نور چگونه داستان جهان را روایت می‌کند؟

خلاصه مقاله:

• تا چندسال پیش، نور تنها راه پی بردن به جهان اطراف به ویژه اعماق کیهان بود. فوتون‌ها با ماهیت عجیب موج، ذره‌ای خود می‌توانند تاریخ جهان را برایمان روایت کنند.
• طول موج، بنیادی‌ترین ویژگی نور است که مقدار انرژی نور را نشان می‌دهد. در طیف نور مرئی رنگ بنفش کوتاه‌ترین طول موج و رنگ قرمز بلندترین طول موج را دارند. نور می‌تواند در طول موج‌هایی خارج از طیف دید انسان هم وجود داشته باشد. پرتوهای گاما، ایکس و فروسرخ شکل‌های مختلفی از نور غیرمرئی هستند.
• دما هم می‌تواند ویژگی‌های فیزیکی نور را آشکار کند. به این ترتیب ستاره‌های داغ‌تر به رنگ آبی و ستاره‌های سردتر به رنگ سرخ ظاهر می‌شوند. عنصرهای اتمی مختلف می‌توانند انواع نور را در طیف‌های مختلف جذب کنند. بر همین اساس می‌توان به ویژگی‌ها و ترکیب ستاره‌ها پی برد.

فوتون‌ها موجودیت‌های عجیبی هستند. می‌توانند مانند امواج و همین‌طور ذرات رفتار کنند. آن‌ها پیام‌آوران کوچک نیرو و حاملان انرژی هستند؛ اما مهم‌تر از هر چیز آن‌ها نور هستند. وقتی به نور فکر می‌کنید، در واقع در حال اندیشیدن به فوتون‌ها هستید؛ بنابراین وقتی اطراف خود را نگاه می‌کنید و چیزهای مختلف را می‌بینید، چشم شما در حال آشکارسازی فوتون‌هایی است که از صفحه‌ی نمایش کامپیوتر یا لامپ منتشر شده‌اند.

فوتون‌هایی که از منابع یادشده منتشر می‌شوند حاصل انعکاس از اشیای دیگر هستند و نبود فوتون‌ها حاصل جذب یا مسدود شدن آن‌ها در حین سفرشان در فضا است. به همین دلیل تقریبا هرچیزی را که درباره‌ی اجرام اعماق فضا می‌دانیم، مدیون نور هستیم.

فوتون‌ها رفتار بسیار عجیبی دارند. از بسیاری جهات، شبیه امواج در ساحل یا در وان حمام رفتار می‌کنند که وقتی به اطراف می‌پاشند، دارای قله و دره هستند. به فاصله‌ی بین قله‌ها طول موج می‌گویند و دامنه‌ی یک موج یا میزان قدرت آن بر اساس اختلاف بین ارتفاع بین یک قله و دره تعریف می‌شود. در موج صوتی، این اختلاف حجم صدا را بیان می‌کند و در نور، با شدت نور ارتباط دارد.

فوتون‌ها همچنین می‌توانند مانند ذرات زیراتمی رفتار کنند که دارای تکانه، چرخش و خصوصیات دیگری هستند. به‌سختی می‌توان تصور کرد که نور می‌تواند موج و درعین‌حال ذره باشد، اما مکانیک کوانتوم این عجایب را ممکن می‌سازد. چنین ویژگی‌هایی نور را تعریف می‌کنند و می‌توانند چیزهای زیادی را درباره‌ی اجرامی که نور را منتشر یا منعکس می‌کنند، به ما بگویند.

رتبه‌ی بعدی طول‌موج‌های بلند به زرد، نارنجی و در نهایت قرمز می‌رسد که بلندترین طول موج را دارد. ما می‌توانیم طول موج‌های رنگ‌های نور مرئی را تا محدوده‌ای که چشم‌هایمان می‌توانند تشخیص دهند، اندازه‌گیری کنیم. این اندازه از تقریبا ۳۸۰ نانومتر برای بنفش به حدود ۷۵۰ نانومتر برای قرمز می‌رسد (هر نانومتر برابر است با یک‌میلیاردیم متر).

فرکانس نور دیگر ویژگی بنیادی و مقیاسی است که نشان می‌دهد قله‌ها چند مرتبه از مقابل دید ناظر عبور می‌کنند. به بیان دیگر فرکانس، معکوس طول موج است؛ هرچقدر طول موج طولانی‌تر باشد، فرکانس کوتاه‌تر است و برعکس. دانشمندان معمولا بر اساس شرایطی مثل ساده‌سازی محاسبات یا شهودی بودن، از فرکانس یا طول موج استفاده می‌کنند.

چشم‌های ما دارای سلول‌های تکامل‌یافته‌ای به نام مخروطی در بخش شبکیه هستند که نسبت به طول‌موج‌های مختلف نور حساسیت دارند. سه نوع مخروطی وجود دارد: یکی از آن‌ها برای آشکارسازی طیف کوچکی از طول‌موج‌های متمرکز بر قرمزی به کار می‌رود و سایر مخروطی‌ها طیف‌های متمرکز بر سبز و آبی را آشکار می‌کنند. وقتی نور به این سلول‌ها برخورد کند، سیگنال‌هایی را به مغز می‌فرستند که مغز آن‌ها را برای ساخت رنگ‌هایی که می‌بینیم، ترکیب می‌کند.

نور می‌تواند دارای طول موج‌هایی خارج از دید انسان هم باشد. ویلیام هرشل در قرن نوزدهم متوجه شد حتی با عبور نور خورشید از فیلترهای تاریک می‌توان گرمای آن را حس کرد. او در واقع نور فروسرخ را کشف کرده بود که طول موج‌های بیشتر از ۷۵۰ نانومتر دارد. آن سوی این طیف در طول موج‌های بلندتر، امواج مایکروویو، امواج میلی‌متری و امواج رادیویی قرار دارند. در سمت دیگر طیف هم امواج فرابنفش قرار دارند که طول موج‌های آن کوتاه‌تر از رنگ بنفش هستند. از امواج کوتاه‌تر می‌توان به پرتوهای ایکس و سپس پرتوهای گاما اشاره کرد که دومی دارای طول موج‌های کوتاه‌تر از تقریبا ده پیکومتر است.

از آنجا که مقیاس انرژی نسبت معکوسی با طول موج دارد (رابطه‌ی مستقیم با فرکانس)، پرتوهای گاما دارای مقدار زیادی انرژی هستند درحالی‌که امواج رادیویی انرژی کمی دارند. پرتوهای گاما به‌عنوان یک دسته‌بندی هر نوری با طول‌موج کمتر از پرتوهای ایکس (انرژی بیشتر از پرتوهای ایکس) را دربر می‌گیرند. امواج رادیویی دارای طیفی با پایان باز و طول موج‌های طولانی انتهای طیف هستند؛ طول موجی که بر اساس سال نوری اندازه‌گیری می‌شود، همچنان موج رادیویی درنظر گرفته می‌شود.

به جز داده‌هایی که از طریق شهاب‌سنگ‌ها به دست آوردیم، تا همین چند سال پیش کل داده‌های جهان خارج از زمین را مدیون نور بودیم. ستاره‌ها، کهکشان‌ها، ابرهای غباری، سیاره‌های فراخورشیدی، تمام این اجرام نور را منتشر، منعکس و یا جذب می‌کنند و باعث ایجاد سیگنال‌هایی می‌شوند که مسافت‌های شگفت‌انگیز را می‌پیمایند تا در نهایت به زمین برسند.

سیگنال‌ها یا همان نور، داستان جهان را برایمان روایت می‌کنند. برای مثال اجرام داغ نور با نور مخصوص خود می‌درخشند. ‌آن‌ها طیف وسیعی از رنگ‌ها را تولید می‌کنند، اما در دمای مشخص یک طول موج اوج یا قله وجود دارد که در آن بیشترین مقدار نور را منتشر می‌کنند. این طول موج اوج یا قله با داغ‌تر شدن دما کوتاه‌تر می‌شود.

ستاره‌هایی مثل خورشید بخش زیادی از نور خود را در طیف مرئی منتشر می‌کنند. نور خورشید وسیله‌ای برای دستیابی به اطلاعات درباره‌ی محیط اطرافمان است. به همین دلیل، چشم در بسیاری از موجودات زنده به تکامل رسیده تا نور را آشکار کند. ستاره‌های سردتر بیشتر در قرمز و ستاره‌های داغ‌تر در آبی می‌درخشند و به همین دلیل است که ستارگان رنگ دارند.

تنها با اندازه‌گیری رنگ ستاره می‌توان به دمای آن پی برد. اندازه‌گیری دمای جسمی که میلیاردها کیلومتر با شما فاصله دارد، یکی از شگفتی‌های علم نجوم است.

ستاره‌شناس‌ها برای نور مرئی (همچنین فرابنفش و فروسرخ) از فیلترهایی برای تعیین رنگ‌ها و اندازه‌گیری دمای ستاره‌ها استفاده می‌کنند. این فیلترها برای مثال می‌توانند صفحات شیشه‌ای باشند که امکان عبور طیف باریکی از طول موج‌های نور را می‌دهند، به‌طوری‌که می‌توانند رنگ‌هایی مثل آبی، سبز یا قرمز را جدا کنند.

با عبور دادن نور از طریق منشور یا ورق مشبک (یک قطعه شیشه یا فلز که دارای مجموعه‌ای از شیارهای موازی در خود است) می‌توان نور را به رنگ‌های مختلف تجزیه کرد. طیف حاصل دارای هزاران طول موج مستقل قابل آشکارسازی خواهد بود. این قابلیت کلیدی برای درک جهان است.

عنصرهای اتمی مختلف، نور را در رنگ‌های مشخصی جذب و منتشر می‌کنند. الکترون‌هایی که در اطراف هسته‌ی اتم حرکت می‌کنند تنها می‌توانند مقادیر گسسته‌ای از انرژی را جذب کنند؛ واقعیتی که در وهله‌ی اول زمینه‌ساز رشد مکانیک کوانتوم شد. برای مثال هیدروژن به‌شدت نور را در ۵۶۵ نانومتر (در طیف سرخ) جذب می‌کند.

برخی طیف‌های ستاره‌ای جذب نور را به شکل یک نوار تیره یا خط در طول موجی که نور را منتشر می‌کنند نشان می‌دهند. به این صورت ستاره‌شناس‌ها ثابت کردند که ستاره‌ها اغلب از هیدروژن ساخته شده‌اند؛ اما اغلب اوقات این خطوط جذب را برای عنصرهای مختلف در طول‌ موج‌های متعدد می‌بینیم و با این ویژگی می‌توان ترکیب ستاره‌ها را حدس زد؛ این روش همچنین به ما می‌گوید که کدام عنصرها در ابرهای گازی یا حتی جو سیاره‌های فراخورشیدی قرار دارند.

 اگر یک جسم به سمت شما حرکت کند، طول موج‌های نوری که منتشر می‌کند، فشرده می‌شود. این فرآیند به انتشار امواج صوتی از صدای‌ آژیر آمبولانس شباهت دارد که فشرده می‌شوند و گام آن‌ها افزایش می‌یابد. برای نور به این اثر انتقال به آبی می‌گوییم. اگر شیء در حال دور شدن باشد، طول موج‌های نور آن کشیده می‌شوند و به آن انتقال به سرخ می‌گوییم.

ستاره‌ها و کهکشان‌ها می‌چرخند و نور خود را به گونه‌ای تغییر می‌دهند که ستاره‌شناس‌ها بتوانند سرعت چرخش آن‌ها را اندازه‌گیری کنند. بر اساس محاسبات ستاره‌شناس‌ها در اوایل قرن بیستم، دورترین کهکشان‌ها دارای انتقال به سرخ بیشتر هستند و این به معنای انبساط جهان است. آن‌ها با اندازه‌گیری دقیق این انتقال به سرخ‌ها توانستند میزان سرعت انبساط کیهان را هم محاسبه کنند و به این ترتیب به عمر ۱۳٫۸ میلیارد ساله برای جهان رسیدند.

اشاره کردیم که تا همین چند سال پیش، نور تنها راه دستیابی به اطلاعات اعماق فضا بود. حالا می‌توانیم دیگر انواع پیام‌آوران کیهانی را هم آشکار کنیم: از ذرات زیراتمی مثل نوترینوها و پرتوهای کیهانی تا پدیده‌های دیگری مثل امواج گرانشی یا همان نوسان‌های موجود در بافت فضازمان. امروز می‌توانیم این اطلاعات را با نوری که می‌بینیم ترکیب کنیم.

امروزه ما در عصر نجوم «چندپیام‌آوری» قرار داریم. این ویژگی‌ها به ما در درک جهان اطرافمان کمک می‌کنند؛ بنابراین تمام این‌ها را وقتی در شبی صاف به آسمان نگاه می‌کنید به یاد داشته باشید. نوری که از ستاره‌های چشمک‌زن بالای سر خود می‌بینید، صدها تریلیون کیلومتر را با سرعت سرسام‌آوری را طی مدتی طولانی طی کرده‌اند، از فضا و جو زمین عبور کردند و در نهایت به سلول‌های چشم شما رسیدند. نور راهی برای لمس جهان است.