جرد رابرتس، دانشمند پروژه، دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو.
این مقاله با مجوز Creative Commons از سایت The Conversation بازنشر شده است.
نسخه‌ی اصلی مقاله را می‌توانید در این لینک مطالعه کنید.
در حیاط خانه‌ام در سن‌دیگو، در میان آلودگی نوری آسمان شب، تلسکوپم را برای عکاسی نجومی تنظیم کرده بودم؛ لنز آن رو به کهکشانی بود که فاصله‌اش از زمین به‌سختی قابل درک است. همسرم، کریستینا، درست در لحظه‌ای آمد که اولین تصویر فضایی روی تبلتم ظاهر شد. تصویر درخشان روی صفحه نمایش ما می‌درخشید.
گفتم: «این کهکشان فرفره‌ایه.»
نامش از شکلش گرفته شده – البته این فرفره حدود یک تریلیون ستاره در خود دارد.
نوری که از این کهکشان آمده، ۲۵ میلیون سال در دل جهان سفر کرده – چیزی حدود ۱۵۰ کوینتیلیون (۱۰^۱۸) مایل – تا به تلسکوپ من برسد.
کریستینا با تعجب پرسید: «نور تو این مسیر طولانی خسته نمی‌شه؟»
همین پرسش ساده گفت‌وگویی عمیق و علمی بین ما شکل داد. در نهایت، واقعاً چرا نور با گذشت زمان فرسوده نمی‌شود یا انرژی‌اش را از دست نمی‌دهد؟
 |
| جرد رابرتس |
بیایید درباره نور حرف بزنیم
من یک اخترفیزیکدان هستم. یکی از نخستین چیزهایی که در تحصیلم یاد گرفتم این بود که نور اغلب رفتاری دارد که خلاف شهود ماست.
نور در اصل تابش الکترومغناطیسی است: ترکیبی از یک موج الکتریکی و یک موج مغناطیسی که در فضا-زمان حرکت می‌کنند. نور جرم ندارد، و این نکته بسیار مهم است، چون جرم هر جسمی – چه یک ذره غبار، چه یک سفینه فضایی – سرعت نهایی آن را محدود می‌کند.
اما چون نور بی‌جرم است، می‌تواند به حداکثر سرعت ممکن در خلأ برسد: حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه (۱۸۶ هزار مایل بر ثانیه)، یعنی نزدیک به ۹.۶ تریلیون کیلومتر در سال. هیچ چیز در فضا سریع‌تر از نور حرکت نمی‌کند.
برای درک بهتر این سرعت: در زمانی که شما پلک می‌زنید، یک ذره نور می‌تواند بیش از دو بار دور زمین بچرخد.
با وجود این سرعت سرسام‌آور، فضای بین ستاره‌ها بسیار وسیع است. نور خورشید، که ۱۵۰ میلیون کیلومتر با زمین فاصله دارد، کمی بیش از هشت دقیقه طول می‌کشد تا به ما برسد. یعنی نوری که می‌بینید، هشت دقیقه پیش از خورشید ساطع شده. نزدیک‌ترین ستاره به ما پس از خورشید، آلفا قنطورس، ۴۱ تریلیون کیلومتر فاصله دارد. نوری که از آن می‌بینید، چهار سال پیش راه افتاده؛ یا به زبان اخترشناسان، چهار سال نوری فاصله دارد.
پس نور انرژی از دست نمی‌دهد؟
با در نظر گرفتن این فاصله‌های عظیم، بیایید به پرسش کریستینا برگردیم: چگونه نور می‌تواند این همه راه را طی کند بدون اینکه انرژی‌اش را از دست بدهد؟
در واقع، گاهی نور مقداری انرژی از دست می‌دهد – مثلاً وقتی به غبار میان‌ستاره‌ای برخورد کرده و پراکنده می‌شود. اما بیشتر نور بدون برخورد با چیزی سفر می‌کند. این اتفاق بسیار رایج است، چون بیشتر فضای کیهان خلأ و خالی از ماده است. پس چیزی نیست که سر راه نور قرار بگیرد.
وقتی نور با مانعی برخورد نکند، انرژی‌اش را از دست نمی‌دهد و می‌تواند تا ابد با همان سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت کند.
پای زمان وسط است
حال مفهوم دیگری را در نظر بگیرید: تصور کنید شما یک فضانورد در ایستگاه فضایی بین‌المللی هستید و با سرعت ۲۷ هزار کیلومتر بر ساعت در مدار زمین می‌چرخید. ساعت مچی شما نسبت به ساعت روی زمین، در طول یک سال حدود ۰.۰۱ ثانیه کندتر حرکت خواهد کرد.
این نمونه‌ای از پدیده اتساع زمان (Time Dilation) است – زمانی که بسته به شرایط، با سرعت‌های متفاوتی می‌گذرد. اگر خیلی سریع حرکت کنید یا نزدیک یک میدان گرانشی قوی باشید، ساعت شما نسبت به کسی که آهسته‌تر حرکت می‌کند یا دورتر از آن میدان گرانشی است، کندتر خواهد تیک زد. به زبان ساده: زمان نسبی است.
و از آنجا که نور مستقیماً با زمان درهم‌تنیده است، تصور کنید شما سوار بر یک فوتون (ذره‌ی بنیادی نور) هستید. در این حالت، شما بیشترین اتساع زمان ممکن را تجربه می‌کنید.
از دید ناظران روی زمین، شما با سرعت نور حرکت می‌کنید، اما از دید خود فوتون، زمان کاملاً متوقف شده است.
چرا؟ چون «ساعت‌ها» در دو نقطه متفاوت با سرعت‌های کاملاً متفاوت قرار دارند: فوتون با سرعت نور حرکت می‌کند، در حالی که زمین بسیار کندتر در حال گردش به دور خورشید است.
از همه مهم‌تر، وقتی با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کنید، فاصله بین مبدا و مقصد شما کوتاه‌تر می‌شود – فضا در جهت حرکت فشرده می‌شود. یعنی هر چه سریع‌تر حرکت کنید، مسیر شما کوتاه‌تر به نظر می‌رسد.
برای یک فوتون، این یعنی فضا در جهت حرکتش فشرده می‌شود.
و این ما را برمی‌گرداند به تصویر من از کهکشان فرفره‌ای.
از دید فوتون، ستاره‌ای در آن کهکشان فوتون را منتشر کرد و بعد، همان لحظه، پیکسل کوچکی در دوربین من در حیاط خانه‌ام آن را دریافت کرد. برای فوتون، این سفر لحظه‌ای و بی‌نهایت سریع بود – گویی اصلاً زمانی نگذشته.
اما از دید ما روی زمین، آن فوتون ۲۵ میلیون سال پیش راه افتاد و ۲۵ میلیون سال نوری در فضا سفر کرد تا به تصویر من روی تبلت برسد.
و آن شب خنک بهاری، این تصویر شگفت‌انگیز جرقه گفت‌وگویی زیبا را زد، بین یک دانشمند مشتاق و همسر کنجکاوش.