. اما براستی نور دقیقاً چیست؟

زمانی که نور خورشید بر اتاقی پر از گرد و غبار می تابد، زمانی که رنگین کمان از پس طوفان ظاهر می شود و یا زمانی که اشیا را در محیط اطراف خود می بینیم، ماهیت نور را لمس می کنیم. با این حال، این تعاریف حسی و اجمالی تنها منجر به مطرح کردن سوالات بیشتر در رابطه با ماهیت واقعی نور می شود. آیا نور به صورت موج حرکت میکند، به شکل پرتو است یا بصورت حرکت مجموعه ای از ذرات؟ نور تک رنگ است یا ترکیبی از چند رنگ؟ آیا نور هم مانند صوت دارای فرکانس است؟ و خواص رایج نور مانند جذب، انعکاس، شکست و پراش چه چیزی را در مورد نور به ما بیان می کنند؟ و ده ها سوال دیگر.

ممکن است فکر کنید دانشمندان پاسخ همه ی سوال ها را می دانند، اما نور با ویژگی های منحصربفرد خود همچنان آنها را شگفت زده می کند. در سالیان دور انسان این موضوع را بدیهی می دانست که نور سریعتر از هر چیز دیگری در جهان حرکت می کند، اما در سال 1999، محققان دانشگاه هاروارد توانستند سرعت یک پرتو نور را با عبور از حالت ماده(state of matter) ، تا 61 کیلومتر در ساعت کاهش دهند. این کاهش سرعت نور تقریباً 18 میلیون بار کندتر از حالت عادی آن است. تا چندین سال پیش هیچ کس فکر نمی کرد چنین رخدادی حتی ممکن باشد. بنابراین همواره درست زمانی که انسان فکر می کند به ماهیت نور پی برده است، نور جلوه های دیگری از خود بروز می دهد و ما را غافلگیر می کند.

در طی سالیان طولانی، بسیاری از معتبرترین دانشمندان تاریخ، به تفکر در رابطه با ماهیت اصلی نور پرداخته اند. آلبرت انیشتین سعی می کرد "تصور کند همگام شدن با سرعت نور چگونه خواهد بود؟" ، "اگر کسی دنبال یک پرتو نور بدود چه می شود؟" ، "اگر کسی روی پرتو نور سوار بود چه می شد؟" ، " اگر قرار بود کسی به اندازه کافی سریع بدود، آیا نور دیگر اصلا حرکت می کرد؟" با این حال، انیشتین در بحث نور پیشتاز است.

اولین ایستگاه ما جهان باستان است، جایی که برخی از دانشمندان و فیلسوفان دوران کهن در مورد ماهیت واقعی این ماده اسرارآمیز که بینایی را تحریک و اشیا را قابل مشاهده می کند، اندیشیده اند.در طول قرن ها، دیدگاه ما نسبت به نور به طرز چشمگیری تغییر کرده است. اولین نظریه های واقعی در مورد نور از یونانیان باستان آمده است. بسیاری از این نظریه ها به دنبال توصیف نور به عنوان یک پرتو بودند، یعنی یک خط مستقیم که از یک نقطه به نقطه دیگر حرکت می کند.

1) نظریه نور به مانند ذره

فیثاغورث، که بیشتر به خاطر قضیه مثلث قائم الزاویه معروف است، معتقد بود که بینایی ناشی از پرتوهای نوری است که از چشم انسان بیرون می آید و به یک جسم برخورد می کند. این دانشمند در نظریه خود ابراز می کرد نور از ذرات ریزی تشکیل شده است که از چشم انسان ساطع می شود و به جسم برخورد میکند و باعث مشاهده اجسام می شود. اپیکور خلاف این قضیه را استدلال کرد و گفت در واقع این اجسام هستند که پرتوهای نور را تولید می کنند و سپس این پرتو های تولید شده به چشم انسان می رسند. سایر فیلسوفان یونانی (به ویژه اقلیدس و بطلمیوس) از نمودار پرتوهای نوری استفاده کردند تا نشان دهند که چگونه نور هنگام عبور از یک محیط به محیطی دیگر منعکس یا خم می شود. دانشمندان عرب از این ایده ها استفاده کردند و آنچه را که امروزه به عنوان اپتیک هندسی (به کار بردن روش های هندسی در اپتیک عدسی ها، آینه ها و منشورها) شناخته می شود، توسعه دادند.

مشهورترین متخصص اپتیک هندسی ابن هیثم بود که بین سالهای 965 تا 1039 میلادی در عراق کنونی زندگی می کرد. ابن هیثم اجزای نوری چشم انسان را شناسایی کرد و به درستی بینایی را به عنوان فرآیندی شامل پرتوهای نوری که از یک جسم به چشم شخص می تابد، توصیف کرد. این دانشمند عرب همچنین "دوربین پین هول" را اختراع کرد، قوانین شکست را کشف کرد و تعدادی از پدیده های مبتنی بر نور مانند رنگین کمان و خسوف را مورد مطالعه قرار داد.

2) نظریه نور به مانند موج

در قرن هفدهم، برخی از دانشمندان برجسته اروپایی شروع به تفکر متفاوت در مورد نور کردند. یکی از شخصیت‌های کلیدی، ریاضی‌دان و ستاره‌شناس هلندی کریستین هویگنس بود. در سال 1690، هویگنس "رساله نور" خود را منتشر کرد، که در آن نظریه ی حرکت موجی نور را شرح داد. در این نظریه، او در مورد وجود یک فضای میانی نامرئی (اتر) که تمام فضای خالی بین اجسام را پر می کند، بحث هایی را مطرح کرد. بر اساس نظریه های او، جسم درخشان باعث ایجاد یک سری امواج یا ارتعاشات در اتر می شود، سپس امواج تولید شده به سمت جلو پیشروی می کنند تا زمانی که با یک جسم برخورد کنند. اگر آن جسم چشم باشد، این امواج، بینایی را تحریک می کنند. این یکی از اولین و گویاترین تئوری های موجی نور بود که همه آن را پذیرفتند.

اما اسحاق نیوتن یکی از افرادی بود که در سال 1704، برداشت متفاوتی از نور را پیشنهاد کرد. او فردی بود که نور را به عنوان ذره یا ذراتی توصیف کرد که در هر صورت در خط مستقیم حرکت می کنند، مانند توپی که از آینه می پرد. هیچ کس در واقع ذرات نور را ندیده بود، اما اکنون، توضیح این قضیه آسان است. ذرات ممکن است خیلی کوچک باشند یا خیلی سریع حرکت کنند و دیده نشوند. همانطور که مشخص است، همه این نظریه ها در یک زمان خاص درست و یا نادرست بوده و همه آنها در توصیف رفتارهای خاصی از نور مفید هستند.

3)نظریه نور به مانند پرتو و بررسی رفتارهای مختلف نور

تصور نور به عنوان یک پرتو (Ray)، توصیف سه پدیده شناخته شده انعکاس، شکست و پراکندگی را بسیار آسان می کند.

در توضیح انعکاس، یک پرتو نور به یک سطح صاف مانند یک آینه برخورد می کند و به بیرون می پرد. پرتو منعکس شده همیشه با زاویه ای برابر با زاویه برخورد پرتو ورودی به سطح، از سطح ماده خارج می شود. این پدیده در فیزیک، قانون بازتاب نامیده می شود.

البته که همه سطوح صاف نیستند. هنگامی که نور به یک سطح ناهموار برخورد می کند، پرتوهای نور ورودی در همه زوایا منعکس می شوند زیرا سطح ناهموار است. این پراکندگی در بسیاری از اجسامی که ما هر روز با آنها مواجه می شویم، اتفاق می افتد. سطح کاغذ مثال خوبی از یک سطح ناصاف است. اگر در زیر میکروسکوپ به آن نگاه کنید، متوجه این موضوع می شوید. هنگامی که نور به کاغذ برخورد می کند، امواج در همه جهات منعکس می شوند. این همان چیزی است که شما با استفاده از آن می توانید کلمات چاپ شده رو صفحه کاغذ را بخوانید.

شکست زمانی اتفاق می افتد که یک پرتو نور از یک محیط شفاف (مثلاً هوا) به یک محیط شفاف دوم (مثلا آب) وارد شود. وقتی این اتفاق می‌افتد، نور تغییر سرعت می‌دهد و پرتو نور خم می‌شود. میزان خمش یا زاویه شکست موج نور بستگی به این دارد که ماده چقدر نور را کند می کند. بعنوان مثال الماس ها اگر سرعت نور ورودی را خیلی بیشتر از محیط های دیگر مثلاً آب کاهش نمی دادند، براق نمی شدند. الماس ها ضریب شکست بالاتری نسبت به آب دارند.

امواج همچون اجسام، منتقل‌کننده انرژی هستند. برای نمونه اگر توپی به شما برخورد کند انرژی آن نیز به شما منتقل می‌شود اما اگر مانعی بین توپ و شما وجود داشته باشد، این انرژی منتقل نخواهد شد. اما این سوال مطرح می‌شود که چرا صدای شخص پشت دیوار را می‌توان شنید اما تصویر آن را نمی‌توان دید (این سوال از آنجایی مطرح می‌شود که هم نور و هم صوت به صورت موج در نظر گرفته می‌شوند)؟ پاسخ در خمیده شدن امواج است. در حقیقت موج صوتی می‌تواند در اطراف درخت خمیده شده و از آن عبور کند. این در حالی است که نور این قابلیت را ندارد. مقدار خمش یک موج وابسته به میزان زبری سطح و طول موج آن است. برای نمونه طول موج و دامنه نور به نحوی است که می‌تواند از موادی همچون آب یا هوا عبور کند. به همین دلیل است که می‌توان تصویر یک جسم را در هوا دید.

4) تکمیل نظریه نور به مانند موج

برخلاف امواج آب، امواج نور مسیرهای پیچیده تری را دنبال می کنند و برای عبور، آنها به هیچ وسیله ای نیاز ندارند. با ظهور قرن نوزدهم، هیچ مدرک واقعی برای اثبات نظریه موجی نور جمع آوری نشده بود. تا زمانی که توماس یانگ، پزشک و فیزیکدان انگلیسی، یکی از مشهورترین آزمایشات تاریخ علم را در سال 1801 طراحی و اجرا کرد، این وضعیت تغییر نمود. این آزمایش امروزه به عنوان آزمایش دو شکاف double-slit experiment شناخته می شود و به تجهیزات ساده ای نیاز دارد: یک منبع نور، یک کارت نازک با دو سوراخ کنار هم بریده شده و یک صفحه نمایش.

برای اجرای آزمایش، یانگ یک پرتو نور از سوراخ نازکی را عبور داد و به کارت برخورد کرد. او استدلال کرد که اگر نور حاوی ذرات یا پرتوهای خط مستقیم باشد، نوری از کارت مات عبور نمی کند بلکه از شکاف های کارت عبور می کند و در یک خط مستقیم به سمت صفحه می رود، و در آنجا دو نقطه روشن را تشکیل می دهد.

البته این چیزی نبود که یانگ مشاهده کرد. در عوض، او یک الگوی بارکد شکل از نوارهای روشن و تاریک متناوب روی صفحه دید. برای توضیح این الگوی غیرمنتظره، او نور را مانند موج آبی که در فضا حرکت می‌کند، تصور کرد؛ با برآمدگی ها و فرورفتگی‌ها. او با این تفکر به این نتیجه رسید که امواج نور از هر یک از شکاف ها عبور می کنند و دو جبهه موج جداگانه ایجاد می کنند. با رسیدن این جبهه های موج به صفحه، آنها با یکدیگر تداخل پیدا می کنند. نوارهای روشن در جایی که دو برآمدگی موج روی هم قرار گرفتند و به هم اضافه شدند، تشکیل شد. نوارهای تیره در جایی که برآمدگی ها و فرورفتگی ها در یک ردیف قرار می گرفتند تشکیل می شدند و یکدیگر را کاملاً خنثی می کردند. کار یانگ جرقه ی تفکر جدیدی در مورد نور را روشن کرد. دانشمندان شروع به اشاره به امواج نور کردند و توصیفات خود از بازتاب و شکست را بر این اساس تغییر شکل دادند و خاطرنشان کردند که امواج نور هنوز از قوانین بازتاب و شکست پیروی می کنند.

5) نظریه نور به شکل امواج الکترومغناطیس

در دهه 1860، فیزیکدان اسکاتلندی، جیمز کلارک ماکسول، نظریه الکترومغناطیس را فرموله کرد. ماکسول نور را به عنوان یک نوع بسیار خاص از موج توصیف کرد که از میدان های الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده است. میدان ها در زوایای قائم نسبت به جهت حرکت موج و در زوایای قائم نسبت به یکدیگر ارتعاش می کنند. از آنجایی که نور دارای میدان های الکتریکی و مغناطیسی است، به آن تابش الکترومغناطیسی نیز می گویند. تشعشعات الکترومغناطیسی برای عبور از آن به وسیله ای نیاز ندارند و وقتی در خلاء حرکت می کنند، با سرعت 186000 مایل بر ثانیه (300000 کیلومتر بر ثانیه) حرکت می کنند. دانشمندان از آن به عنوان سرعت نور یاد می کنند که یکی از مهم ترین اعداد در فیزیک است.

هنگامی که ماکسول مفهوم امواج الکترومغناطیسی را معرفی کرد، همه چیز در جای خود قرار گرفت. اکنون دانشمندان می توانند با استفاده از اصطلاحات و مفاهیمی مانند طول موج و فرکانس بر اساس ساختار و عملکرد امواج، یک مدل کامل از نور را ایجاد کنند. بر اساس آن مدل، امواج نور در اندازه های مختلفی وجود دارند. اندازه یک موج به عنوان طول موج آن اندازه گیری می شود، که فاصله بین هر دو نقطه متناظر در امواج متوالی است، معمولاً قله به قله یا از شکم به شکم.

فرکانس نور مرئی به عنوان رنگ شناخته می شود و از 430 تریلیون هرتز که به صورت قرمز دیده می شود تا 750 تریلیون هرتز که به صورت بنفش دیده می شود، متغیر است. باز هم، دامنه کامل فرکانس ها فراتر از بخش مرئی است، از کمتر از 3 میلیارد هرتز، مانند امواج رادیویی، تا بیش از 3 میلیارد هرتز ( 10¹⁹ 3x)، مانند پرتوهای گاما. مقدار انرژی در یک موج نوری به نسبت فرکانس آن مرتبط است: نور با فرکانس بالا انرژی بالایی دارد و نور فرکانس با پایین انرژی کم تری دارد. بنابراین، پرتوهای گاما بیشترین انرژی را دارند (به همین دلیل پرتوهای گاما برای انسان خطرناک است)، و امواج رادیویی کمترین انرژی را دارند. از بین نور مرئی، بنفش بیشترین انرژی و قرمز کمترین انرژی را دارد. طیف وسیعی از فرکانس ها و انرژی ها (که در شکل نشان داده شده است)، به عنوان طیف الکترومغناطیسی شناخته می شود.

توصیف نظری ماکسول با تشعشعات الکترومغناطیسی، از جمله توصیف آن از امواج نور، به قدری زیبا و پیش بینی کننده بود که بسیاری از فیزیکدانان در دهه 1890 فکر می کردند که دیگر چیزی برای گفتن در مورد نور و نحوه عملکرد آن وجود ندارد. اما ، در 14دسامبر1900، ماکس پلانک یک مفهوم خیره کننده، ساده و در عین حال عجیب را معرفی کرد؛ اینکه نور باید انرژی را در مقادیر مجزا حمل کند. او پیشنهاد کرد که این مقادیر باید واحدهای افزایش انرژی پایه، h.f باشند، که در آن h یک ثابت جهانی است که اکنون به عنوان ثابت پلانک شناخته می شود و f فرکانس تابش است.

آلبرت انیشتین در سال 1905 با مطالعه اثر فوتوالکتریک نظریه پلانک را مطرح کرد. ابتدا او با تابش نور ماوراء بنفش بر روی سطح فلز شروع کرد. هنگامی که او این کار را انجام داد، توانست الکترون هایی را که از سطح ساطع می شوند را تشخیص دهد. این توضیح انیشتین بود: اگر انرژی نور به صورت بسته های انرژی باشد، می‌توان نور را حاوی فوتون‌ها تصور کرد. وقتی این فوتون‌ها به سطح فلز برخورد می‌کنند، مانند توپ‌های بیلیارد عمل می‌کنند و انرژی خود را به الکترون‌ها منتقل می‌کنند که از اتم‌های «والد» خود جدا می‌شوند. پس از آزاد شدن، الکترون ها در امتداد فلز حرکت می کنند و یا از سطح خارج می شوند با این نظریات تئوری ذرات نور دوباره مطرح گردید.

سپس، نیلز بور ایده های پلانک را برای اصلاح مدل اتم به کار برد. دانشمندان پیش از این ثابت کرده بودند اتم ها از هسته هایی با بار مثبت تشکیل شده اند که توسط الکترون هایی احاطه شده و مانند سیاره ها به دور خود می چرخند. در سال 1913، بور پیشنهاد کرد که الکترون ها بر اساس انرژی خود در مدارهای مجزا وجود دارند. هنگامی که یک الکترون از یک مدار به مدار پایین تر حرکت می کند، انرژی هایی به شکل فوتون از دست می دهد. نظریه کوانتومی نور یعنی نور به صورت بسته‌های کوچک انرژی یا ذرات بدون جرم به نام فوتون وجود دارد.

نور درون اتم و در زمانی ایجاد می‌شود که تحریک شود. در حقیقت الکترون‌ها در مدار‌هایی در اطراف اتم در حال حرکت هستند. این مدار نشان‌دهنده سطحی از انرژی است. اگر به اتم مدنظر انرژی داده شود الکترون‌ها تحریک شده و به مداری با انرژی بالاتر منتقل می‌شوند. در این حالت اتم نسبت به حالت قبل ناپایدارتر می‌شود. از این رو اتم‌ها تمایل بسیاری دارند تا به حالت پایدارتر خود برگردند. در نتیجه الکترون‌ها انرژی خود را از دست داده و به حالت اولیه یا همان مدار پایین‌تر برمی‌گردند. این تغییر مدار منجر به آزاد شدن انرژی شده که در قالب فوتون منتشر می‌شود. پرتو‌های نوری نیز در حقیقت جریانی از ذرات بدون جرم فوتون هستند.

در ابتدا، فیزیکدانان تمایلی به پذیرش طبیعت دوگانه نور نداشتند. اما انیشتین در سال 1905 راه را با پذیرش دوگانگی موج-ذره هموار کرد. در اواخر همان سال، او در مقاله‌ای که نسبیت خاص را معرفی می‌کرد، پیچیدگی خاصی به موضوع اضافه کرد. در این مقاله، انیشتین نور را به عنوان یک میدان پیوسته از امواج در نظر گرفت، که تناقض آشکاری با توصیف او از نور به عنوان جریانی از ذرات داشت. او با کمال میل ماهیت عجیب نور را پذیرفت و هر کدام از ویژگی‌ها را برای حل مشکلی که می‌خواست حل کند انتخاب کرد. امروزه فیزیکدانان طبیعت دوگانه نور را قبول دارند. در این دیدگاه مدرن، آنها نور را مجموعه ای از یک یا چند فوتون تعریف می کنند که در فضا به صورت امواج الکترومغناطیسی منتشر می شوند

نور ذره و بسته های انرژی با نام فوتون است (نظریه کوانتومی) که حرکت آنها بصورت امواج الکترومغناطیس (نظریه موج) صورت میگیرد.

این تعریف ویژه که ترکیبی از ماهیت موجی و ذره‌ای نور است، امکان بازنگری در آزمایش دو شکاف توماس یانگ را به این شکل ممکن می‌سازد: نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی از منبعی ساطع می‌شود. هنگامی که با شکاف ها روبرو می شود، از آن عبور کرده و به دو جبهه موج تقسیم می شود. این جبهه های موج همپوشانی کرده و به صفحه نزدیک می شوند. اما در لحظه برخورد، کل میدان موج ناپدید می شود و یک فوتون ظاهر می شود. فیزیکدانان کوانتومی اغلب این موضوع را با گفتن اینکه موج گسترش یافته به یک نقطه کوچک فرو می ریزد، توصیف می کنند.

به طور مشابه، فوتون ها این امکان را برای ما فراهم می کنند که جهان اطراف خود را ببینیم. در تاریکی مطلق، چشمان ما در واقع قادر به تشخیص تک فوتون ها هستند، اما به طور کلی آنچه در زندگی روزمره خود می بینیم به شکل هزاران فوتون تولید شده توسط منابع نور و بازتابش از اجسام به ما می رسد. اگر همین الان به اطراف خود نگاه کنید، احتمالاً منبع نوری در اتاق وجود دارد که فوتون‌ها را تولید می‌کند و اجسامی در اتاق هستند که آن فوتون‌ها را منعکس می‌کنند. چشمان شما مقداری از فوتون‌هایی که در اتاق جریان دارند را جذب می‌کنند و به این صورت می توانید محیط اطراف خود را ببینید. اما چه چیزی باعث می شود منبع نور، فوتون تولید کند؟ در ادامه به بحث در مورد منشا تولید نور خواهیم پرداخت.