سرعت نور چگونه اندازه گیری می شود؟

سرعت نور در خلا دقیقا برابر 299792458 متر در ثانیه است. امروزه به کمک لیزرها سرعت نور با بیشترین دقت اندازه‌گیری شده است، به طوری که فاصله یک متر را هم با استفاده از سرعت نور تعریف می‌کنند؛ مسافتی که نور در 1/299792458 ثانیه می‌پیماید، برابر یک متر است. سرعت نور در بسیاری از محاسبات فیزیکی نیز وارد می‌شود که شاید معروف‌ترین آنها رابطه برابری جرم و انرژی انیشتین باشد: E = mc^2.

در دنیا هیچ چیز سرعتی بیشتر از سرعت نور ندارد. البته اگر یک مورد خاص را فاکتور بگیریم؛ سرعت کامنت گذاشتن دختران و پسران جوان زیر پست اینستاگرام محمدرضا گلزار یا الناز شاکردوست، اگر که محتوای پست این باشد: “من با اولین نفری که کامنت بذاره ازدواج می‌کنم!”

اما چه روش‌هایی برای اندازه‌گیری چنین سرعت سرسام‌آوری وجود دارد؟ (منظور سرعت نور است و نه کامنت گذاری!) در اینجا سه مورد را بیان می‌کنیم. پس با گجت‌نیوز همراه باشید.

فانوسی در بالای تپه

وقتی نام گالیله به میان می‌آید، بسیاری افراد کارهای رصدی وی با تلسکوپ کوچکش را به یاد می‌آورند. اما در واقع کارهای گالیله بسیار فراتر از اینهاست. تلاش وی برای اندازه‌گیری سرعت نور، از جمله آنها محسوب می‌شود. در آن زمان، بسیاری از افراد عقیده داشتند که نور دارای سرعت بی‌نهایت است و به طور آنی در فضا منتشر می‌شود.

آزمایشی که گالیله برای اندازه‌گیری سرعت نور پیشنهاد داد به این صورت است: در شب دو فانوس بردارید و آنها را تا جایی که هنوز بتوان نور هریک را دید از هم جدا کنید. هر فانوس را یک شخص بایستی در دست بگیرد و وسیله شاترمانندی نیز داشته باشد تا بتواند هر لحظه‌ای که خواست، نور فانوس را روشن و خاموش کند.

البته این آزمایش برای اندازه‌گیری چنین سرعت بالایی که نور دارد، مناسب نیست. فرض کنید که که دو فانوس را در یک کیلومتری هم قرار می‌دهیم. زمانی که طول بکشد تا نور این مسیر یک کیلومتری را در رفت و برگشت طی کند، در برابر مدت زمان واکنش یک انسان عادی، فوق‌العاده ناچیز است. علاوه بر این مورد، ثبت دقیق زمان توسط انسان را نیز اضافه کنید که با خطای بسیاری همراه است. این روش برای اندازه گرفتن سرعت صوت می‌تواند به کار رود. اما برای نور کاربردی ندارد. در نهایت تنها نتیجه‌ای که گالیله توانست از این آزمایش بگیرد این بود که سرعت نور فوق‌العاده زیاد است.

قمرهای مشتری

از بین تمامی قمرهای مشتری، چهار عدد از آنها را می‌توان حتی با یک دوچشمی مشاهده کرد. مسئله مهم اینست که این قمرها مدارهای بسیار منظم و پیش‌بینی پذیری دارند و با استفاده از همین حرکت‌ها، قادر خواهیم بود تا سرعت نور را اندازه گیری کنیم.

این دقیقا همان کاری است که Ole Roemer در سال 1676 انجام داد. کاری که وی انجام داد، نگاه دقیق به قمر “یو” مشتری بود تا از مدار این قمر به عنوان یک ساعت دقیق استفاده کند (چرا که در آن زمان هنوز ساعت‌های بسیار دقیق ساخته نشده بود). Roemer فاصله زمانی دو بار گذر این قمر از برابر مشتری را اندازه گرفت. او فهمید که وقتی زمین به مشتری نزدیک‌تر است، این فاصله زمانی کمتر از وقتی است که زمین در فاصله دورتری از مشتری قرار دارد.

اگر به این تفاوت در فاصله دقت کنید، یعنی زمانی که زمین در نزدیک‌ترین و دورترین فاصله نسبت به مشتری قرار دارد، خواهید دید که این تفاوت درست برابر قطر مدار زمین است. وقتی زمین در فاصله دور خود از مشتری قرار دارد (یعنی به طور مثال در ماه June در شکل بالا)، مدت زمان بیشتری طول خواهد کشید تا نور از قمر یو به زمین برسد و بنابراین دوره تناوبی که برای یو بدست خواهد آمد، کمی بیشتر می‌شود. بنابراین تنها با اندازه‌گیری تغییرات در دوره تناوب ظاهری یو و تفاوت فاصله‌ای که زمین در این دو حالت تا مشتری دارد (برابر قطر مدار زمین)، تقریبی از سرعت نور را می‌توان بدست آورد. این همان کاری بود که Roemer انجام داد.

مدار زمین بسیار بزرگتر از دو فانوسی است که گالیله قصد داشت با کمک آنها سرعت نور را اندازه بگیرد و بنابراین تفاوت زمانی قابل توجه‌تری ایجاد خواهد کرد. با این حال این آزمایش نیز، وابسته به این است که بتوان اندازه قطر مداری زمین و همینطور تفاوت زمان‌های ثبت‌شده را با دقت زیادی اندازه‌گیری کرد. تخمینی که Roemer ارائه کرد هنوز از مقدار واقعی سرعت نور کمی انحراف داشت.

چرخ دندانه‌ای متحرک

آزمایشی که Fizeau طراحی کرد به این صورت بود: استفاده از چرخی دندانه‌ای شکل که با سرعت زیاد در حال چرخش است و از یک منبع، پرتو نوری تابش شده که از میان یکی از این شکاف‌های چرخ‌دنده عبور می‌کند. آینه‌ای در فاصله چند کیلومتری قرار گرفته که نور تابیده را بازتاب می‌دهد. سرعت چرخ‌دنده و فاصله آینه بازتابنده طوری تنظیم می‌شود که این پرتو بازتابیده در برگشت، از بین شکاف بعدی چرخ‌دنده عبور کند. به این صورت با داشتن فاصله طی‌شده توسط پرتو نور و همینطور مدت زمانی که طول کشیده است تا چرخ‌دنده به میزان مشخصی حرکت کند، می‌توان سرعت نور را محاسبه کرد.

Fizeau در سال 1848 این آزمایش را انجام داد و سرعت نور را با تقریب خوبی درست بدست آورد. سرعتی که او محاسبه کرد تنها حدود 5 درصد بیشتر از سرعت واقعی نور بود.

البته روش‌های زیاد دیگری نیز برای اندازه‌گیری سرعت نور وجود دارد، اما شاید این چند مورد از مهم‌ترین‌های اینگونه آزمایش‌ها بوده‌اند.