نور موج است یا ذره؟

امتیاز کاربران

ستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعال
 

فعالیت‌های ماکسول در زمینه‌ی الکترومغناطیس به ما نشان داد که نور مرئی تنها بخش محدودی از یک طیف بزرگ‌تر تابشی است. برای قرن‌ها،‌ دانشمندان تلاش می‌کردند بفهمند که نور چگونه از منبع نور به چشم ما می‌رسد. بعضی‌ها فکر می‌کردند که احتمالا به شکل موج حرکت می‌کند. موجی سوار بر یک ماده‌ی فرضی ناپیدا به نام «اتر». بعضی دیگر از دانشمندان این نظریه را اشتباه می‌دانستند و فکر می‌کردند که نور در حقیقت از ذراتی تشکیل شده که در فضا حرکت می‌کند. ایزاک نیوتون پس از تعدادی آزمایش که با نور و آینه انجام داد، نظریه‌ی دوم را بیشتر پسندید. او فهمید که پرتوهای نور از قوانین هندسی خیلی دقیق پیروی می‌کنند. 

 وقتی پرتوی نوری را به یک آینه می‌تابانید، دقیقا به جهت عکس بازتاب می‌شود. درست مثل یک توپ که به دیوار بزنید و برگردد. بنابراین نور باید بوسیله‌ی یک سری ذرات بسیار ریز و بی‌وزن حمل شود. پس نتیجه گرفت که نور، ماهیت ذره‌ای دارد.

 

نور در مسیرهای خیلی دقیق بازتاب می‌شود

 

استدلال نیوتون خوب بود، با این حال مشکل این‌جاست که یک استدلال دقیقا برعکس نیوتون وجود دارد که آن هم خیلی خوب است! یکی از مشهور‌ترین آزمایش‌ها در رد نظر نیوتون، آزمایشی است که «توماس یانگ» (Thomas Young) در سال ۱۸۰۱ انجام داد. آزمایش شکاف‌های یانگ از آن آزمایش‌هایی است که هرکسی می‌تواند در خانه انجام دهد. 

 یک قطعه مقوای ضخیم بردارید و دو شکاف خیلی باریک عمودی در آن ایجاد کنید. سپس یک منبع نور متمرکز که فقط در یک طول موج، نور تولید می‌کند، مثل لیزر بردارید. آن را روبروی مقوای شکاف‌دار قرار دهید و در پشت مقوا نیز یک سطح دیگر بگذارید. حتما انتظار دارید که بر روی سطح پشتی، دو خط نور عمودی ببینید. یعنی دقیقا نوری که از دو شکاف عمودی گذشته است. با این حال توماس یانگ چیز دیگری مشاهده کرد. او تسلسلی از خط‌های عمودی تاریک و روشن را دید، چیزی شبیه به بارکد.

 

 

 آزمایش شکاف‌های یانگ نشان داد که نور ماهیت موجی دارد

 

  وقتی نور از دو شکاف نازک عبور می‌کند، دقیقا همان رفتاری را دارد که موج آب با عبور از دو شکاف نازک از خود نشان می‌دهد. هم آب و هم نور، به صورت امواج کروی پراکنده می‌شوند. وقتی قله و قعر امواج نوری که از دو شکاف عبور کرده‌اند، بر یکدیگر منطبق می‌شوند، همدیگر را تخریب می‌کنند و خط‌های تاریک بوجود می‌آید. وقتی قله‌ها یا قعر‌های آن‌ها بر یکدیگر منطبق می‌شوند، پدیده‌ی تشدید بوجود می‌آید و خط‌های عمودی روشن تشکیل می‌شود. آزمایش یانگ نشان می‌داد که نور ماهیت موجی دارد و معادلات ماکسول نیز این ایده را تقویت می‌کرد.

 در نیمه‌ی دوم قرن نوزدهم، فیزیک‌دان‌ها بر روی این مسئله که چرا بعضی مواد بهتر از بعضی مواد دیگر می‌توانند امواج الکترومغناطیسی را جذب و سپس تابش کنند تحقیق می‌کردند.  این دقیقا زمانی بود که صنعت ساخت چراغ‌های الکتریکی در حال اوج گرفتن بود و بنابراین موادی که بتوانند نور زیادی از خود تابش کنند بسیار مورد توجه قرار گرفته بودند. در اواخر قرن نوزدهم، دانشمندان متوجه شدند که میزان تابش الکترومغناطیسی یک جسم، به دمای آن بستگی دارد. آن‌ها توانستند این پدیده را اندازه‌گیری هم بکنند ولی نمی‌دانستند چرا این پدیده رخ می‌دهد.

 

 

 لامپ به شکلی ساخته شده که می‌تواند به هنگام برقراری الکتریسیته، نور مرئی تابش کند

 

 در سال ۱۹۰۰، «مکس پلانک» (Max Planck) توانست این مشکل را حل کند. او متوجه شد در صورتی که در نظر بگیرد تابش الکترومغناطیسی به صورت بسته‌های مجزای انرژی انجام می‌شود، معادلات می‌توانند به راحتی رابطه‌ی بین دمای جسم با میزان تابش الکترومغناطیسی را توضیح دهند. پلانک این بسته‌های انرژی را «کوانتا» که اسم جمع «کوانتم» است نامید. چند سال بعد، انشتین این ایده را برای توضیح یک آزمایش دیگر به کار برد.

 

 

  فیزیک‌دان‌ها کشف کرده بودند که وقتی یک قطعه فلز به طور مداوم در برابر نور فرابنفش قرار می‌گیرد، دارای بار الکتریکی مثبت می‌شود. به این پدیده، «اثر فوتوالکتریک» می‌گویند.  این بدین دلیل است که اتم‌های فلز بر اثر تابش پرتوی فرابنفش، الکترون‌های خود را از دست می‌دهند. رفتار الکترون‌ها عجیب به نظر می‌رسید. می‌شد کاری کرد که تنها با تغییر رنگ نور تابش شده به فلز، الکترون‌های آن انرژی بیشتری داشته باشند.  مثلا، الکترون‌هایی که از فلز قرار گرفته در معرض پرتوی فرابنفش آزاد می‌شدند، انرژی بیشتری در مقایسه با الکترون‌هایی که در معرض نور قرمز قرار گرفته بودند داشتند. اگر نور فقط ماهیت موجی داشته باشد، این پدیده خیلی معنادار نیست. اگر قرار باشد که انرژی یک موج را بیشتر کنیم، باید دامنه‌ی آن را افزایش دهیم، یعنی قدش را بلندتر کنیم. فقط قدرت تخریب امواج سونامی را تصور کنید. طول‌ موج‌ آن‌ها خیلی زیاد نیست، این امواج فقط ارتفاع خیلی زیادی دارند. بهترین راه برای افزایش انرژی یک پرتوی الکترومغناطیسی، افزایش دامنه یا همان بلندی قد امواج است. این باعث می‌شود که شدت نور نیز بیشتر بشود. این درحالیست که تغییر طول موج و در نتیجه رنگ، فرقی در شدت نور ایجاد نمی‌کند. انشتین فهمید که وقتی نور را به صورت بسته‌های انرژی یا همان «کوانتا» در نظر بگیریم، اثر فوتوالکتریک خیلی قابل فهم‌تر است. او گفت که نور در بسته‌های کوچک کوانتمی منتقل می‌شود. هر بسته‌ی کوانتمی دارای مقدار معینی انرژی است. مقدار انرژی این به طول موج بستگی دارد: هرچه طول موج کوتاه‌تر باشد، بسته‌ی کوانتمی انرژی بیشتری دارد.  این توضیح می‌دهد که چرا بسته‌های نور فرابنفش با طول موج نسبتا کوتاه، انرژی بیشتری نسبت به بسته‌های نور قرمز با طول موج نسبتا بلندتر دارند.

 

  

 

نور در بسته‌هایی از انرژی به نام فوتون منتقل می‌شود

 

  یک منبع نوری با شدت نور بیشتر، بسته‌های کوانتمی نور بیشتری را به فلز منتقل می‌کند، ولی این تاثیری بر میزان انرژی هر بسته‌ی کوانتمی نور ندارد. ساده‌تر بگوییم، یک بسته‌ی کوانتمی نور بنفش، می‌تواند انرژی بیشتری به یک الکترون در مقایسه با هر تعداد دیگر بسته‌های کوانتمی نور قرمز منتقل کند. انشتین این بسته‌های نوری را «فوتون» نامید. فوتون اکنون در فیزیک جزو ذرات بنیادین به حساب می‌آید. به طور کلی تابش الکترومغناطیسی بوسیله‌ی فوتون‌ها انجام می‌شود. از نور مرئی گرفته تا پرتوی ایکس، مایکروویو و رادیویی. به زبانی دیگر، انشتین مثل نیوتون گفت که نور ماهیت ذره‌ای دارد. در این مقطع، فیزیک‌دان‌ها تصمیم گرفتند به دعوای اینکه نور ذره‌ای است و یا موجی خاتمه دهند، چرا که به خوبی هر دو رفتار را از خود نشان می‌داد. آن‌ها رفتار نور را یک پارادوکس بزرگ می‌دانستند. نور هم موج است و هم ذره!

  هرچند که این برای غیر فیزیک‌دان‌ها گیج‌کننده است، ولی خود فیزیک‌دان‌ها هیچ مشکلی با آن ندارند. فیزیک‌دان‌ها سعی می‌کنند به اقتضای موقعیت، از هر دو خاصیت آن بهره‌بگیرند. هرچند که معادلات فیزیک در هر دو حالت موجی و ذره‌ای بودن نور خیلی خوب کار می‌کند، ولی در بعضی موقعیت‌ها استفاده از یک خاصیت آن، بهتر از دیگری است.  بنابراین فیزیک‌دان‌ها از هر دو خاصیت استفاده می‌کنند. این در حقیقت به خاطر یک رفتار عجیب دیگر در فیزیک کوانتم است. دو ذره‌ی بنیادین، مثل یک جفت فوتون، می‌توانند به یکدیگر وابسته باشند. بدین معنی که سوای فاصله‌ای که این دو ذره از هم دارند، می‌توانند دارای بعضی ویژگی‌های یکسان باشند. 

  بنابراین می‌توان از آن‌ها برای برقراری ارتباط بین دو نقطه بر روی زمین استفاده کرد. یکی دیگر از ویژگی‌های این وابستگی این است که وضعیت کوانتمی فوتون‌ها وقتی که قرار است اطلاعات آن‌ها خوانده شود تغییر می‌کند. 

 نور هم خاصیت موجی و هم خاصیت ذره‌ای از خود نشان می‌دهد


 

سه تفاوت بین نور از جنس موج های الکترومغناطیس وامواج صوتی وجود دارد:

۱- موج های صوتی از نوع امواج مکانیکی بوده که برای انتشار به محیط مادی نیاز دارند ولی موج های الکترو مغناطیسی می توانند از محیط خلاء (جایی که هیچ ماده ای وجود ندارد) عبور کنند مانند نور خورشید که از خورشید به زمین می رسد از فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری که هیچ ماده ای وجود ندارد به سطح زمین می رسد.

۲- موج های صوتی سرعت کمی دارند ۳۴۰ متر بر ثانیه در هوای معمولی دارند در حالی که امواج الکترومغناطیسی سرعت بسیار زیادی دارند۳۰۰۰۰۰۰۰۰ متر بر ثانیه

۳- موج های صوتی به صورت طولی منتشر می شوند ولی موج های الکترو مغناطیسی به صورت عرضی

برای پی بردن به تفاوت صوت و نور: محفظه ای شفافش را بردارید و آن را به یک تلمبه وصل کنید سپس یک لامپ الکتریکی را داخل آن قراردهید. مدار را بسته تا لامپ روشن شود و زنگ به صدا دراید.سپس به وسیله تلمبه هوا را از ظرف خارج کنید.هنگام خروج هوای درون ظرف صدای زنگ ضعیف و ضعیف تر می شود تا کاملا غیر قابل شنیدن شود در حالی که لامپ روشن می ماند. این آزمایش صریحا نشان می دهد صوت فقط در محیط مادی منتشر می شود ولی نور می تواند در خلا نیز حرکت کند. این موضوع تفاوت اصلی بین نور و صوت است.