همیشه شنیده ایم و به ما گفته شده که هیچ چیز نمی تواند سریع تر از نور حرکت کند. اما آیا تا به حال از خود پرسیده ام که چرا نمی توانیم از نور سریع تر حرکت کنیم؟ دلیل سرعت بالای نور چیست و یا آیا رسیدن به سرعت فراتر از نور ممکن است؟ در این مقاله به بررسی این سؤال چالش برانگیز می پردازیم.
رسیدن به سرعتی فراتر از نور در پروژه Opera
در سپتامبر ۲۰۱۱ بود که آنتونیو اردیتاتو فیزیکدان، جهان را شوکه کرد. او در بیانیه خود قول داده بود که . اگر اطلاعات جمع آوری شده توسط ۱۶۰ دانشمندی که روی پروژه OPERA کار می کردند صحیح بوده باشد، درک ما از جهان را دچار تغییر می کند.
در طی این پروژه ذرات – در این مورد ، نوترینو ها – سریع تر از نور حرکت کرده اند!
طبق نظریه های نسبیت اینشتین، این امکان وجود نداشت. و پیامدهای نشان دادن این اتفاق بسیار گسترده بود. بسیاری از قوانین فیزیک ممکن است مجبور به تجدید نظر شوند.
اگرچه اردیتاتو گفت که او و تیمش “اعتماد به نفس بالایی” درباره نتیجه خود دارند. اما ادعا نکردند که مطوئن هستند این نتایج به دست آمده کاملاً دقیق اند. در حقیقت، آن ها از دانشمندان دیگر می خواستند تا به آن ها کمک کنند تا متوجه شوند دقیقا چه اتفاقی افتاده است.
در پایان ، معلوم شد که نتیجه های به دست آمده از پروژه OPERA اشتباه بوده است. یک مشکل زمان بندی توسط کابلی که باید سیگنال های دقیق را از ماهواره های GPS منتقل می کرد؛ عامل این اشتباه بوه است.
علیرغم ماه ها بررسی دقیق قبل از آزمایش و بررسی فراوان داده ها پس از آن، این بار دانشمندان این اشتباه را پذیرفتند. Ereditato استعفا داد، گرچه بسیاری اظهار داشتند که اشتباهاتی از این قبیل در ماشین آلات بسیار پیچیده شتاب دهنده های ذرات دائماً اتفاق می افتد.
چرا پیشنهاد وجود چیزی که سریع تر از نور حرکت کرده است – حتی به عنوان یک احتمال – مسئله ای به این بزرگی بود ؟ و آیا واقعاً مطمئن هستیم که هیچ چیز نمی تواند از نور سریع تر حرکت کند؟
بررسی سرعت نور و رقابت با آن
برای اینکه بدانیم چرا نمی توانیم از نور سریع تر حرکت کنیم؛ ابتدا باید به بررسی نور و ویژگی هایش بپردازیم. سرعت نور در خلا ۲۹۹،۷۹۲.۴۵۸ کیلومتر در ثانیه است. این سرعت بسیار زیاد است؛ خورشید 150 میلیون کیلومتر با زمین فاصله دارد و رسیدن نور آن به ما تنها هشت دقیقه و ۲۰ ثانیه طول می کشد.
آیا هیچ یک از ساخته های بشر می تواند در یک مسابقه با نور رقابت کند؟ کاوشگر فضایی New Horizons یکی از سریع ترین اشیا ساخته شده توسط بشر است که در ژوئیه ۲۰۱۵ از کنار پلوتو و قمر آن، شارون عبور کرد. سرعت آن نسبت به زمین کمی بیش از ۱۶ کیلومتر در ثانیه است که بسیار کم‌تر از ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه است.
با این حال، ما کاری کرده ایم که ذرات ریز بسیار سریع تر از آن حرکت کنند. در اوایل دهه ۱۹۶۰، ویلیام برتوزی در انستیتوی فناوری ماساچوست آزمایش الکترون های شتاب دهنده با سرعت بیشتر را انجام داد.
از آن جا که الکترون ها دارای بار منفی هستند، می توان با استفاده از همان بار منفی برای یک ماده ، آن ها را پیش برد. یا بهتر بگوییم، آن ها را دفع کرد. هرچه انرژی بیشتری استفاده شود ، الکترون ها سریع تر شتاب می گیرند.
ممکن است تصور کنید که برای رسیدن به سرعت مورد نیاز ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه فقط باید انرژی مورد استفاده را افزایش دهید، اما به نظر می رسد که حرکت الکترون به این سرعت امکان پذیر نیست. آزمایشات Bertozzi نشان داد که استفاده از انرژی بیشتر باعث افزایش مستقیم و متناسب سرعت الکترون نمی شود.
در عوض، او نیاز به استفاده از مقادیر بیشتر انرژی اضافی برای ایجاد اختلافات کوچک تر در سرعت حرکت الکترون ها داشت. آن ها به سرعت نور نزدیکتر و نزدیکتر می شدند اما هرگز کاملاً به آن نرسیدند.
تصور کنید که در حرکتی به سمت یک درب سفر می کنید، در هر حرکت دقیقاً نیمی از فاصله موقعیت فعلی خود و درب را طی می کنید. به طور دقیق، شما هرگز به در نخواهید رسید، زیرا بعد از هر حرکتی که انجام می دهید باز هم مسافتی برای پیمودن فاصله دارید. این همان مشکلی است که برتوزی با الکترون هایش روبرو شده است.
اما نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. چرا این ذرات می توانند با سرعت نور حرکت کنند در حالی که ذراتی مانند الکترون نمی توانند؟
چرا سرعت الکترون به سرعت فوتون نمی رسد
می توان گفت برای پاسخ به این سوال که چرا نمی توانیم از نور سریع تر حرکت کنیم، باید متوجه شویم که چرا سرعت الکترون به فوتون نمی رسد.
راجر رسول، فیزیکدان دانشگاه ملبورن می گوید: “هرچه اجسام سریع تر و سریع تر حرکت می کنند، سنگین تر و سنگین تر می شوند – هرچه سنگین تر شوند ، دستیابی به شتاب دشوارتر است – بنابراین هرگز به سرعت نور نمی رسید.”
وی ادامه می دهد: “یک فوتون در واقع جرمی ندارد.اگر جرم داشت، نمی توانست با سرعت نور حرکت کند.”
فوتون ها بسیار خاص هستند. آن ها نه تنها فاقد جرم هستند، بلکه آزادی عمل هم دارند. انرژی طبیعی که آن ها در اختیار دارند – همانطور که در امواج حرکت می کنند – به این معنی است که لحظه ای که ایجاد می شوند از حداکثر سرعت برخوردار هستند.
در حقیقت، از برخی جهات فکر کردن در مورد نور به عنوان انرژی به جای جریان ذرات منطقی تر است. هرچند که کمی گیج کننده به نظر می آید، نور هردو حالت را شامل می شود!
هنوز هم، به نظر می رسد که نور گاهی اوقات کندتر از آنچ ه انتظار داریم حرکت می کند. اگرچه تکنسین های اینترنتی دوست دارند در مورد ارتباطات با “سرعت نور” از طریق فیبرهای نوری صحبت کنند، اما نور در شیشه این فیبرها ۴۰ درصد کندتر از خلا عبور می کند.
در حقیقت، فوتون ها هنوز با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه در حال حرکت هستند اما آن ها با نوعی تداخل ناشی از آزاد شدن سایر فوتون ها از اتم های شیشه، هنگام عبور موج اصلی نور، روبرو هستند.
هنوز هم در بیشتر موارد منصفانه است که بگوییم نور با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه حرکت می کند. ما واقعاً چیزی را مشاهده نکرده و ایجاد نکرده ایم که بتواند خیلی سریع یا در واقع سریع تر از این سرعت پیش برود. چند مورد خاص وجود دارد که در زیر ذکر شده است، اما قبل از آن، بیایید به این سوال دیگر بپردازیم. چرا قانون سرعت نور اینقدر سرسخت است؟
پاسخ این سوال مانند اغلب جواب ها در فیزیک در شخصی به نام آلبرت انیشتین نهفته است. نظریه نسبیت خاص وی بسیاری از پیامدهای این محدودیت های سرعت جهانی را بررسی می کند.
نظریه های انیشتین درباره نور و سرعت آن
یکی از عناصر مهم در تئوری های انیشتین، ثابت بودن سرعت نور است. مهم نیست که کجا هستید و چه سرعتی دارید، نور همیشه با همان سرعت حرکت می کند. اما این مسئله برخی از مشکلات مفهومی را ایجاد می کند.
تصور کنید از سقف یک فضاپیما منبع ثابت نور از یک مشعل تا یک آینه می درخشد. نور به سمت بالا خواهد تابید، از آینه منعکس می شود و پایین می آید تا به کف فضاپیما برخورد کند. فرض کنیم مسافت طی شده ۱۰ متر است.
حال بیایید تصور کنیم که فضاپیما با سرعت بسیار زیاد، هزاران کیلومتر در ثانیه، سفر خود را آغاز کند.
هنگامی که دوباره مشعل می تابد، به نظر می رسد که نور همچنان مانند گذشته رفتار می کند؛ به سمت بالا می درخشد، به آینه برخورد می کند و برای برگشت به کف برمی گردد.
اما برای انجام این کار نور باید به صورت مورب حرکت کند نه فقط به صورت عمودی. از این گذشته، هم اکنون آینه در کنار فضاپیما به سرعت در حال حرکت است.
مسافتی که نور طی می کند افزایش می یابد. بیایید تصور کنیم به طور کلی ۵ متر افزایش یافته است. در کل، به جای ۱۰ متر ، ۱۵ متر است.
و با این حال، حتی اگر فاصله افزایش یافته باشد، نظریه های انیشتین اصرار دارند که نور هنوز با همان سرعت در حال حرکت است. از آن جا که سرعت مسافت را بر زمان تقسیم می کند، برای این که سرعت یکسان باشد اما فاصله افزایش یابد، باید زمان نیز افزایش یابد.
بله درست است، زمان باید کاملاً کشیده شده باشد. این حرف نا واضح و گیج کننده به نظر می آید، اما به صورت تجربی ثابت شده است.
این پدیده ای است که به عنوان تاخیر زمان شناخته می شود و بدان معناست که زمان مسافرت برای افرادی که با وسایل نقلیه سریع حرکت می کنند، نسبت به افرادی که ثابت هستند، کندتر حرکت می کند.
به عنوان مثال، زمان برای فضانوردان در ایستگاه فضایی بین المللی که نسبت به کره زمین با سرعت ۷.۶۶ کیلومتر بر ثانیه در حال حرکت است، ۰.۰۰۷ ثانیه کندتر است.
وقتی اجسام نسبت به اشیا دیگر به سرعت حرکت می کنند، طول آن ها نیز منقبض می شود. این عواقب، تاخیر زمان و انقباض طول هر دو نمونه ای از تغییرات فضا-زمان بر اساس حرکت چیزهایی هستند – مانند شما ، من یا یک فضاپیما – که دارای جرم اند.
همانطور که انیشتین گفت، نور به شیوه مشابه تحت تأثیر قرار نمی گیرد زیرا جرم ندارد. به همین دلیل بسیار مهم است که همه این اصول دست به دست هم دهند. اگر هر چیزی بتوانند سریع تر از نور حرکت کند، از این قوانین اساسی که نحوه کار جهان را توصیف می کنند، سرپیچی خواهد کرد و می توان گفت این پاسخی است بر این سوال که چرا نمی توانیم از نور سریع تر حرکت کنیم.
