«نور» چگونه بدون از دست دادن انرژی در سراسر جهان حرکت می‌کند؟
نویسنده این مطلب یک اخترفیزیک‌دان است که با طرح پرسش همسرش درباره چرایی «خسته نشدن نور» پس از پیمودن میلیون‌ها سال نوری، به توضیح ماهیت نور به‌عنوان تابش الکترومغناطیسی بدون جرم می‌پردازد.
لطفا به این مطلب امتیاز دهید
من با تلسکوپم که برای عکاسی نجومی در حیاط پشتی خانه‌ام در سن‌دیگو با آلودگی نوری زیاد تنظیم شده بود، به سوی کهکشانی با فاصله‌ای غیرقابل تصور از زمین نشانه رفته بود. همسرم کریستینا درست همان لحظه که نخستین عکس فضایی روی تبلت من ظاهر شد، نزدیک آمد. تصویر روی صفحه نمایش می‌درخشید. گفتم: «این کهکشان فرفره‌ای است.» نامش برگرفته از شکلش است، هرچند این فرفره کم و بیش حاوی یک تریلیون ستاره است.
به گزارش فرادید، نوری که از این کهکشان آمده بود، ۲۵ میلیون سال در فضا سفر کرده بود تا به تلسکوپ من برسد؛ چیزی حدود ۱۵۰ کوینتیلیون مایل! همسرم پرسید: «آیا نور در این سفر طولانی خسته نمی‌شود؟» کنجکاوی او آغازگر گفت‌وگویی تفکرانگیز درباره نور شد. چرا نور با گذر زمان فرسوده نمی‌شود و انرژی خود را از دست نمی‌دهد؟
ترکیبی از کهکشان فرفره (Messier ۱۰۱) با نور مرئی تلسکوپ هابل (زرد)، فروسرخ اسپیتزر (قرمز) و پرتو ایکس چاندرا (آبی)
من یک اخترفیزیک‌دان هستم و یکی از نخستین چیزهایی که در مطالعاتم آموختم این بود که نور اغلب رفتاری دارد که با شهود ما سازگار نیست. نور نوعی تابش الکترومغناطیسی است: به بیان ساده، موجی الکتریکی و موجی مغناطیسی که با هم ترکیب شده‌اند و در بستر فضا-زمان حرکت می‌کنند. نور جرم ندارد. این نکته کلیدی است، چون جرم یک شیء (چه ذره‌ای از گرد و غبار باشد، چه یک فضاپیما) سرعت نهایی آن در فضا را محدود می‌کند.
اما چون نور بی‌جرم است، می‌تواند به بیشینه سرعت ممکن در خلأ برسد (حدود ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر در ثانیه یا کم و بیش ۹٫۶ تریلیون کیلومتر در سال). هیچ چیز در فضا سریع‌تر از نور حرکت نمی‌کند. برای درک بهتر: زمانی که چشم برهم می‌زنید، یک ذره نور می‌تواند بیش از دو بار دور زمین بچرخد.
هرچند این سرعت خارق‌العاده است، اما فضا به‌شدت گسترده است. نوری که از خورشید در فاصله حدود ۱۵۰ میلیون کیلومتری زمین به ما می‌رسد، کمی بیش از ۸ دقیقه زمان می‌برد. به بیان دیگر، نوری که اکنون می‌بینید، ۸ دقیقه پیش از خورشید خارج شده است.
آلفا قنطورس، نزدیک‌ترین ستاره به ما پس از خورشید در فاصله ۴۱ تریلیون کیلومتری قرار دارد. بنابراین نوری که از آن به ما می‌رسد، بیش از ۴ سال نوری سن دارد یا همان‌طور که اخترشناسان می‌گویند، فاصله‌اش ۴ سال نوری است.
با در نظر گرفتن این فاصله‌های عظیم، به پرسش کریستینا بازگردیم: چطور ممکن است نور در سراسر کیهان سفر کند و به‌تدریج انرژی خود را از دست ندهد؟ در واقع، بخشی از نور انرژی خود را از دست می‌دهد. این زمانی رخ می‌دهد که برای نمونه با غبار میان‌ستاره‌ای برخورد کند و پراکنده شود. اما بیشتر نورها بدون برخورد با چیزی حرکت می‌کنند. کم و بیش همیشه این‌طور است چون فضا بیشتر تهی است (خلأ)، بنابراین چیزی سر راهش نیست. وقتی نور آزادانه حرکت می‌کند، هیچ انرژی‌ای از دست نمی‌دهد و می‌تواند تا ابد با همان سرعت ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر در ثانیه حرکت کند.
پای زمان در میان است
اینجا مفهوم دیگری مطرح است: خود را در نقش یک فضانورد در ایستگاه فضایی بین‌المللی تصور کنید. شما با سرعت حدود ۲۷٬۰۰۰ کیلومتر در ساعت در مدار هستید. در قیاس با فردی روی زمین، ساعت مچی شما در طول یک سال، ۰٫۰۱ ثانیه کندتر کار خواهد کرد.
این پدیده «اتساع زمان» نام دارد؛ زمان در شرایط مختلف با سرعت‌های متفاوتی پیش می‌رود. اگر شما خیلی سریع حرکت کنید یا نزدیک یک میدان گرانشی بزرگ باشید، ساعت‌تان کندتر از کسی که آهسته‌تر حرکت می‌کند یا دورتر از میدان گرانشی است، کار خواهد کرد. به‌بیان ساده، زمان نسبی است!
فضانورد زن در ایستگاه فضایی با موی معلق در بی‌وزنی
اکنون در نظر بگیرید نور به‌طور جدایی‌ناپذیری با زمان در ارتباط است. فرض کنید روی یک فوتون (ذره بنیادین نور) نشسته‌اید؛ در این حالت، شما حداکثر اتساع زمان را تجربه خواهید کرد. از دید ناظران زمینی، شما با سرعت نور حرکت می‌کنید، اما از دید خودتان، زمان به‌کل متوقف شده است.
دلیلش اینست که «ساعت‌ها» در دو مکان متفاوت با سرعت‌های کاملاً متفاوت هستند: فوتونی که با سرعت نور حرکت می‌کند و زمین که با سرعتی بسیار کمتر به دور خورشید می‌چرخد.
افزون بر این، وقتی با سرعت نور با نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنید، فاصله بین مبدا و مقصد کوتاه‌تر می‌شود. به بیان دیگر، خود فضا در جهت حرکت فشرده‌تر می‌شود، بنابراین هرقدر سریع‌تر حرکت کنید، مسیر برایتان کوتاه‌تر به نظر می‌رسد. برای فوتون، فضا فشرده می‌شود.
و این ما را به تصویر کهکشان فرفره‌ای بازمی‌گرداند. از دیدگاه یک فوتون، ستاره‌ای در آن کهکشان آن را گسیل کرده و درست در همان لحظه، یک پیکسل در دوربین حیاط پشتی من آن را جذب کرده است. چون فضا برای فوتون فشرده شده، کل این سفر از نگاه آن بی‌نهایت سریع و بی‌نهایت کوتاه بوده؛ چیزی در حد کسری بسیار کوچک از یک ثانیه.
اما از دید ما روی زمین، فوتون ۲۵ میلیون سال پیش از آن کهکشان خارج شده و ۲۵ میلیون سال نوری را طی کرده تا در تبلت من در حیاط پشتی فرود بیاید و همان شب خنک بهاری، تصویر شگفت‌انگیز آن انگیزه‌بخش گفت‌وگویی دل‌انگیز میان منِ شیفته فضا و همسر کنجکاوم شد.
