سرعت نور چقدر است؟

ماهیت نور چیست و چرا سرعت آن بسته به محیط متفاوت است؟ ما در این مقاله به این سوالات پاسخ دادیم.

به گزارش دیجیاتو، در این مقاله به بررسی سرعت نور در محیط های مختلف می پردازیم. قبل از آن باید ماهیت نور را شناخت.

ماهیت نور چیست؟

راه های زیادی برای تعریف نور وجود دارد. در ساده ترین تعریف می توان گفت نور بخشی از تابش الکترومغناطیسی است. تابش الکترومغناطیسی شامل طیف وسیعی 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 تعریف می شود که برای چشم ما قابل مشاهده است.

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

نور چگونه تولید می شود؟

صرف نظر از منبعی که نور از آن ساطع می شود، اگر عمیق تر در زمینه فیزیک کوانتومی کاوش کنیم، متوجه می شویم که نور زمانی تولید می شود که الکترون های موجود در اتم ها و مولکول ها انرژی آزاد می کنند. هنگامی که الکترون های بدن انرژی می گیرند، به سطوح انرژی بالاتر می روند و با بازگشت به حالت اولیه، انرژی آزاد می کنند. این انرژی از طریق گسیل “فوتون” که ذرات کوچک انرژی نور هستند آزاد می شود.

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

نور موج است یا ذره؟

معمولا درک ما از واقعیت بر اساس تجربیات روزانه ماست. در عصر فیزیک کلاسیک و قبل از ظهور کوانتوم، همیشه فرض بر این بود که نور از ذرات کوچک تشکیل شده است. در واقع، اولین کسی که چنین نظری را مطرح کرد، اسحاق نیوتن بود. نظریه ذرات نور توسط نیوتن در سال 1704 ارائه شد. این نظریه بر این اساس استوار بود 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، انرژی جنبشی دارند، دارای یک سرعت بسیار بالایی دارد و دارای منابع نور مانند شمع و لامپ است. خورشید، پراکنده. نیوتن فرض کرد که ذرات کوچک نور می توانند اندازه های متفاوتی داشته باشند و این اندازه های مختلف هستند که رنگ های متفاوتی را تولید می کنند.

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

به طور کلی، اگرچه بیشتر توصیفات نیوتن از نور نادرست است، اما بعدها پدیده هایی مشاهده شده است که با نظریه ذرات نور قابل توصیف نیستند. در سال 1678، هویگنس، فیزیکدان هلندی، نظریه موج نور را پایه گذاری کرد و آن را اصل هویگنس نامید.

به نظر می رسد پس از سال ها انتقاد دانشمندان از نظریه نیوتن، نظریه ذرات نور در حال شکست است. تا اینکه فیزیکدان فرانسوی آگوستین ژان فرنل دو منشور نازک را روی هم قرار داد و نور را از طریق شکاف بسیار کوچکی تابید. نقش نوارهای تاریک و روشن را نمی توان با هیچ توصیفی جز خاصیت موجی نور توضیح داد. فرنل این پدیده را به صورت ریاضی ثابت کرد. همچنین در سال 1815 او توانست 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 بود و نظریه موجی نور جایگزین آن شد.

بین سال‌های 1861 تا 1864، فیزیکدان اسکاتلندی، جیمز کلرک ماکسول، روابط ریاضی بین میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی را متحد کرد و وجود امواج الکترومغناطیسی را پیش‌بینی کرد. پس از این واحد تاریخی در فیزیک، توصیف نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی در کانون توجه قرار گرفت.

فیزیک مدرن: نور دارای خواص ذره مانند است

نظریه ذرات نور تا قرن نوزدهم تقریباً فراموش شده بود و همه پدیده ها را می توان با توصیف موجی نور توضیح داد. انیشتین حتی نظریه ذرات نور را با توصیف “اثر فوتوالکتریک” کوانتومی احیا کرد. توضیح انیشتین در مورد پدیده فوتوالکتریک، جایزه نوبل سال 1921 را برای او به ارمغان آورد.

پاسخ علم: نور همزمان موج و ذره است!

اکنون دو نوع پدیده وجود دارد: با آزمایش‌های مختلف مشخص شد که نور همیشه به شکل موج نیست و همیشه به صورت ذرات نیست، اما در برخی شرایط (مشاهده میکروسکوپی) ویژگی‌های موجی از خود نشان می‌دهد و در برخی دیگر ( مشاهده ماکروسکوپی) دارای خواص مولکولی است. بنابراین در جامعه علمی پذیرفته شد 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 حدس زد 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 قمر مشتری Io و خسوف های مکرر آن توانست عود دوره خسوف آن را پیش بینی کند. او این اندازه گیری را چندین بار در طول چندین سال انجام داد و به این نتیجه رسید که زمان خورشیدگرفتگی 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 در دورترین فاصله از یکدیگر قرار گرفتند، کسوف 11 دقیقه بعد آغاز شد.

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

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 با استفاده از انحرافات ستاره ای سرعت نور در خلاء را 301000 کیلومتر در ثانیه تخمین زد. این پدیده ها از طریق تغییر ظاهری در موقعیت ستارگان در نتیجه حرکت زمین به دور خورشید ظاهر می شوند. درجه انحراف یک 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 را انجام دهد.

آلبرت مایکلسون، فیزیکدان لهستانی-آمریکایی، پس از آزمایش های قبلی، تلاش کرد تا دقت این روش را افزایش دهد و در سال 1878 موفق به اندازه گیری سرعت نور شد. 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 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

نظریه نسبیت خاص اینشتین

اینشتین در سال 1905 نظریه نسبیت خاص و سپس نظریه نسبیت عام را منتشر کرد. نظریه اول به حرکت اجسام با سرعت ثابت نسبت به یکدیگر مربوط می شود، در حالی که نظریه دوم بر شتاب و ارتباط 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 به نام سرعت نور در خلاء ارائه کرد.

آیا سرعت نور ثابت است؟

برای پاسخ به این سوال همانطور که گفتیم باید بگوییم که 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 کاهش می یابد. در بسیاری از مواد، الکترون‌های موجود در مولکول‌های ماده با گسیل نور شروع به نوسان می‌کنند و باعث جذب یا پراکندگی انرژی نور می‌شوند. این فرآیند باعث کاهش سرعت نور در ماده می شود. همچنین در مواد با چگالی بالاتر که در واحد حجم ذرات باردار بیشتری وجود دارد، تأثیر 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. یک ثابت جهانی شناخته شده در معادلات با پارامتر c. در محاسبات ساده، سرعت نور معمولاً 108×3 متر بر ثانیه یا 3×105 کیلومتر بر ثانیه 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 رود، مسیر آن تغییر می کند. این پدیده به شکست نور معروف است و مقدار آن به ضریب شکست این 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 105×2.99910 کیلومتر بر ثانیه است.

نتیجه

برای دیدن محیط اطراف خود به نور نیاز داریم. نور را به اجسام مختلف می تابد و پس از انعکاس آن بر روی چشمان ما می توانیم آن شی را ببینیم. نور مرئی بخشی از تشعشعات الکترومغناطیسی است که شامل طول موج های 380 تا 750 نانومتر است.

از زمان نیوتن تا قرن بیستم، ماهیت نور همیشه مورد بررسی قرار گرفته است. دانشمندان در دوره های مختلف نظریه های مختلفی در این زمینه ارائه کرده اند. در ابتدا نظریه‌های «ذره» و «موج» نور مورد توجه قرار گرفت و هر کدام برای توضیح پدیده‌های فیزیکی خاصی مورد استفاده قرار گرفتند، اما دانشمندان در نهایت به این نتیجه رسیدند که اگر نور را در سطح ماکروسکوپی مشاهده (اندازه‌گیری) کنیم، ویژگی‌های ذره‌ای دارد و اگر اندازه‌گیری شود. در اجازه دهید ما سطح میکروسکوپی را مشاهده کنیم، دارای یک ویژگی موج است. بنابراین جامعه علمی پذیرفته است که نور در آن واحد هم موج و هم ذره است.

تلاش های زیادی برای محاسبه سرعت نور انجام شده است. در نهایت با معرفی نظریه نسبیت خاص، سرعت نور در خلاء ثابت و برابر با 3×108 متر بر ثانیه است و به عنوان یک قانون علمی پذیرفته شده است. نحوه تعامل نور با ماده، فصل جدیدی از سؤالات علمی را باز کرده است که همیشه به پیشرفت تجهیزات نوری و صنعت کمک کرده است. ساخت سلول‌ها و دوربین‌های خورشیدی، اکتشاف دنیای دور با تلسکوپ و فیبرهای نوری، کاوش در دنیای میکروسکوپی با میکروسکوپ‌های نوری، توسعه لیزر و بسیاری موارد دیگر نتیجه شناخت نور و درک تعامل آن با انواع مختلف بود. مواد.