نور، موج یا ذره؟

وقتی توی سینما نشستین و از دیدن فیلم لذت میبرید قطعا به نور فکر نمی‌‌‌کنید، یا وقتی زیر نور خورشید می‌ایستین و گرم می‌شوید هم شاید به نور فکر نمی‌‌‌کنید، وقتی شفق قطبی را نگاه می‌کنید و مبهوت می‌شوید احتمالا باز هم به نور فکر نمی‌‌‌کنید، اینکه بعد از یک روز زیبای بارانی رنگین کمان را در آسمان می‌بینید و کلی ذوق می‌کنید و یاد فانتزی‌های بچگانتون می‌افتین باز هم نور اهمیتی ندارد، یا حتی وقتی برق خانه یتان برای چند دقیقه میرود و به نور شمع خیره می‌شوید باز هم شاید نور ذهنتان را درگیر نمی‌کند. نوری که از شروع خلقت تا به امروز بوده است.

در دوران مدرسه کمی با نور آشنا می‌شویم و در کتاب علوم راجع به آن می‌خواندیم: (( بازتاب نور از اجسام به چشم ما باعث می‌شود تا ما اجسام را ببینیم)). اصلا  آیا می‌توانیم خود نور را ببینیم؟ نور چیست؟ چگونه به وجود می‌آید؟ یا به قول انیشتین آیا می‌شود سوار نور شویم و از آن سواری بگیریم؟

در قرن 17 مردم تصویر مبهمی از ماهیت نور داشتند که در سال 1678 هویگنس نظریه ی موجی بودن نور را ارایه داد و کمی آن تصویر مبهم را مرتب کرد.نظریه ی هویگنس یک نظریه ی هندسی بود : ((تمامی نقاط جبهه ی موج نور را می‌توانیم به عنوان چشمه ی نقطه ای در نظر بگیریم که جبهه ی موج ثانویه کروی منتشر می‌کند. جبهه ی بعدی موج در هر زمانی از مماس این جبهه موج های ثانویه کروی به وجود می‌آید)). نظریه ی هویگنس به قدری خوب و قوی بوده که امروزه نیز در توصیف برخی از پدیده ها استفاده می‌شود. البته در آن زمان نیوتون بنا بر دلایل و توجیهات علمی که ارایه کرد آن نظریه را نپذیرفت. در سال 1704 نیوتون در کتاب اپتیکس خودش سوال می‌کند: آیا پرتوی نور اجرام بسیار کوچکی نیستند که از مواد درخشنده گسیل می‌شوند؟. یا در جای دیگر می‌پرسد: آیا اجسام در یک فاصله بر نور اثر ندارند و اثر آن ها نیست که پرتوی نور را خم می‌کند و چنین نیست که در کمترین فاصله قویترین اثر رادارد؟. مشخص می‌شود که نیوتون یک خاصیت ذره ای برای نور قایل بوده ولی هیچ مشاهده ای بر این حرف خود نداشته و آن ها را به عنوان سوال در کتاب خود مطرح می‌کند. البته نیوتون برای توصیف و توجیه حلقه های نیوتون ( که بعدا با آن آشنا می‌شویم) مجبور می‌شود از خاصیتی شبه موجی استفاده می‌کند.

هنوز مردم جوابی برای سوال های نیوتون وخاصیت ذره ای جوابی پیدا نکرده بودند که در سال 1801 یانگ در آزمایش دو شکافی خود اثبات کرد که نور موج است. در این آزمایش یانگ نشان داد که نور مانند امواج آب و تمامی امواج دیگر تداخل می‌کند. این آزمایش به اینگونه است که باریکه ای از نور سفید را از دو شکاف بسیار ریز رد می‌کنیم و پرده ای را در فاصله ای که از مقیاس دو شکاف بسایر بسیار بزرگتر است را آن طرف دو شکاف قرار می‌دهیم. وقتی پرتوهای دو شکاف روی پرده می‌افتد چند دسته نوار های تاریک روشن روی پرده مشاهده می‌کنیم که ناشی از تداخل پرتوهای نور دو شکاف با یکدیگر است. اگر یکی از پرتوهای فرودی راهی به اندازه ی نصف طول موج را طی کرده باشد تداخل مخرب است و آنجا تاریک می‌شود و اگر هر دو پرتو برای رسیده به پرده راه یکسانی را عبور کرده باشند ، مانند نقطه ی عمود منصف بین دو شکاف روی پرده، تداخل سازنده است و ما آنجا را کاملا روشن که دو برابر شدت نور هر شکاف است را  میبینیم.

آزمایش یانگ باعث شد تا 75 سال نظریه ی ذره ای بودن نور فراموش شود تا در سال 1905 انیشتین نشان داد که نور خاصیت ذره ای دارد. شاید مثال هالیدی شهود بهتری از ذره ای بودن به دستتان بدهد، پرداخت پول و معاملات پولی رایج در هر کشوری کوانتایزد(بسته بسته) است. مثلا در کشور ما کمترین پول موجود سکه های 25 تومانی است و ارزش بقیه ی سکه ها و اسکناس ها طبق ضرایب صحیح سکه ی 25 تومانی محدود می‌شود. پس فرم پولی ما به صورت (n ×25 ) در می‌اید که n عدد مثبت و صحیح است بنابر این ما هیچوقت 85 تومان نداریم چرا که n برابر 3.4 می‌شود پس نمی‌توانیم همچین پولی داشته باشیم. خاصیت ذره ای نور هم همینگونه است کوچکترین بسته ی نور که از تابش الکترومغناطیسی به وجود می‌آید را فوتون (همان 25 تومان) مینامیم.

انیشتین با آزمایش فوتوالکتریک خاصیت ذره ای نور را نشان داد و توانست برایش فرمولبندی تعریف کند که موجب شد تا نوبل فیزیک 1921 را ببرد. این پدیده به اینگونه است که اگر پرتوی نوری را به لایه‌ای فلز (مثلا پتاسیم) بتابانیم الکترون از آن لایه ی فلزی کنده می‌شود که هر الکترون جدا شده توسط نور مقدار معینی به اندازه ی انرژی کوانتیزد آن نور (فوتون) انرژی دارد. میبینیم که در اینجا نور مانند موج عمل نمیکند بلکه ماننده بسنه هایی از انرژی میماند که هر کدام انرژی خود را به الکترون های فلز منتقل می‌کنند.

پس نور خاصیت ذره ای دارد. حال سوالی که پیش می‌آید آن است که بالاخره نور موج است یا ذره؟ این سوال را امروزه اینگونه پاسخ میدهیم که نور ماهیتی موجی- ذره‌ای دارد، یعنی هم خاصیت موجی و هم خاصیت ذره‌ای دارد.

دنیای نور دنیایی عجیب است. خاص است اما ساده نیست. در بحث های بعد مباحث راجع به نور را ان‌شاءالله ادامه می‌دهیم.