خانه / علم و فناوري / نور و صدا: موج بودن

نور و صدا: موج بودن

این بحث چکیده ای از مطالب سه کتاب زیر است:

How to Teach Quantum Physics to Your Dog” Book by Chad Orzel”
Einstein: His Life and Universe” Book by Walter Isaacson”
A Universe from Nothing” Book by Lawrence M. Krauss”

اجسام اطراف ما مجموعه ای از ذرات هستند که با بهم پیوستن، هم اشکال متفاوتی ایجاد کرده اند هم جرم های مختلفی. یک دانه ذرت و یک میزتحریر را در نظر بگیرید. اگر این دو جسم را با سرعت یکسان و در یک جهت پرتاب کنیم، هر دو در یک نقطه فرود می آیند و این مکان مشخص با قوانین فیزیک کلاسیک (یا فیزیک نیوتنی) که در دوران دبیرستان آموخته ایم  قابل محاسبه است. اگر قوانین فیزیک کلاسیک را بپذیریم، قبول کرده ایم که هر ذره یا جسم موقعییت مشخصی دارد یعنی می دانیم کجاست؛ سرعت مشخصی دارد یعنی در حال حرکت در جهتی مشخص است (یا کاملا ساکن است) و بالاخره، جرم مشخصی دارد. با ضرب جرم جسم (یا ذره) در سرعتش، نیروی حرکتی یا مومنتوم آن را محاسبه کرده ایم.  مشخصا جسم ساکن نیروی حرکتی ندارد اما ماشین یک تنی که با سرعت 80 کیلومتر در ساعت حرکت می کند مومنتوم فوق العاده بالایی دارد. نکته قابل توجه دیگر در تعریف فیزیک کلاسیک از ذرات یا اجسام این است که قابل شمارش اند. مثلا اگر آدم پول داری باشید می دانید چند خانه، ماشین یا دوست دختر یا دوست پسر دارید. یا مثلا اگر تعداد مولهای یک گاز را در عدد آووگاردو ضرب کنیم تعداد مولکول های گاز را شمارش کرده ایم.

امواج اما داستان متفاوتی دارند. موج در واقع طرحی از یک جابه جایی متداوم و تکرار شونده است. فرض کنید از یک موج در یک لحظه عکس گرفته اید. با نگاه به این عکس متوجه میشوید که موج یک الگوی مشخص دارد. اگر روی موج راه بروید، می بینید مدام در حال بالا و پایین رفتن هستید. میزان این بالا رفتن ها یا پایین آمدن ها همان دامنه موج است. اگر فاصله دو نقطه بالایی یا پایینی روی موج را اندازه بگیرید، طول موج را اندازه گرفته اید. خاصییت سوم موج یا همان فرکانس را نمی توان با عکاسی از موج اندازه گرفت چراکه فرکانس موج با زمان در ارتباط است. در واقع فرکانس موج همان تعداد بالا و پایین رفتن های شما در یک بازه زمانی مشخص (مثلا یک دقیقه یا یک ساعت) است. همان طور که می بینید، موج یک تفاوت عمده با ذره دارد. موج موقعییت خاصی ندارد. طول موج و فرکانس آن الگوی موج را تعریف می کنند ولی نمی توان به یک مکان خاص اشاره کرد و گفت موج اینجاست. تفاوت مهم دیگر موج با ذره این است که موج قابل شمارش نیست. شما یک ذره دارید یا ده تا یا صد تا. ولی موج را یا دارید یا ندارید. اضافه و کم کردن امواج هم قوانین خاص خود را دارد. پدیده تداخل امواج یکی از شگفت انگیزترین تفاوت های امواج و ذرات است.

حالا که صحبت از امواج شد بگذارید نگاهی بیاندازیم به امواجی که در زندگی روزمره با آنها سر و کار داریم: نور و صدا. اگرچه بر اساس فیزیک کلاسیک نور و صدا هر دو موج هستند ولی ویژگی های خیلی متفاوتی دارند. صدا به نوعی با فشار هوا در ارتباط است ولی نور یک تشعشع الکترومغناطیسی است. وقتی فریاد میکشیم در واقع هوا را با شدت از دهان بیرون رانده و فشرده می کنیم یا می لرزانیم. این لرزش یا فشردگی در جهت مشخصی حرکت می کند تا به شنونده یا مانعی برخورد کند. نور هم در مسیر مستقیم حرکت می کند. اما یکی از اصلی ترین تفاوت های نور و صدا پس از برخورد آنها به موانع مشخص میشود. صدا پس از برخورد به جسم در اطراف آن شکسته میشود. وقتی امواج صوتی به روزنه ای (مثلا درب آشپزخانه) میرسند، مستقیم از روزنه عبور نمی کنند بلکه شکسته شده و در جهات مختلف پخش میشوند و ادامه مسیر میدهند (پدیده انکسار). اندازه این شکستگی بستگی به طول موج صوت و اندازه روزنه دارد. اگر روزنه از طول موج صوت خیلی بزرگتر باشد شکستگی اتفاق نمی افتد. ولی اگر طول موج صدا و روزنه هم اندازه باشند صدا پس از عبور از روزنه در همه جهات پخش میشود. هر مانعی در برابر امواج صوتی مانند روزنه عمل می کند. صداهای معمولی طول موجی حدود یک متر دارند. به همین خاطر است که صدای شکستن ظرفی در اشپزخانه را می توان از اتاق نشیمن شنید بدون اینکه نیازی به دیدن باشد.

نور اما وقتی به جسمی برخورد می کند به سختی شکسته میشود یا اصلا نمی شکند و در نتیجه سایه تاریکی در طرف دیگر جسم به وجود می آید. چرا؟ طول موج نور 400 تا 700 نانومتر است. این یعنی اگر طول موج نور را ده هزار برابر کنیم شاید به قطر یک تار مو برسیم. نور در اطراف اجسامی که به چشم می آیند پخش نمی شود چون این اجسام خیلی بزرگتر از طول موج نور هستند. سوال اینجاست که اگر شکست نور قابل مشاهده نیست پس چگونه می دانیم نور موج است؟ جواب ساده است. دانشمندان قرنها پیش عملا موج بودن نور را اثبات کردند. معروف ترین آزمایش را در این زمینه توماس یانگ در سال 1799 انجام داد. او دو شکاف فوق العاده نازک روی یک صفحه ایجاد کرد و نور را به آنها تاباند. او در طرف دیگر صفحه به جای دو شیار نورانی، شیارهای پر نور و کم نوری (چیزی شبیه بارکد های امروزی) مشاهده کرد. و این دلیل محکمی شد برای انکسار نور و موج بودن آن. جالب است که قبل از آزمایش یانگ، پدر فیزیک کلاسیک، نیوتن، معتقد بود نور جریانی از ذرات بسیار کوچک است.

این بحث ادامه دارد.

مطلب پیشنهادی

لامپ های کم مصرف یا ال ای دی

با توجه به اینکه برای خیلی ها سوال بود که آیا استفاده از لامپ های …

2 دیدگاه

  1. ببینیم کجا می بریمون. منتظریم.

  2. اول همون کتاب How to Teach Quantum Physics to Your Dog” Book by Chad Orzel” میگه که برای درک فیزیک کوانتوم باید اول یاد بگیریم کمی دنیا رو مثل سگ ها تحلیل کنیم. برای مثال اگه یک دفعه تو هوا از هیچ یک تکه استخوان ایجاد بشه یک سگ هیچ وقت تعجب نمیکنه و انگار که یه امر خیلی معمولی بوده قبولش میکنه.
    حالا واقعیت فیزیک کوانتوم هم همیه٬ اول باید بپذیرید که آموخته های فیزیک کلاسیک در سطح اجسام بزرگ شاید قابل قبول باشه اما در سطح ریز ذرات و در بحث بنیاد هستی و شروع داستان یکسره باید فراموش بشه.
    به نظر من که فیزیک کوانتوم واقعا آرامش بخشه!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *