اخبار جهاندانشنجوم و کیهان شناسی
نور چیست و چگونه تشکیل میشود چه نقشی دارد، چرا حیات و “دنیای” ما بدون نور نمی‌تواند وجود داشته باشد؟
روزهای بروجرد– به اطراف اتاقی که در آن هستید نگاه کنید.
آنچه می بینید مهم نیست.
شما واقعا نمی توانید ماده را ببینید.
چیزی که می بینید نوری است که از آن ماده وارد چشمان شما می شود و سپس مغز شما آن را به عنوان ماده یا اشیا تفسیر می کند.
بنابراین شما خود اجسام را نمی بینید، بلکه نوری را که از آن منعکس می شود، می بینید.(فکت علمی)
تقریباً تمام اطلاعاتی که در مورد اتاق خود دارید توسط نور_که تشکیل شده از اجسام کوانتومی کوچکی به نام فوتون_ حمل می شود.
و البته نیازی به گفتنش نیست، این اطلاعات با سرعت نور حرکت می کنند.
اگر نور وجود نداشت، نمی توانستید اطلاعات بصری در مورد جهان جمع آوری کنید.
تمام جهان برای شما کاملاً تاریک خواهد بود.
بدتر آنکه شما نیز بدون نور وجود نخواهید داشت. در واقع، هیچ حیاتی از نوعی که ما میشناسیم، بدون نور وجودش ممکن نخواهد بود.
نور نقش مهمی در جهان هستی دارد.
ما قصد داریم نگاهی دقیق تر به آنچه که هست بیندازیم. نور چیست و چگونه وجود دارد.
در مورد اینکه ماهیت واقعی نور ذرات است یا امواج، اختلاف نظر وجود داشت. در قرن هفدهم، بسیاری از دانشمندان مانند ستاره شناس هلندی کریستیان هویگنس فکر می کردند که نور موجی است که در نوعی اتر می لرزد. فرض بر این بود که اتر وجود داشته باشد زیرا تصور می شد همه امواج به نوعی رسانه نیاز دارند.
اما تقریباً در همان زمان، دانشمندان دیگر، برجسته‌ترین آنها آیزاک نیوتن، معتقد بودند که نور از جریانی از ذرات تشکیل شده استهبه نام گویچه_ که با سرعت محدودی حرکت می‌کنند.
حدود ۱۰۰ سال بعد در سال ۱۸۰۱، آزمایش دو شکاف توماس یانگ نشان داد که نور باید یک موج باشد، زیرا هنگامی که یک پرتو نور از طریق یک شکاف دوتایی تقسیم میشود، بر روی پرده‌ی پشت دو شکاف، یک الگوی تداخلی ایجاد می‌کنند (آزمایش دوشکاف چیست).
این پدیده تنها در صورتی قابل توضیح است که نور موج باشد.
با این حال، حدود ۱۰۰ سال پس از آزمایش یانگ، و ۲۰۰ سال پس از نظریه نیوتن در مورد نور، آلبرت انیشتین نشان داد که رفتار نور موجی نیست. و گفت نور باید در بسته‌های مجزای انرژی منتقل شود که امروزه ما آن را فوتون می‌نامیم.
بنا به نظريه کوانتومي ، امواج به ظاهر پيوسته الکترومغناطيسي ، کوانتيده‌اند و از کوانتومهاي گسسته‌اي به نام فوتون تشکيل شده‌اند که هر فوتون داراي انرژي مشخصي است که مقدار آن فقط به فرکانس بستگي دارد.
اگر نور یک موج کلاسیک بود، انرژی نور به شدت آن بستگی داشت نه فرکانس آن.
به عبارت دیگر، نور متشکل از فوتون هایی است که انرژی هر کدام با فرکانس آن تعیین می شود.
نور ماهیت موج‌ذره دارد. امروزه این پدیده را دوگانگی موج‌ذره می نامیم.
این تاسف آور است که دوگانگی موج ذره بودن نور در مدارس تدریس میشود. شاید به عنوان یک درک شهودی خوب باشد، اما واقعاً توضیح دقیقی نیست. درواقع این بیشتر تکرار صورت مسئله است که بگوییم نور مانند یک ذره و یک موج رفتار می کند.
واقعیت این است که نور هیچکدام از این دو نیست، در کل چیز دیگری است.
و در اصل نور یک نوع شی کوانتومی است؛ و مانند تمام اجسام کوانتومی رفتار می کند و از معادله شرودینگر پیروی می کند که چیزی به نام تابع موج در آن وجود دارد.
این تابع موج، اجسام کوانتومی را به‌عنوان امواج به معنای سنتی امواج نشان نمی‌دهد، بلکه حالت‌های کوانتومی آنها مانند موقعیت، تکانه، اسپین و غیره را مشخص میکند.
بنابراین، یک شی کوانتومی مانند یک فوتون درواقع یک موج احتمالی است(میزان احتمال یافتن آن در هر مکان خاص اگر آنجا را اندازه گیری کنیم)
حدود ۵۰ سال قبل از این تحولات در مکانیک کوانتومی، در حدود سال ۱۸۶۵، ماکسول قوانین الکترومغناطیس خود را ارائه کرد که نشان داد نور، یک موج الکترومغناطیسی است. و اینکه سرعت آن را می توان دقیقاً توسط دو ثابت که بخشی از تئوری الکترومغناطیسی هستند تعیین کرد – ثابت دی الکتریک و ثابت مغناطیسی.
این درک که سرعت نور توسط ویژگی ذاتی فضای خالی تعیین می شود، آلبرت انیشتین را به این فرضیه رساند که سرعت نور در فضا یکسان است.
و این یک اصل اساسی است که به نظریه نسبیت منتهی شد. بنابراین نور و کشف خواص آن نقش مهمی در توسعه مکانیک کوانتومی و نسبیت ایفا کردند، که هر دو با هم، بهترین درک ما در امروز از نحوه عملکرد جهان را بدست میدهد.
اما داستان هنوز تمام نشده است، زیرا نقشی که نور در جهان بازی میکند عمیق‌تر است. این یک راه اساسی است که جهان ما برای انتقال انرژی از یک چیز به چیز دیگر استفاده می کند.
منظور من از این چیست؟
بیایید خورشید را در نظر بگیریم.
چگونه می درخشد؟
نورش دقیقا از کجا می آید؟
در هسته خورشید، ۴ اتم هیدروژن با هم ترکیب می شوند و از طریق فرآیندی به نام همجوشی، هسته هلیوم را تشکیل می دهند. این فرآیند انرژی زیادی آزاد میکند زیرا یک هسته هلیوم پایدارتر است و نسبت به ۴ هسته هیدروژنی که برای ایجاد آن استفاده شده‌اند در سطح انرژی پایین‌تری قرار دارد.
بیشتر این انرژی آزاد شده به شکل پرتوهای گاما است که فوتون های با فرکانس بسیار بالا یا پر انرژی هستند. این پرتوهای گاما هرگز به ما نمی رسند زیرا انرژی آنها در پلاسمای متراکم خورشید جذب می شود.
اگرچه این فوتون‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند، اما هنوز هزاران سال طول می‌کشد تا از هسته به سطح (روی) خورشید برسند، به دلیل حرکات تصادفی که در هسته خورشید تجربه می‌کنند، به طوری که وقتی به سطح خورشید می‌رسند، انرژی‌شان به محدوده نور مرئی کاهش می یابد.
بنابراین کل این جریان، منشا نور خورشید را توصیف میکند، اما منابع نور مصنوعی که ما روی زمین ایجاد می‌کنیم، مانند چراغ خیابان، یا لامپ‌هایی که در شب در خانه‌تان روشن می‌کنید، یا آتش چطور؟ فوتون ها در این فرآیندها چگونه تولید می شوند؟
تقریباً تمام نور ایجاد شده روی زمین نتیجه فروپاشی الکترون ها به مدارهای پایین تر در یک اتم است، درست پس از اینکه آنها توسط منبعی از انرژی به حالت انرژی بالاتر برانگیخته شدند.
در اتم، الکترون‌ها در مدارهای گسسته خاصی قرار دارند که می‌توان تقریباً با کمک معادله شرودینگر این را محاسبه کرد. این الکترون ها هنگام جذب انرژی می توانند به مدار بالاتری برانگیخته شوند، اغلب توسط یک فوتون برانگیخته می شود.
اکنون شما یک اتم با یک یا چند الکترون در یک حالت برانگیخته دارید، یعنی یک سطح انرژی بالاتر از پایین ترین سطح انرژی که می تواند در آن باشد.
اما از آنجایی که همه سیستم های موجود در طبیعت ترجیح می دهند در پایین ترین حالت خود باشند، این الکترون برانگیخته در نهایت به مدار پایین تر برمیگردد و در این فرآیند انرژی اضافی به صورت فوتون آزاد می شود.
تقریباً تمام نور مصنوعی روی زمین از فرآیند افت الکترون ها به سطح انرژی پایین تر تولید می شود.
منظور من از این چیست؟
تئوری الکترودینامیک کوانتومی که در دهه ۱۹۴۰ توسط ریچارد فاینمن و دیگران ایجاد شد، نشان داد که نیروی الکترومغناطیسی توسط فوتون ها منتقل می شود.
هنگامی که بارهای مشابه یکدیگر را دفع می کنند، (مانند آهن ربا یا دو الکترون) ذرات حامل این نیرو، اشکال مجازی فوتون هستند.
همین امر در مورد نیروی جاذبه مانند نیروی بین پروتون و الکترون یا دو قطب مخالف آهنربا هم صادق است.
فوتون های مجازی نیز حامل آن نیرو هستند.
اگر می خواهید بدانید که این مکانیسم دقیقا چگونه کار می کند، میتوانید اینجا در یوتیوب مشاهده کنید.
تعداد قابل توجهی از نیروهایی که شمل احساس می کنید، بدون فوتون امکان پذیر نیستند.
به عنوان مثال، اصطکاک بین کفش های شما و زمین که به شما امکان راه رفتن را می دهد، یا اصطکاک بین لاستیک های ماشین شما و جاده اساساً محصول الکترومغناطیس است.
این به این دلیل است که اصطکاک در اثر برهمکنش الکترومغناطیسی بین اتم های دو سطح در حال تماس ایجاد می شود.
بدون نور، شما هم چیزی را لمس نمی کنید، زیرا لمس نتیجه کنش و واکنش‌های الکترومغناطیسی است؛ فعل و انفعالات بین پوست شما و سطحی که لمس می کنید.
و از آنجایی که اتم های بدن شما به دلیل برهمکنش های الکترومغناطیسی_بین هسته با بار مثبت و الکترون هایی که اطراف آن ولو هستند_ کنار هم قرار می گیرند، اتم ها نیز بدون نور وجود نخواهند داشت.
به عبارت دیگر، بدون نور>> بدون اتم>> بدون ماشین،، بدون خانه، بدون من و شما و حتی بدون این جهان فعلی که میشناسیم.
بنابراین بدون نور، نه تنها چیزی را نمی‌بینید یا احساس نمیکنید(لمس نمیکنید)، بلکه بدون نور اصلا وجود نخواهید داشت(شاید امواج صوتی را بتوان استثنا کرد؟)
بدون نیروی الکترومغناطیسی، که گفتیم فوتون حمالش است، شاید کیهان باشد اما نه به شکلی که ما میشناسیم؛ البته گرانش، نیروی هسته ای قوی و نیروی ضعیف را خواهیم داشت، بنابراین هنوز این چنین جهانی میتواند هسته‌ها را تشکیل دهد و واپاشی‌های هسته‌ای خاصی داشته باشند.
هسته‌های بسیار بزرگ احتمالاً می‌توانند در چنین جهانی تشکیل شوند، زیرا هیچ دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون‌ها وجود نخواهد داشت که از تشکیل هسته‌های بسیار بزرگ جلوگیری کند. زندگی همانطور که می دانیم بدون نور وجود نخواهد داشت، اما آیا شکل دیگری از حیات وجود خواهد داشت؟
گفتنش سخت است زیرا، ما هیچ مکانیسم دیگری برای نوع دیگری از حیات به جز آنچه در این سیاره می بینیم نمی شناسیم. اما فکر نمی کنم بتوانیم آن را رد کنیم(یعنی بعید است حیات به شکل دیگری نباشد). نور یک چیز بی جان است و هدف ذاتی ندارد.چون هدف خاصِّ جاندار هوشمند است.
نور به سادگی وجود دارد و از قوانین ریاضی مکانیک کوانتومی جهان پیروی می کند. با این اوصاف، به نظر من به غیر از اینکه جهان را به شکل امروزی جلوه می دهد، تقریباً در همه فرآیندهایی که انرژی مبادله می شود، نور نقش حیاتی ایفا می کند. هر زمان که انرژی صرف یا جذب شود، فوتون ها تقریبا همیشه درگیر هستند.
فوتون ها در واکنش های شیمیایی، تابش حرارتی، اصطکاک، حتی بسیاری از فرآیندهای هسته ای، درگیر هستند.
به عنوان مثال، گرمای آزاد شده در هر واکنش شیمیایی، نور خورشید جذب شده توسط گیاهان، انرژی مورد استفاده در فرآیندهای بیولوژیکی بدن شما، حتی گرمای آزاد شده از بمب های هسته ای، همه اینها شامل فوتون ها می شود.
اینجا به اشتباه ممکن است بگویند فوتون ۳۷۰ هزار سال پس از بیگ بنگ ایجاد شد، اما اینطور نیست، فوتون ها در خود زمان بیگ بنگ هم حضور داشتند ولی مشخص نیست چطور ایجاد شدند و این نور بود که اولین بار ۳۷۰ هزار سال بعد از بیگ‌بنگ درخشید و جهان برای اولین بار شفاف شد.
در کیهان‌شناسی فیزیکی، دوره فوتون دوره‌ای در تکامل جهان اولیه بود که در آن فوتون‌ها بر انرژی جهان تسلط داشتند. عصر فوتون پس از نابودی بیشتر لپتون ها و ضد لپتون ها در پایان دوره لپتون، یعنی از حدود ۱۰ ثانیه پس از انفجار بزرگ آغاز شد. هسته‌های اتمی در فرآیند سنتز هسته‌ای ایجاد شدند که در چند دقیقه اول دوره‌ی فوتون اتفاق افتاد. برای باقیمانده دوران فوتون، جهان حاوی پلاسمای متراکم داغ از هسته، الکترون و فوتون بود.
در آغاز این دوره، بسیاری از فوتون‌ها انرژی کافی برای تفکیک دوتریوم را داشتند، بنابراین هسته‌های اتمی تشکیل‌شده به سرعت به پروتون‌ها و نوترون‌ها جدا شدند. در ده ثانیه، فوتون‌های انرژی بالای کمتری برای تفکیک دوتریوم در دسترس بودند و بنابراین فراوانی این هسته‌ها شروع به افزایش کرد. اتم های سنگین تری از طریق فرآیندهای همجوشی هسته ای شروع به شکل گیری کردند: تریتیوم، هلیوم-۳ و هلیوم-۴. در نهایت مقادیر کمی از لیتیوم و بریلیم ظاهر شد. هنگامی که انرژی حرارتی به زیر ۰.۰۳ مگا ولت کاهش یافت، سنتز هسته‌ای عملاً به پایان رسید.
۳۷۰۰۰۰ سال پس از انفجار بزرگ، دمای جهان به حدی کاهش یافت که هسته ها توانستند با الکترون ها ترکیب شوند و اتم های خنثی ایجاد کنند. در نتیجه، فوتون‌ها دیگر برهمکنش مکرر با ماده نداشتند، جهان شفاف شد و تشعشعات پس‌زمینه مایکروویو کیهانی ایجاد شد و سپس تشکیل ساختار(اکثر اجرام فضایی که میشناسید )روی داد.
نوشته: آروین اش/ گردآوری و نوشتن بخش آخر از سام آریامنش
