چرا هیچ‌چیزی نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند؟[قسمت اول]

راجر راسول نخستین فردی بود که دنبال این مسئله بود تا ما چگونه سرعت نور را اندازه‌گیری کنیم و اینکه چرا نور محدود است؟ همه ما می‌دانیم که طبق یک قاعده جهانی هیچ‌چیزی نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند، سرعتی معادل 299،792.458 کیلومتر بر ساعت، اما چرا این‌گونه است؟  تا قبل از سال 166 میلادی، بسیاری از مردم فکر می‌کردند که نور بدون محدودیت جابجا می‌شود، اما در این سال گالیله احتمال داد که نور در یک محدوده زمانی خاصی حرکت می‌کند. در سال 1638 میلادی او سعی کرد که این فاصله را اندازه‌گیری کند. او و همکارش با یک فانوس دریایی که روی آن را پوشانده بودند، بر بالای قله یک کوه نشستند. ایده آنها این بود که دستیار گالیله به‌محض دیدن نور فلش، پوشش فانوس دریایی را بردارد، سپس گالیله زمانی را که نور فلش به سمت خودش برگشت را اندازه‌گیری کرد؛ اما آزمایش با شکست مواجه‌شد. برای موفقیت در این آزمایش، گالیله مجبور به ثبت یک واحد زمانی برحسب میکروثانیه بود ولی او هیچ دستگاهی برای اندازه‌گیری این زمان نداشت و درنتیجه زمانی که او ثبت کرد، کمتر از زمان واقعی بود. در ادامه با بنیتا همراه باشید.

گالیله ثابت کرد که سرعت حرکت نور اگر آنی نیست، فوق‌العاده سریع است.

اما کمی پس‌ازآن در سال 1976میلادی، یک اخترشناس جوان دانمارکی بنام اوله رومر یک برآورد عادلانه از سرعت نور را ارائه کرد. یکی از روش‌هایی که توسط ملوانان دریانورد، انجام می‌شد این بود که آن‌ها ساعت خود را با خسوف ماه مشتری معروف به "یو" چک می‌کردند. اساس زمان "یو" یک دور گردش کامل دور مشتری که 1.769 روز اندازه‌گیری شده بود است. بااین‌حال، یک مشکل جزئی وجود داشت. رومر مشاهده کرد که زمان بین گرفتگی‌ها در زمان‌های مختلف سال، متفاوت است. در زمان‌هایی که زمین، در دورترین فاصله از مشتری قرار داشت، زمان خسوف یو افزایش پیداکرده و در زمانی که زمین در فاصله نزدیک‌تر قرار داشت، این زمان کاهش پیدا می‌کرد. اثر تجمعی به معنای تعداد دفعات پیش‌بینی در بیشتر از 10 دقیقه هست. رومر، متوجه شد که این تفاوت در خسوف قمر یو، با تغییر فاصله زمین و مشتری و قمر یو، قابل توجیه است. اختلاف‌زمانی مدار یو،  فاصله زمانی رسیدن نور را نشان می دهد. همچنین رومر سرعت نور را حدود 214000 کیلومتر بر ثانیه تخمین زد که با توجه به عدد فعلی، تخمین قابل‌قبولی است.

هیپولای فیزو، 150 سال بعد برای اولین بار سرعت نور را به‌صورت تجربی اندازه‌گیری کرد. او  براساس روش گالیله یک راه‌حل مبتکرانه را ابداع کرد. در این آزمایش او یک شعاع نور را به یک چرخ‌دنده در حال حرکت تاباند. دندانه‌های چرخ‌دنده در حال حرکت، نور را به پالس‌های بسیار کوچک تبدیل کردند. این پالس‌ها تا جاییکه فیزو یک آینه را دقیقاً در مرکز قرار داده بود حدود 8 کیلومتر طی کردند. در برگشت، این پالس‌های منعکس‌شده فقط از طریق یکی از دندانه‌های چرخ‌دنده می‌توانست بازتابش شود. در سرعت‌های پائین، پالس‌های بازتابیده شده، فقط از طریق شکاف همان دندانه که خارج‌شده بود به سمت فیزو برمی‌گشت؛ اما زمانی که فیزو حرکت چرخ را سریع‌تر کرد، در یک سرعت خاص، پالس‌ها به‌وسیله دندانه‌های چرخ، مسدود شدند. با دانستن سرعت دوران، فیزو توانست طول مدتی را که نور فاصله 16 کیلومتری را طی کرده بود، محاسبه کند. او عدد 315000 کیلومتر بر ثانیه را به دست آورد که به عدد فعلی نزدیک‌تر بوده و فقط 5 درصد با اندازه‌گیری‌های لیزری اختلاف دارد.

چرا سرعت نور محدود است؟

این سؤال آلبرت انیشتین را به فکر فروبرد. سرعت نور محدود است، اگر یک مشعل را در مقابل یک موشک در حال حرکت قرار دهید چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا نوری که از این مشعل خارج می‌شود سریع‌تر از حرکت نور است؟ انیشتین از این موضوع متحیر شده و با چند آزمایش فکری، راه‌حلی برای این موضوع پیدا کرد: حرکت جسم را آهسته کرد تا سرعت نیز پائین بیاید. زمان دیگر ثابت نیست و ازاینجا بود که فرضیه نسبیت متولد شد. بسیاری از آزمایش‌های دقت نظریه انیشتین را تأیید کرده است.

در سال 1964 میلادی بیل بارتزی، در دانشگاه (MIT)، الکترون‌ها را در طیف وسیعی از سرعت‌ها به حرکت درآورد. او سپس انرژی جنبشی را اندازه‌گیری کرد و متوجه شد که سرعت آن‌ها به‌سرعت نور نزدیک‌تر شد؛ و الکترون‌ها سنگین و سنگین‌تر شدند تازمانی که آن‌قدر سنگین شدند که حرکت آن‌ها کندتر شد. حداکثر سرعتی که می‌تواند الکترون‌ها را قبل از اینکه بیش‌ازحد سنگین شوند، به حرکت درآورد، تنها سرعت نور است.

در آزمایش مهم دیگری دو فیزیکدان، جوزف هافل و ریچارد کیتینگ، با ساعت‌های اتمی سزیم فوق‌العاده دقیق در خطوط هوائی تجاری در سراسر جهان، پرواز کردند. پس از پایان سفر، همه ساعت‌هایی که در سفر بودند، با ساعت مرجع که در آزمایشگاه قرار داشت، متفاوت بود. زمان در ساعت‌هایی که درحرکت بودند، کندتر می‌گذشت و این با آزمایش‌های انیشتین تطابق داشت؛ بنابراین اشیائی که در سفر در حال حرکت‌اند، وزن جرمی آن‌ها بیشتر شده و زمان در آن‌ها کندتر می‌گذرد. تا زمانی که شما به‌سرعت نور برسید که زمان متوقف می‌شود، هرچند این امر غیرممکن است. اگر زمان متوقف شود، سرعت هم متوقف می‌شود؛ بنابراین هیچ‌چیزی نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند.

به‌هرحال در نظر داشته باشید که در تلفن‌های هوشمند، اگر قصد محاسبه زمان رادارید، چون از (GPS) های موجود در مدار زمین استفاده می‌شود، باید اتساع زمان (کاهش زمانی) را محاسبه کنید. اصلاحات نسبیتی و جهان مدرن همه این‌ها را از بین برد.

در سپتامبر 2011 میلادی، آنتونیو اردیداتو، جهان را شوکه کرد. نتیجه پروژه اپرا که حاصل تلاش 160 دانشمند از سراسر جهان بود، غیرقابل‌تصور بود: ذرات(نوترینوها) سریع‌تر از نور حرکت کرده بودند. بر اساس نظریه نسبیت انیشتین، این امر امکان‌پذیر نیست؛ اما این اتفاق افتاده بود و به نظر می‌رسید باید بخش‌هایی از فیزیک متحول شود.

می‌توانید یک سری هم به « آیا واقعا کتاب خواندن عمر شما را زیاد می کند؟» بزنید.