پرتوی نور از چه درست شده است؟

مجله دیجی کالا - مهدی مومن زاده: تا به حال فکر کرده‌اید که نور دقیقا چیست؟ همان چیزی که باعث می‌شود بتوانیم دنیای اطراف را با استفاده از دو حسگری که روی سرمان قرار گرفته ببینیم. چشمان ما، حسگرهای نور هستند.

نور از آن پدیده‌هایی است که هرچند همیشه به طور مستقیم با آن سر و کار داریم و کل حیات روی زمین تحت تاثیر آن تکامل یافته، ولی صدها و بلکه هزاران سال در پی شناخت آن بودیم. فقط در یکی دو قرن اخیر بود که توانستیم شناخت به نسبت خوبی از آن پیدا کنیم، با این حال هنوز هم شناخت ما خیلی دقیق نشده است.

سازمان ملل متحد، سال ۲۰۱۵ را سال جهانی نور نام‌گذاری کرده است، به همین مناسبت، این مقاله را تهیه کرده‌ایم. به راستی نور چیست؟ ماده است یا انرژی؟ ذره است یا موج؟ آیا نور فقط همان چیزیست که می‌بینیم؟ آیا اشکال دیگری از نور هم در دنیا وجود دارد؟

امروز فیزیک‌دان‌ها تا حد زیادی با ماهیت واقعی نور آشنایی دارند. آن‌ها دقیقا می‌دانند که نور در چه زمانی پس از مهبانگ (انفجار بزرگ که منجر به پیدایش جهان شد) بوجود آمد. آن‌ها تا حدی می‌دانند که نور را چطور کنترل و از آن برای کارهای مختلف استفاده کنند.

با این حال همیشه این‌طور نبوده است. احتمالا یکی از اولین کسانی که خیلی جدی در پی شناخت ماهیت نور، کنترل و استفاده از آن رفت، «ابن هیثم»، دانشمند ایرانی بود. او دقیقا ۱۰۰۰ سال پیش کتابی هفت جلدی به نام «المناظر» نوشت. با این حال آن‌چه امروز از ماهیت واقعی نور می‌دانیم بیش از ۱۵۰ سال عمر ندارد.

نکته‌ی جالب این‌جاست که شناخت نهایی نور، با مطالعه‌ی دقیق خود نور میسر نشد، بلکه با بررسی اطلاعاتی که از دهه‌ها تحقیق بر روی ماهیت «الکتریسیته» و «مغناطیس» جمع‌آوری شده بود، بدست آمد. الکتریسیته و مغناطیس، دو پدیده‌ی کاملا جداگانه به نظر می‌رسند.

ولی دانشمندانی مثل «هانس کریستین اورستد» (Hans Christian Oersted) و «مایکل فارادی» (Michael Faraday) نشان دادند که این دو پدیده کاملا در هم تنیده‌اند.


نورمرئی، قسمتی از طیف الکترومغناطیس

ریاضی‌دانان آن زمان، با جمع‌آوری اطلاعات سال‌ها آزمایش و مشاهده بر روی دو پدیده‌ی الکتریسیته و مغناطیس،‌ توانستند نظریه‌ای جدید به نام «الکترومغناطیس» بسازند.

الکترومغناطیس همان پدیده‌ای است که بعدها به عنوان یکی از چهار نیروی بنیادین جهان شناخته شد. سه نیروی دیگر، گرانش، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف هستند. در اواسط قرن نوزدهم، دانشمندی به نام «جیمز کلارک مکسول» (James Clerk Maxwell) توانست با استفاده از معادلات ریاضی، تصویری یکپارچه از پدیده‌ی الکترومغناطیس بسازد.

معادلات مکسول کمک زیادی به توضیح و شناخت ماهیت نور کرد. آن‌چه مکسول با این معادلات به دنیای علم اهدا کرد، آن‌قدر بزرگ بود که آلبرت انشتین درباره‌ی او می‌گوید: «مکسول برای همیشه جهان را تغییر داد.»


مکسول نشان داد که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به صورت موج حرکت می‌کنند. در ضمن سرعت حرکت آن‌ها، به اندازه‌ی سرعت حرکت نور است. این به مکسول اجازه داد فکر کند که خود نور، با امواج الکترومغناطیسی حمل می‌شود.

بدین معنی که نور یکی از اشکال تابش الکترومغناطیسی است. در اواخر دهه‌ی ۱۸۸۰ و تنها چند سال پس از مرگ مکسول، فیزیک‌دانی آلمانی به نام «هاینریش هرتز» (Heinrich Hertz) اولین کسی بود که به صورت رسمی اعلام کرد نظریه‌ی الکترومغناطیس مکسول صحیح است.

«گراهام هال» (Graham Hall) از دانشگاه ابردین در اسکاتلند می‌گوید: «اگر در زمان زندگی مکسول و هرتز جایزه‌ی نوبل وجود داشت، این دو حتما برنده‌ی آن می‌شدند.» دانشگاه ابردین، جاییست که مکسول در اواخر دهه‌ی ۱۸۵۰ در آن کار می‌کرد.

مکسول به علم نورشناسی خدمت بزرگ دیگری نیز کرده است. در سال ۱۸۶۱، او نخستین عکس رنگی جهان را گرفت. دست کم نوعی از عکس رنگی که دوام زیادی داشت. عکس رنگی مکسول با استفاده از سه فیلتر رنگی تهیه شده بود.



ممکن است این گزاره که نور یکی از انواع تابش الکترومغناطیسی است همچنان به نظرتان مفهوم نباشد. برای توضیح بیشتر باید گفت که همه‌ی ما طبق تجربه‌ای که از زندگی روزمره داریم، می‌دانیم که نور مرئی از طیفی از رنگ‌ها تشکیل شده است.

بسیاری اوقات پس از بارش باران، می‌توانیم طیف رنگی نور را به شکل رنگین‌کمان ببینیم. این رنگ‌ها دقیقا بازگوکننده‌ی مفهوم تابش الکترومغناطیسی مکسول هستند. نوار قرمز‌رنگی که در یک طرف رنگین کمان قرار دارد، نشانگر طول موج ۶۲۰ تا ۷۵۰ نانومتر طیف الکترومغناطیس است. نوار بنفش که در سوی دیگر رنگین کمان قرار دارد، نشانگر طول موج بین ۳۸۰ تا ۴۵۰ نانومتر طیف الکترومغناطیس است.


طیف الکترومغناطیس خیلی گسترده‌تر از این چند رنگ و در واقع همان نور مرئی که چشم ما می‌تواند ببیند است. به پرتویی که طول موج آن کمی بلندتر از نور قرمز است «فروسرخ»، و به پرتویی که طول موج آن کمی کوتاه‌تر از بنفش است «فرابنفش»، می‌گوییم.

«الفتریوس گولیلماکیس» (Eleftherios Goulielmakis) از انستیتوی اپتیک‌ کوانتمی مکس پلانک در آلمان می‌گوید: «بسیاری از حیوانات و البته بعضی از مردم می‌توانند پرتوی فرابنفش را ببینند. بعضی وقت‌ها می‌توان افرادی را پیدا کرد که می‌توانند پرتوی فروسرخ را هم مشاهده کنند.» با این حال بیشتر مردم نمی‌توانند این دو طیف را ببینند.


اگر از پرتوی فرابنفش فراتر برویم، به طول موج‌هایی در حد ۱۰۰ نانومتر می‌رسیم. جایی که به آن‌ محدوده‌ی پرتوی ایکس و گاما می‌گوییم. آن‌سوی طول‌ موج‌هایی که آن را فروسرخ می‌خوانیم، طول موج به ۱ سانتی‌متر و بیشتر می‌رسد. به طوری که حتی تا هزاران کیلومتر هم افزایش می‌یابد.

به این طول‌ موج‌ها، طول‌موج‌های مایکروویو و رادیویی می‌گوییم. گولیلماکیس می‌گوید: «از نظر فیزیک، به جز طول موج هیچ تفاوت بنیادینی بین نور مرئی و امواج رادیویی وجود ندارد. دانشمندان آن‌ها را دقیقا با معادلاتی یکسان مطالعه می‌کنند.

ما فقط در زبان روزانه‌ی خود از آن‌ها با نام‌هایی متفاوت نام می‌بریم.» بنابراین حالا یک تعریف دیگر برای نور داریم: «نور قسمتی بسیار باریک از تابش الکترومغناطیس است که چشمان ما توانایی دیدن آن را دارد.»

الکترومغناطیس موج است یا ذره؟

فعالیت‌های مکسول 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. او این‌طور استدلال کرد که چون امواج در چنین مسیر‌های دقیق، مستقیم و قابل پیش‌بینی حرکت نمی‌کنند، بنابراین نور باید بوسیله‌ی یک سری ذرات بسیار ریز و بی‌وزن حمل شود. پس نتیجه گرفت که نور، ماهیت ذره‌ای دارد.


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.


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 مکسول 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.


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.


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.


ابزارهای جدید مثل «ترکیب‌کننده‌های میدان نوری» می‌توانند امواج نور را با یکدیگر ترکیب کنند. در نتیجه می‌توانند پالس‌های نوری ایجاد کنند که خیلی فشرده‌تر، کوتاه‌تر و مستقیم‌تر از لامپ‌های معمولی هستند. در ۱۵ سال گذشته، از این ابزارها برای کنترل نور استفاده شده است.

در سال ۲۰۰۴، گولیلماکیس و همکارانش توانستند پالس‌های بسیار کوتاهی از پرتوی ایکس تولید کنند. هر پالس فقط به اندازه‌ی ۲۵۰ «آتوثانیه» (attosecond) دوام داشت. با استفاده از این پالس‌های کوتاه که مثل فلاش دوربین بودند، آن‌ها توانستند عکس‌هایی از موج‌های مجزای نور مرئی بگیرند.

این امواج خیلی آهسته‌تر از پالس‌های پرتوی ایکس نوسان می‌کنند. آن‌ها در حقیقت توانستند از حرکت امواج نور عکس بگیرند. گولیلماکیس می‌گوید: «ما از زمان مکسول می‌دانستیم که نور یک میدان نوسان‌کننده‌ی الکترومغناطیسی است.

ولی کسی فکرش را نمی‌کرد بتوانیم از این امواج در حالی که نوسان می‌کنند عکس بگیریم.» دیدن امواج نور به صورت مستقل، گام نخست به سوی کنترل آن‌هاست.»

یک قرن پیش، اثر فوتوالکتریک نشان داد که نور مرئی بر روی الکترون‌های یک فلز اثر می‌گذارد. گولیلماکیس می‌گوید که دستکاری دقیق این الکترون‌ها با استفاده از امواج نور مرئی که طوری شکل یافته‌اند تا با فلزات به شیوه‌ای مشخص برخورد کنند مسیر خواهد شد.

او می‌گوید: «ما می‌توانیم نور و سپس بوسیله‌ی آن، ماده را کنترل کنیم.» این می‌تواند الکترونیک را متحول کند. منجر به بوجود آمدن نسل جدیدی از کامپیوترهای نوری شود که از آن‌چه اکنون داریم کوچک‌تر و سریع‌تر هستند.

این بدین معنیست که می‌توانیم الکترون‌ها را به نحوی که می‌خواهیم به حرکت در آوریم و تعریفی جدید از نور ارائه دهیم، این که نور یک ابزار است.

این چیز جدیدی نیست. در حقیقت زندگی روی زمین، از همان زمان که ارگانیسم‌های دارای سلول‌‌های حساس به نور بوجود آمدند، توانست از نور استفاده کند. چشم انسان در حقیقت حسگری است که از بخش مرئی پرتوی الکترومغناطیس استفاده می‌کند تا انسان بتواند جهان پیرامونش را بهتر درک کند.

فناوری نوین، این ایده را بیشتر گسترش می‌دهد. در سال ۲۰۱۴،‌ جایزه‌ی نوبل شیمی به پژوهشگرانی تعلق گرفت که میکروسکوپ نوری بسیار قدرتمندی ساختند. آن‌قدر قدرتمند که پیش از آن کسی فکر نمی‌کرد بتوان چنین چیزی ساخت.

این بدین معنیست که با کمی تلاش، نور می‌تواند چیز‌هایی را به ما نشان دهد که پیش از آن فکرش را نمی‌کردیم.