فضا، زمان و حرکت ( قسمت ۶)
نور: موج میدان الکترومغناطیسی
همگی دیده ایم که وقتی آرامش سطح آب یک برکه به دلیلی مانند افتادن یک سنگریزه روی آن به هم میخورد، موجی بر سطح آن ایجاد میشود که به شکل یک دایره گسترش مییابد. برای سادگی مطلب، هر میدان را مشابه یک برکه آرام ۳بُعدی بینهایت بزرگ در نظر بگیرید.
در تئوری میدانها، نشان داده میشود که هر تحریکی که به هر نقطه از یک میدان وارد شود، موجی در آن نقطه شکل میگیرد و در همان میدان گسترش می یابد. به عنوان مثال، موج صوتی که در اثر تحریک تارهای صوتی در هوا ایجاد میشود با سرعتی حدود ۳۴۰ متر در ثانیه حرکت میکند. به همین ترتیب، هر تحریکی هم که به میدانهای الکتریکی، مغناطیسی، الکترومغناطیسی و نیز گرانشی (که بعدا با آن آشنا خواهیم شد) وارد شود، موج خاصی در آنها شکل خواهد داد که در همان میدان منتشر خواهد شد. به زبان ساده، هدف ماکسول مطالعه و توصیف موج الکترومغناطیسی ایجاد شده در میدان بود که آن را به کمک معادله موج که قبل از او در فیزیک وجود داشت، انجام داد.
همانطور که در مورد امواج صوتی اشاره شد، هر موج با سرعتی خاص منتقل میشود که این سرعت به شرایط محیط یا آنچه موج را حمل میکند، بستگی دارد (مانند هوا برای امواج صوتی، آب برای امواج آب، ...). با این اوصاف، باید انتظار داشت که موج الکترومغناطیسی هم سرعت خاص خود را داشته باشد و چیزی هم وجود داشته باشد که آن را حمل کند! ماکسول نشان میدهد که سرعت این موج برابر است با نسبت شدت میدان الکتریکی به شدت میدان مغناطیسی که اکثرا در نوشته ها و کتاب های فیزیک آن را با حرف c نمایش میدهند.
شدت میدان الکتریکی برحسب ضریب تراوایی خلاء و شدت میدان مغناطیسی برحسب ضریب گذردهی خلاء تعریف میشود که مقادیر آنها قبل از ماکسول از طریق آزمایش به دست آمده بود. محاسبات ماکسول سرعت موج الکترومغناطیس را برحسب این دو ضریب تعریف میکند.
نظر به اینکه ضریب تراوایی خلا و ضریب گذردهی خلا مقدار ثابتی دارند، c هم باید عدد ثابتی باشد. در همان زمان، سرعت نور در طی آزمایشهای مختلف اندازه گیری شده بود و مقدار آن در فیزیک کاملا جا افتاده بود. در حقیقت، c همان عددیست که ماکسول برای موج الکترومغناطیسی بهدست آورده بود! همین تصادف، باعث میشود که ماکسول نور را یک موج الکترومغناطیسی تعبیر کند.
تئوری الکترومغناطیس ماکسول در چهار معادله ساده و زیبا ارائه میشود که آوردن آنها در اینجا نیاز نیست و خلاصه زیر برای ادامه بحث ما کفایت میکند:
- میدان های الکتریکی و مغناطیسی سایههای واقعیت یکپارچهای به نام میدان الکترومغناطیسی میباشند.
- نوسان شدت این دو میدان، موج الکترومغناطیسی را پدید میآورد.
- امواج الکترومغناطیسی در فضا انتشار مییابند (باید دید که چه چیزی نقش حامل را برای این امواج بازی میکند).
- سرعت امواج الکترومغناطیسی در خلاء برابر با 299792458 متر بر ثانیه است.
- سرعت امواج الکترومغناطیسی برابر با سرعت نور در خلاء است که پیشنهاد میکند که نور موج الکترومغناطیسی باشد!
تاکید میشود که در شروع کار، تنها هدف ماکسول بیان ریاضی دستاوردهای آزمایشات فاراده بوده است و موضوع نور ابدا مد نظر وی نبوده است. اما در ادامه، او با افزودن جملاتی خاص به معادلاتش متوجه ارتباط امواج الکترومغناطیسی با نور میشود.
این دومین بار بود که موضوع نور وارد فیزیک میشد، ولی این بار در قالب موج.
بار اول به کمک نظریه نیوتن بود که نور را مجموعهای از ذرات (فوتونها) تعریف میکرد. این تناقض، مشکل جدیدی بر سر راه فیزیک قرار داد، مشکلی که تلاش برای حل آن منجر به شکلگیری تئوریهای تازه و شاخه های جدید در فیزیک شد و هنوز هم یکی از مباحث جنجالی فیزیک میباشد. پرسشی که نیازمند پاسخ است این است: نظر به اینکه موج گسترهای از فضا را در بر میگیرد و ذره در نقطهای از فضا متمرکز میباشد، چگونه میتواند نور هم موج و هم ذره باشد؟ با طرح این سوال، فیزیک بعد از ماکسول وارد مرحله بسیار پر هیجانی گردید!
... ادامه دارد
@natphys
22
3December 25, 2025 1.8K 6
