مقدمه‌ای بر فیزیک امواج و آشنایی با فرضیه اتر

 منبع :

 نويسنده : امیرسالار نیک‌اندیش    ایمیل : salarnikandish@gmail.com

 نوشته شده در تاريخ : 1396/02/27   ( آخرين ويرايش : 1396/02/27 )

در نوشته قبل توضیح دادیم که چگونه نظریه الکترومغناطیس سرعت نور را معادل اندازه‌گیری شده c=300000 km/s پیش‌بینی کرد. اما تبدیلات گالیله‌ای برای سرعت می‌گوید اگر ناظری نسبت به پرتو نوری در حرکت باشد، سرعت نور را متفاوت با c اندازه‌گیری می‌کند. سپس گفتیم برای توجیه این پدیده سه حدس منطقی وجود دارد. با بررسی تجربی این حالت‌ها می‌توانیم پاسخ درست را از بینشان انتخاب کنیم .

همانطور که گفتیم فیزیکدان‌ها محیط انتشار نور را اتر نامیدند و گفتند اتر محیطی است که نور در آن با سرعت c حرکت می‌کند.

برای فیزیکدان‌های قرن نوزدهم غیرقابل تصور بود که امواج الکترومغناطیسی برخلاف امواج مادی مانند صوت، بتوانند بدون نیاز به محیطی برای انتشار، منتشر شوند. بنابراین آن‌ها محیط اتر را برای انتشار نور معرفی کردند که شاید حدسی منطقی به نظر می‌آمد، اما مشکل بزرگ‌تری را پیش پایشان قرار داد:

"هیچ آزمایش وجود اتر را آشکار نمی‌کرد".

برای رفع این مشکل فیزیکدانان مجبور شدند خواصی غیرعادی برای اتر در نظر بگیرند:

۱. چگالی اتر صفر است.

۲. محیط اتر کاملا شفاف است.

۳. اتر تمام فضا را پر می‌کند.

پس چون اتر محیطی است که نور نسبت به آن با سرعت c حرکت می‌کند، اگر ناظری در اتر با سرعت v حرکت کند، باید سرعت باریکه نور را برابر c+v به‌دست آورد.

برای امتحان این فرض، آزمایش مشهور مایکلسون- مورلی طراحی شد که در شماره بعدی آن را به طور کامل شرح خواهیم داد.

اما پیش از آن لازم است برخی مفاهیم بخش مهمی از فیزیک به نام «فیزیک امواج» را این‌جا معرفی کنیم.

به طورکلاسیکی و با بیانی ساده، به آشفتگی‌ای که در محیط منتشر شود و با خود انرژی حمل کند موج می‌گویند. این آشفتگی ممکن است در خلأ و یا در محیط مادی منتشر گردد، برای مثال صوت موجی است که برای انتشار نیاز به محیط مادی دارد، به این صورت که آشفتگی در توده هوای از منبع ایجاد شده و وقتی به پرده گوش می‌رسد و آن را به نوسان وامی‌دارد، گوش ما صدا را تشخیص می‌دهد.

 اما همان‌طور که می‌دانیم نور و درواقع امواج الکترومغناطیسی برای انتشار به محیط مادی نیاز ندارند و در خلأ هم منتشر می‌شوند.

اما چگونه امواج الکترومغناطیسی منتشر می‌شوند؟ اگر ماهیت امواج صوتی، آشفتگی در محیط مادی و سپس انتشار به شکل توده‌های پرفشار و کم‌فشار است، ماهیت امواج الکترومغناطیسی چیست؟

می‌دانیم اگر دو جسم باردار را کنار هم قرار دهیم، بسته به علامت بارهایشان ، به هم نیروی الکتریکی -دافعه یا جاذبه- وارد می‌کنند. در واقع می‌توان به این شکل بیان کرد که هر جسم باردار در اطراف خود، خاصیتی ایجاد می‌کند که اگر جسم باردار دیگری در آن محیط قرار گیرد، نیرویی  را احساس می‌کند. به این خاصیت در فیزیک میدان الکتریکی می‌گوییم. همچنین چنانچه جسمی با خاصیت مغناطیسی مانند آهنربا، در یک میدان مغناطیسی قرار مانند میدان مغناطیسی زمین قرار بگیرد، نیروی مغناطیسی از طرف زمین احساس می‌کند، که این اساس کار قطب‌نماها است.ابتدا تصور براین بود که الکتریسیته  و مغناطیس به عنوان دو نیروی مستقل از هم عمل می‌کنند. در سال 1831 مایکل فارادی، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی متوجه شد که اگر آهنربایی را از وسط یک حلقه سیمی عبور دهد، در حلقه یک جریان الکتریکی ایجاد می‌شود.

                               

 پس از او هاینریش لنز، دانشمند آلمانی-روسی در سال 1833 شکل کامل‌تری از نتایج را ارائه کرد. حاصل کار این دو نفر، قانون مشهور لنز-فارادی است که می‌گوید:

تغییر در میدان الکتریکی، باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی، و همچنین تغییر در میدان مغناطیسی باعث ایجاد یک میدان الکتریکی می‌شود.

همان‌طور که در مقاله قبل اشاره شد، در سال 1837جیمز کلارک ماکسول چهار معادله اساسی الکترومغناطیس را بیان کرد و ساختار ریاضیاتی آن را تدوین کرد.

این نظریه بیان می‌کند در اثر حرکت شتابدار یک بار الکتریکی، میدان الکتریکی حاصل از بار تغییر می‌کند، و این تغییر باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی متغیر می‌شود، سپس این میدان مغناطیسی متغیر خود باز ایجاد میدان الکتریکی متغیر می‌کند و این آشفتگی با سرعت نور در فضا منتشر می‌شود.

                   

حال چند مفهوم ساده فیزیکی را که در ادامه راه با آن‌ها سروکار داریم معرفی می‌کنیم:

به بیشترین میزان آشفتگی که موج در محیط ایجاد می‌کند، دامنه موج گفته می‌شود. مرسوم است که موج را به صورت شماتیک مانند شکل زیر نمایش می‌دهند:

                             

همان‌طور که در شکل هم مشخص است، به فاصله دو نقطه مشابه روی موج، طول موج گفته می‌شود. هم‌چنین به مدت زمانی که می‌گذرد تا یک نوسان کامل انجام شود دوره تناوب موج می‌گویند، به بیان دیگر دوره تناوب فاصله زمانی بین دو قله متوالی موج است.

به تعداد نوسان‌ها در واحد زمان فرکانس یا بسامد موج گفته می‌شود. هر موجی با ویژگی های بسامد، طول موج، دامنه و البته فاز مخصوص به خود مشخص می‌شود.

اما فاز مانند طول موج و یا بسامد یک مفهوم قابل لمس فیزیکی نیست. بلکه در اصل یک مفهوم ریاضی ست برای بیان اختلاف بین دو موجی که دارای دامنه، طول موج و همچنین بسامد یکسانی‌اند.

برای درک بهتر فاز تصور کنید طنابی در دست دارید و آن را به نوسان درمی‌آورید و در نتیجه این نوسان موجی در طناب منتشر می‌شود.

اگر هر بار شدت حرکت دست ما یکسان باشد، هم‌چنین به فاصله زمانی برابر و به یک میزان دستمان را به پایین و بالا حرکت دهیم، امواجی با بسامد، طول موج و دامنه یکسان خلق کرده‌ایم. حال تصور کنید دو طناب مشابه کنار هم قرار گرفته‌اند و در هر دو طناب دو موج با خصوصیات یکسان ایجاد کرده‌ایم، اما با یک تفاوت:

دست ما(به عنوان منبع موج) از دو نقطه مختلف شروع به نوسان کرده باشد، برای مثال یک بار بالای خط‌‌ چین و یک بار پایین آن.

حال دو موج ایجاد شده با دو موقعیت متفادت دست(منبع موج) در ابتدا، با هم هم‌دامنه، هم‌بسامد اما دارای اختلاف فاز هستند.

هنگامی که دو موج با یکدیگر برخورد می‌کنند، تداخل امواج اتفاق می‌افتد. حاصل این تداخل می‌تواند، نابودی دو موج، موج رونده دیگر، یک آشفتگی بی‌نظم و یا موجی بی‌حرکت در محیط باشد.

بسته به اینکه دو موج چه اختلاف فاز و دامنه‌ای با یکدیگر داشته باشند، ممکن است هر یک از حالات بالا زخ دهد.

 

            

 

در مقاله بعد خواهیم دید که چه چیزی باعث این اختلاف فاز در امواج می‌شود؟ چگونه می‌توان از این اختلاف فاز برای پی بردن به درستی تبدیلات گالیله و نیوتون پی برد؟ آیا نیاز است تغییری اساسی در روابط مکانیک صورت گیرد؟ آیا تبدیلات گالیله‌ای و مکانیک نیوتونی از آزمایش هوشمندانه مایکلسون-مورلی سربلند بیرون خواهند آمد؟

پس همچنان هر آخر هفته خواننده صبور ما باشید.