نور به صورت موج: نظریه اتر
نیوتن کارهای گستردهای برای فهم ویژگیهای نور، در حوزهای به نام اپتیک انجام داد. نیوتن، برخلاف نظریهای که حرکت نور را به صورت موج میدانست، حامی دیدگاهی بود که طبق ۀن نور مانند ذرات بسیار ریز حرکت میکرد. نیوتن همه تحقیقاتاش در زمینه اپتیک را با فرض این که نور به صورت توپهای بسیار ریزی در هوا حرکت میکند، انجام داد.
برای تقریبا یک قرن، دیدگاه ذرهای نیوتن برای نور، دیدگاه غالب بود، تا این که آزمایشات توماس یانگ در اوایل دههی 1800 میلادی نشان داد که نور ویژگیهایی از امواج، نظیر اصل برهمنهی را از خود نشان میدهد.
آشنایی با نور که با نیوتن شروع شد، به انقلابهایی در فیزیک، توسط آلبرت اینشتین و نهایتا ایدههای اصلی نظریهی ریسمان انجامید. در نظریه ریسمان، هم گرانش و هم نور از رفتار ریسمانها ناشی میشوند.
در قرن نوزدهم، درک فیزیکی از ماهیت نور به کلی تغییر کرد. آزمایشات، مواردی جدی را نشان دادند مبنی بر این که نور به عکس نظر نیوتن، مانند موج رفتار میکند نه ذره. در همان زمان، با انجام آزمایشاتی در زمینه الکتریسیته و مغناطیس معلوم شد که این نیروها هم درست مثل نور رفتار میکنند، با این تفاوت که نمیتوانیم آنها را ببینیم.
تا قبل از پایان قرن نوزدهم، روشن شد که الکتریسیته و مغناطیس نمودهای متفاوتی از یک نیرو هستند: الکترومغناطیس.
نیوتن با نور مانند ذرات رفتار کرده بود، اما آزمایشات قرن نوزدهم آشکار کرد که نور مانند موج عمل میکند. مشکل اصلی این بود که امواج به محیط نیاز داشتند. چیزی باید به ارتعاش درمیآمد. اما به نظر میرسید که نور در فضای خالی حرکت میکند، جایی که اصلا مادهای وجود ندارد. محیطی که نور برای حرکت کردن از آن استفاده میکرد چه بود؟ چه چیزی به ارتعاش درمیآمد؟
برای توضیح این مسئله، فیزیکدانان پیشنهاد کردند که فضا با مادهای پر شده است. هنگامی که به دنبال نامی برای این ماده فرضی بودند، با رجوع به ارسطو آن را اتر شفاف نامیدند (بعضی از فیزیکدانها هنوز آن را اثیر تلفظ میکنند اما من برای این که بین این واژه و عنصر پنجم ارسطو تمایز قائل شوم به آن اتر میگویم).
اما حتی با وجود این اتر فرضی هم هنوز مشکلاتی وجود داشت. اپتیک نیوتن هنوز جواب میداد و نظریهی او نور را نه به صورت امواج، بلکه برحسب توپهای ریزی که به خط راست حرکت میکردند توصیف میکرد! به نظر میرسید که نور گاهی به صورت موج و گاهی به صورت ذره رفتار کند.
اغلب فیزیکدانان قرن نوزدهم به نظریهی موجی اعتقاد داشتند، عمدتا به این دلیل که مطالعهی الکتریسیته و مغناطیس به حمایت از ایدهی موج بودن نور کمک میکرد، اما آنها نمیتوانستند گواه محکمی بر وجود اتر بیابند.
در اواخر قرن نوزدهم، فیزیکدانان به دنبال اتر اسرار آمیز بودند ـ محیطی مادی، که به اعتقاد آنها، برای حرکت موجی امواج نور لازم بود. ناتوانی آنها در کشف این اتر، به رغم آزمایشات خوب، ناامیدکننده بود. شکست آنها زمینه را برای توضیحات اینشتین، به شکل نظریهی نسبیت، فراهم کرد.
امواج نور باید از مادهای میگذشتند، چیزی که واقعا ارتعاش کند. امواج نور از “فضای خالی” نوعی خلا (فضایی بدون هوا یا مواد معمولی دیگر) میگذشتند، بنابراین فیزیکدانان پیشبینی کرده بودند که باید اتر شفافی در همه جا وجود داشته باشد و آن نوعی ماده است که دانشمندان قبلا هرگز با آن روبه رو نشده بودند. به بیان دیگر “فضای خالی” به (باور آن زمان) واقعا خالی نبود، زیرا پر از اتر بود.
با این همه، چیزهایی را میشد در مورد اتر پیشبینی کرد. برای مثال، اگر یک محیط مادی برای نور وجود داشت، نور در آن حرکت میکرد، درست مثل شناگری که در آب حرکت میکند، اندکی سریعتر از وقتی باشد که شناگر در تلاش است تا خلاف جریان آب شنا کند.
این به آن معنا نبود که خود اتر هم حرکت میکرد. اگرچه حتی اگر اتر هم کاملا ساکن بود، زمین درون اتر حرکت میکرد که همان اثر را داشت. اگر شما درون آب ساکنی راه بروید، همان احساسی را دارید که گویی درجا میزنید و این آب است که از کنارتان میگذرد. (در واقع امروزه استخرهای کوچکی وجود دارند که دقیقا از همین اصل استفاده میکنند. میتوانید ساعتها در استخری شنا کنید که فقط چند متر طول دارد. چون جریان قوی آب در آن پمپاژ میشود و شما که برخلاف جهت جریان آب شنا میکنید عملا هرگز جایی نمیروید).
فیزیکدانها درصدد بودند آزمایشی براساس این مفهوم ترتیب دهند که آیا نور در جهتهای مختلف با سرعتهای متفاوت حرکت میکند یا خیر؟ وجود چنین تفاوتی ایدهی حرکت نور در محیط اتری را تایید میکرد.
فیزیکدان ایرلندی، جرج فیتز جرالد و فیزیکدان هلندی، هندریک لورنتس پیشنهاد کردند که اجسام متحرک درون اتر دچار انقباض و ساعتها کند میشوند. این انقباض و کند شدنها چنان خواهد بود که مردمان همگی صرف نظر از چگونگی حرکت خود نسبت به اتر ، سرعت یکسانی برای نور اندازه خواهند گرفت؛ ولی اینشتین در ژوئن سال ۱۹۰۵ طی یک نوشتار علمی خاطر نشان ساخت که اگر کسی نتواند آشکار کند که چیزی درون فضا در حال حرکت است، مفهوم اتر مفهومی زائد است. وی در مقاله ۱۷ صفحهای خود تحت عنوان درباره دیدگاه اکتشافی مربوط به گسیل و انتظار نور که در مجله علمی آنالن دِر فیزیک منتشر ساخت، نظریه کوانتومی نور را عرضه کرد. وی این مقاله را بسیار انقلابی توصیف کرد.
منبع:
کتاب نظریه ریسمان نوشته اندرو زیمرمن جونز، دنیل رابینز
کتاب نسبیت خاص. هادی هادیپور. انتشارات:دانشگاه شیراز