سرعت نور

ثابتی جهانی که تقریبا برابر است با ۳۰۰ میلیون متر بر ثانیه

سرعت نور در خلأ یک ثابت جهانی و دقیقاً برابر با ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه است. علت دقت این است که تعریف متر براساس سرعت نور و تعریف ثانیه بنا شده‌است.[۳]

سرعت نور
فاصله زمین تا خورشید، حدود ۱۵۰ میلیون کیلومتر.
نور خورشید به‌طور میانگین ۸ دقیقه و ۲۰ ثانیه طول می‌کشد تا به زمین برسد.[۱]
مقدارهای دقیق
متر بر ثانیه۲۹۹۷۹۲۴۵۸
واحدهای پلانک۱
مقدارهای تقریبی
کیلومتر بر ثانیه۳۰۰٬۰۰۰
کیلومتر بر ساعت۱٬۰۸۰٬۰۰۰٬۰۰۰
مایل بر ثانیه۱۸۶٬۰۰۰
مایل بر ساعت۶۷۱ میلیون
واحد نجومی بر روز۱۷۳
زمان‌های تقریبی که نور طول می‌کشد طی کند
فاصلهزمان
یک پا۱٫۰ ns
یک متر۳٫۳ ns
یک کیلومتر۳٫۳ μs
یک مایل۵٫۴ μs
از مدار زمین‌ایست‌ور تا زمین۱۱۹ ms
یک دور طول استوای زمین۱۳۴ ms
از ماه تا زمین۱٫۳ s
از خورشید تا زمین (یک واحد نجومی)۸٫۳ دقیقه
از ویجر ۱ تا زمین۱۸٫۱۳ ساعت[Note ۱][۲]
یک پارسک۳٫۲۶ سال
از پروکسیما قنطورس تا زمین۴٫۲۴ سال
از آلفا قنطورس تا زمین۴٫۳۷ سال
از نزدیک‌ترین کهکشان تا زمین (کهکشان سگ کوچک)۲۵٬۰۰۰ سال
طول راه شیری۱۰۰٬۰۰۰ سال
از کهکشان آندرومدا۲٫۵ میلیون سال
از دورترین کهکشان یافت شده تا زمین۱۳ میلیارد سال

این کمیت را در فیزیک و دیگر علوم با حرف c نشان می‌دهند. در محاسبات عادی که دقت زیادی مورد نیاز نیست، سرعت نور را برابر با ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه (۳‎×۱۰۸ متر بر ثانیه) در نظر می‌گیرند. مقدار آن تقریباً برابر با ۱۸۶٬۲۸۲ مایل بر ثانیه است. سرعت نور بیشینه سرعتی است که انرژی، ماده و اطلاعات در جهان می‌تواند مسافرت کند. این سرعت همچنان سرعت تمام ذرات بدون جرم و میدان‌های فیزیکی — شامل تابش الکترومغناطیسی که نور نیز جزو آن می‌شود — نیز هست. ذراتی که ذکر شد سرعتشان مستقل چارچوب مرجع است که گسترش این اصل به نسبیت خاص می‌انجامد. همچنین این سرعت در فرمول مشهور هم‌ارزی جرم و انرژی یعنی E = mc² ظاهر می‌شود.[۴]

سرعت نور در اجسام شفاف کمتر از سرعت نور در خلأ است. سرعت نور در خلأ تقسیم بر سرعت نور در آن ماده شفاف (مانند شیشه یا هوا) به عددی بزرگ‌تر از یک می‌انجامد که به آن ضریب شکست (با نماد n نشان می‌دهند) می‌گویند و در فرمول‌های نور هندسی کاربرد دارد. برای مثال ضریب شکست نور مرئی برای شیشه معمولی حدود ۱٫۵ است و بدین معنی است که سرعت نور در شیشه، c / ۱٫۵ ≈ ۲۰۰۰۰۰ km/s است. ضریب شکست نور برای هوا ۱٫۰۰۰۳ (۱٫۰۰۰۳) است که نشان می‌دهد نور در هوا حدود ۹۰ km/s کندتر از c حرکت می‌کند.

برای بسیاری از کاربردها، نور و دیگر امواج الکترومغناطیسی بدون تأخیر جابجا می‌شوند اما برای فواصل زیاد و اندازه‌گیری‌هایی بسیار حساس، سرعت محدود نور اثرات ملموسی دارد. در ارتباطات با کاوشگران فضایی دور ممکن است بین دقایق تا ساعت‌ها طول بکشید تا یک پیام از زمین به کاوشگر برسد یا برگردد. نور ستارگان از سال‌های بسیار گذشته به زمین می‌رسد که اجازه می‌دهد تاریخچه جهان را با بررسی اجسام دور مطالعه کرد. سرعت محدود نور همچنین نظریات حد سرعت رایانه را نیز محدود می‌کند برای اینکه اطلاعاتی که داخل یک کامپیوتر از یک پردازنده به پردازنده دیگر منتقل می‌شود سرعت محدودی خواهد شد.

نخستین بار گالیلئو گالیله سرعت نور را اندازه گرفت. اما مقداری که او به دست آورد بسیار متفاوت‌تر از مقدار واقعی بود. بعدها ستاره‌شناس دانمارکی اوله رومر به کمک گرفت‌های مشتری سرعت نور را تا حد دقیقی اندازه گرفت

نقش بنیادی در فیزیکویرایش

سرعت نور مستقل از سرعت ناظر و منبع است.[Note ۲] این ثبات سرعت نور در سال ۱۹۰۵ توسط آلبرت انیشتین بیان شد.[۵] که توسط آزمایش‌های بسیاری صحت آن تأیید شده‌است.[۶][۷] اگرچه در اول مهرماه ۱۳۹۰ محققان مرکز تحقیقاتی سرن اعلام کردند که حرکت ذرات بنیادی نوترینو با سرعتی بالاتر از سرعت نور را مشاهده کرده‌اند. اما پس از مدت کوتاهی مشخص شد این تضاد به دلیل خطا در آزمایش بوده‌است.[۸][۹]

 
فاکتور لورنتز γ یک تابعی از سرعت اجسام است؛ که از یک (سرعت=صفر) شروع می‌شود و برای زمانی که سرعت نزدیک سرعت نور شود به بی‌نهایت میل می‌کند.

نسبیت خاص در واقع بررسی قوانین فیزیک برای ناظر و مرجع است برای زمانی که فرض شود سرعت نور وابسته به سرعت منبع یا ناظر نیست.[۱۰][۱۱] یکی از این قوانین این است که سرعت تمام ذرات بدون جرم برابر سرعت نور در خلأ است.

نسبیت خاص اثبات‌های بسیار زیاد آزمایشگاهی دارد.[۱۲] این شامل هم‌ارزی جرم و انرژی (E = mc2)، انقباض لورنتزی (کوتاه‌شدن اجسام در راستای حرکت)، اتساع زمان (کندتر شدن زمان) و افزایش جرم نیز هست. همه این موارد از فاکتور لورنتز بدست می‌آیند γ = (۱ − v2/c2)−1/2، که در آن v سرعت جسم است.
تفاوت γ از یک در سرعت‌های کم نسبت به c یعنی تقریباً تمام حرکت‌های روزانه انسان ناچیز است. اما در سرعت‌های نزدیک به نور به مقادیر بسیار بزرگ میل می‌کند. طول جسمی که انقباض لورنتزی دارد و زمانی که در یک متحرک می‌گذرد از تقسیم طول در حالت سکون و زمان در حالت سکون بر فاکتور لورنتز بدست می‌آید. اما جرم یک شی متحرک از ضرب فاکتور لورنتز در جرم سکون آن جسم بدست می‌آید.

سرعت نور به عنوان حد بالای سرعتویرایش

بنابر نسبیت خاص، انرژی یک جسم با سرعت v و جرم سکون m با γmc2 بدست می‌آید که در آن γ فاکتور لورنتز است. هنگامی که سرعت برابر صفر است فاکتور لورنتز برابر یک بوده و انرژی جسم برابر با E = mc2 است که همان هم‌ارزی جرم و انرژی است. اما هنگامی که سرعت جسم به سرعت نور نزدیک می‌شود این مقدار به سمت بی‌نهایت می‌رود بنابرین برای رساندن سرعت جسمی که جرم غیرصفر دارد به سرعت نور؛ نیاز به بی‌نهایت انرژی است. به همین دلیل سرعت نور، حد بالای سرعت در طبیعت است. این موضوع در تعداد زیادی پژوهش و آزمایش به اثبات رسیده‌است.[۱۳]

انتشار نورویرایش

در فیزیک کلاسیک، نور به عنوان نوعی موج الکترومغناطیسی توصیف می شود. از آنجاکه رفتار میدان الکترومغناطیسی توسط معادلات ماکسول تشریح شده است، این معادلات پیش بینی می کنند که سرعت c با انتشار امواج الکترومغناطیسی (مانند نور) در خلا را می توان با ظرفیت خازنی و القایی خلاء بیان کرد. به بیان دیگر سرعت انتشار نور با ریشه ثابت تراوایی خلأ در ثابت گذردهی خلأ رابطه عکس دارد که در رابطه زیر نمایش داده شده است.[۱۴]

 

در فیزیک نوین، میدان الکترومغناطیسی توسط نظریه الکترودینامیک کوانتومی توصیف می شود. در این نظریه، نور توسط تحریک بنیادی (یا کوانتای) میدان الکترومغناطیسی، که فوتون نامیده میشود، توصیف می شود. در نظریه الکترودینامیک کوانتومی، فوتون ها ذرات بدون جرمی هستند که بنابر نسبیت خاص، با سرعت نور در خلا حرکت می کنند.

تاریخچهویرایش

تاریخچه اندازه‌گیری سرعت نور (به km/s)
<۱۶۳۸ گالیلئو گالیله، با استفاده از فانوس بی نتیجه[۱۵]

[۱۶][۱۷]

<1667 آکادمی آزمایش, با استفاده از فانوس نامشخص[۱۷]:1253[۱۸]
۱۶۷۵ اوله رومر و کریستیان هویگنس، قمرهای مشتری ۲۲۰۰۰۰[۱۹]

[۲۰]

۱۷۲۹ جیمز بردلی، انحراف نور ۳۰۱۰۰۰[۲۱]
۱۸۴۹ ایپولیت فیزو، چرخ دندانه‌دار ۳۱۵۰۰۰[۲۱]
۱۸۶۲ لئون فوکو، آینه چرخان ۲۹۸۰۰۰±۵۰۰[۲۱]
۱۹۰۷ روزا و دورسی، ثابت‌های الکترومغناطیسی ۲۹۹۷۱۰±۳۰[۲۲]

[۲۳]

۱۹۲۶ آلبرت آبراهام مایکلسون، آینه چرخان ۲۹۹۷۹۶±۴[۲۴]
۱۹۵۰ اسن و گوردن اسمیت, نوسانگر کاواکی ۲۹۹۷۹۲٫۵±۳٫۰[۲۵]
۱۹۵۸ کی.دی. فروم، تداخل‌سنجی رادیویی ۲۹۹۷۹۲٫۵۰±۰٫۱۰[۲۶]
۱۹۷۲ اوانسون و دیگران، تداخل‌سنجی لیزر ۲۹۹۷۹۲٫۴۵۶۲±۰٫۰۰۱۱[۲۷]
۱۹۸۳ 17th CGPM, تعریف متر ۲۹۹۷۹۲٫۴۵۸ (دقیقاً)[۲۸]

منابعویرایش

  1. Fraser Cain (April 15, 2013). "How long does it take sunlight to reach the Earth?". phys.org. Retrieved 9 November, 2019. Check date values in: |تاریخ بازبینی= (help)
  2. "Where Are the Voyagers - NASA Voyager". Voyager - The Interstellar Mission. Jet Propulsion Laboratory, California Istitute of Technology. Retrieved 2011-07-12.
  3. Penrose, R (2004). The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. Vintage Books. pp. 410–1. ISBN 978-0-679-77631-4. ... the most accurate standard for the metre is conveniently defined so that there are exactly 299,792,458 of them to the distance travelled by light in a standard second, giving a value for the metre that very accurately matches the now inadequately precise standard metre rule in Paris.
  4. Uzan, J-P; Leclercq, B (2008). The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants. Springer. pp. 43–4. ISBN 0-387-73454-6.
  5. Einstein, A (1905). "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" (PDF). سالنامه فیزیک (به German). 17: 890–921. Archived from the original (PDF) on 29 December 2009. Retrieved 6 September 2011. ترجمه انگلیسی: Perrett, W; Jeffery, GB (tr.); Walker, J (ed.). "On the Electrodynamics of Moving Bodies". Fourmilab. Retrieved 2009-11-27.
  6. Hsu, J-P; Zhang, YZ (2001). Lorentz and Poincaré Invariance. Advanced Series on Theoretical Physical Science. 8. World Scientific. pp. 543ff. ISBN 9810247214.
  7. Zhang, YZ (1997). Special Relativity and Its Experimental Foundations. Advanced Series on Theoretical Physical Science. 4. World Scientific. pp. 172–3. ISBN 9810227493. Archived from the original on 19 May 2012. Retrieved 6 September 2011.
  8. «کشف تازه ای که قوانین شناخته شده فیزیک را نقض می‌کند». بی‌بی‌سی فارسی. ۱ مهر ۱۳۹۰. دریافت‌شده در دوم مهرماه ۱۳۹۰. تاریخ وارد شده در |تاریخ بازدید= را بررسی کنید (کمک)
  9. Nick Collins (23 Sep 2011). "Science world in shock after Cern light speed claim". The Daily Telegraph. Retrieved ۲۰۱۱-۲۴-۰۹. Check date values in: |تاریخ بازدید= (help)
  10. d'Inverno, R (1992). Introducing Einstein's Relativity. Oxford University Press. pp. 19–20. ISBN 0-19-859686-3.
  11. Sriranjan, B (2004). "Postulates of the special theory of relativity and their consequences". The Special Theory to Relativity. PHI Learning. pp. 20 ff. ISBN 812031963X.
  12. Roberts, T; Schleif, S; Dlugosz, JM (ed.) (2007). "What is the experimental basis of Special Relativity?". Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Retrieved 2009-11-27.
  13. Fowler, M (March 2008). "Notes on Special Relativity" (PDF). دانشگاه ویرجینیا. p. 56. Retrieved 2010-05-07.
  14. «Panofsky, WKH; Phillips, M (1962). Classical Electricity and Magnetism. Addison-Wesley. p. 182. ISBN 978-0-201-05702-7».
  15. Galilei, G (1954) [1638]. Dialogues Concerning Two New Sciences. Crew, H; de Salvio A (trans.). Dover Publications. p. 43. ISBN 978-0-486-60099-4.
  16. Boyer, CB (1941). "Early Estimates of the Velocity of Light". Isis. 33 (1): 24. doi:10.1086/358523. S2CID 145400212.
  17. ۱۷٫۰ ۱۷٫۱ Foschi, Renato; Leone, Matteo (2009), "Galileo, measurement of the velocity of light, and the reaction times", Perception, 38 (8): 1251–59, doi:10.1068/p6263, hdl:2318/132957, PMID 19817156, S2CID 11747908
  18. Magalotti, Lorenzo (2001) [1667], Saggi di Naturali Esperienze fatte nell' Accademia del Cimento (digital, online ed.), Florence: Istituto e Museo di Storia delle Scienze, pp. 26566, retrieved 2015-09-25
  19. "Demonstration tovchant le mouvement de la lumiere trouvé par M. Rŏmer de l'Académie Royale des Sciences" [Demonstration to the movement of light found by Mr. Römer of the Royal Academy of Sciences] (PDF). Journal des sçavans (به فرانسوی): 233–36. 1676.
    Translated in "A demonstration concerning the motion of light, communicated from Paris, in the Journal des Sçavans, and here made English". Philosophical Transactions of the Royal Society. 12 (136): 893–95. 1677. Bibcode:1677RSPT...12..893.. doi:10.1098/rstl.1677.0024.
    Reproduced in Hutton, C; Shaw, G; Pearson, R, eds. (1809). "On the Motion of Light by M. Romer". The Philosophical Transactions of the Royal Society of London, from Their Commencement in 1665, in the Year 1800: Abridged. Vol. II. From 1673 to 1682. London: C. & R. Baldwin. pp. 397–98.
    The account published in Journal des sçavans was based on a report that Rømer read to the French Academy of Sciences in November 1676 (Cohen, 1940, p. 346).
  20. Huygens, C (1690). Traitée de la Lumière (به فرانسوی). Pierre van der Aa. pp. 8–9.
  21. ۲۱٫۰ ۲۱٫۱ ۲۱٫۲ Gibbs, P (1997). "How is the speed of light measured?". Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Archived from the original on 2015-08-21. Retrieved 2010-01-13.
  22. Essen, L; Gordon-Smith, AC (1948). "The Velocity of Propagation of Electromagnetic Waves Derived from the Resonant Frequencies of a Cylindrical Cavity Resonator". Proceedings of the Royal Society of London A. 194 (1038): 348–61. Bibcode:1948RSPSA.194..348E. doi:10.1098/rspa.1948.0085. JSTOR 98293.
  23. Rosa, EB; Dorsey, NE (1907). "A new determination of the ratio of the electromagnetic to the electrostatic unit of electricity". Bulletin of the Bureau of Standards. 3 (6): 433. doi:10.6028/bulletin.070.
  24. Michelson, A. A. (1927). "Measurement of the Velocity of Light Between Mount Wilson and Mount San Antonio". The Astrophysical Journal. 65: 1. Bibcode:1927ApJ....65....1M. doi:10.1086/143021.
  25. Essen, L (1950). "The Velocity of Propagation of Electromagnetic Waves Derived from the Resonant Frequencies of a Cylindrical Cavity Resonator". Proceedings of the Royal Society of London A. 204 (1077): 260–77. Bibcode:1950RSPSA.204..260E. doi:10.1098/rspa.1950.0172. JSTOR 98433. S2CID 121261770.
  26. Froome, KD (1958). "A New Determination of the Free-Space Velocity of Electromagnetic Waves". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 247 (1248): 109–22. Bibcode:1958RSPSA.247..109F. doi:10.1098/rspa.1958.0172. JSTOR 100591. S2CID 121444888.
  27. Evenson, KM; et al. (1972). "Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser". Physical Review Letters. 29 (19): 1346–49. Bibcode:1972PhRvL..29.1346E. doi:10.1103/PhysRevLett.29.1346. S2CID 120300510.
  28. "Resolution 1 of the 17th CGPM". BIPM. 1983. Retrieved 2009-08-23.

یادداشت‌هاویرایش

  1. تا تاریخ ژانویه ۲۰۱۵
  2. اگرچه، بسامد نور با توجه به سرعت ناظر و منبع می‌تواند تغییر کند.

پیوند به بیرونویرایش