27-12-2023

 

توجیه کوانتومی برای کاهش سرعت نور در محیط‌های چگال و شفاف، افزایش یا تشدید چگالی انرژی تابش‌های کوانتومی

 

همان‌طور که در مباحث قبلی گفتیم سه حالت کوانتومی برای تابش‌های الکترومغناطیسی متصور است و برای محاسبه چگالی جرم یا انرژی آنها، سه رابطه ارائه کردیم. اینک این سؤال بسیار مهم مطرح می‌شود که اگر به هر دلیلی در این چگالی تغییری ایجاد شود، این تابش دچار چه تغییراتی در ویژگی‌های فیزیکی خود خواهد شد.

 

 

مقدار پی یک عدد یا ثابت ریاضی است. مقدار بَسامد و ثابت پلانک نیز غیرقابل‌تغییر است، چون با انرژی کل تابش پرتو سروکار دارد و اگر تغییراتی در آنها به وجود نیاید، تنها چیزی که مجبور است یا بهتر است بگوییم می‌بایست که تغییر کند، بردار سرعت نور است. اما کاهش سرعت نور در محیط‌های شفاف با چگالی بالا مشاهده شده و چیز تازه‌ای نیست، مثل محیط‌هایی همانند آب یا شیشه که بیانگر این واقعیت فیزیکی است که هیچ تغییری در بَسامد، ثابت پلانک و در نتیجه انرژی کل تابش مشاهده نشده است، بلکه تغییرات مربوط به طول‌موج و در نهایت سرعت نور است و شاید بدون هیچ تغییری در دامنه اولیه موج و این ثابت می‌کند که قدرت درک و شناخت فیزیک‌دانی همانند پلانک، به‌مراتب بیشتر از فهم ریاضی‌دانی همچون انیشتین است که مدعی بود سرعت نور در خلأ، همواره مقدار ثابتی خواهد بود الی عبد و یوم القیامت. اما استنباط ما از تحلیل این داده‌ها برگرفته از آزمون‌های عملی در آزمایشگاه، این‌چنین است که اگر یک ناظر در محیط چگال و ناظر دیگر در محیط خلأ و همگی در یک چهارچوب لخت قرار بگیرند، این دو ناظر در مورد سنجش گذر زمان با استفاده از شمارش بَسامد پالس‌های گسیلی از یک منبع نور تکفام که از هر دو محیط گذر می‌کند، با همدیگر هم زمان خواهند بود. یعنی هیچ اختلاف زمانی نخواهند داشت هر چند که هر دو با یک سرعت مساوی و برابر، نسبت به یک مرجع مشترک در حال حرکت باشند. ولی در مورد اندازه‌گیری سرعت نور، نتایج یکسانی نخواهند داشت و به یک تفاهم نخواهد رسید و این در حالی خواهد بود که هیچ تغییری در ابزار اندازه‌گیری خود (خط کش، سانتی‌متر، ساعت و...) نخواهند داشت. یعنی با مقایسه آن ابزارها به یک اندازه و مقدار مشترک خواهند رسید و این ثابت می‌کند که قدرت درک و شناخت فیزیک‌دانانی همانند لورنتس و جرالد به‌مراتب بیشتر از فهم ریاضی‌دانی همچون انیشتین است. چرا که عامل لورنتس - جرالد برای هر دو ناظر در هر دو محیط یکسان است و تنها چیزی که می‌تواند این پدیده را توجیه کند، تغییر یا افزایش چگالی جرم و انرژی است که ثابت می‌کند فیزیک کوانتوم به نسبیت خاص برتری بسیار زیادی دارد. در حقیقت سرعت نور با چگالی جرم یا انرژی رابطه عکس دارد. پس چنین نتیجه می‌گیریم که نور در زمان ورود به محیط چگال و شفاف با افزایش چگالی جرم و انرژی مواجه می‌شود و مجبور است سرعت خود را کاهش دهد، چون مکانیزم و ذات درونی آن این‌چنین است.

 

ضریب شکست چیست؟

ضریب شکست (n) یک محیط در نورشناسی، مقیاسی است بدون بعد و برای نشان‌دادن آنکه سرعت نور یا هر پرتو دیگر در آن محیط، چه مقدار نسبت به خلأ کاهش می‌یابد. ضریب شکست چنین تعریف می‌شود.

 

 

که در آن c سرعت نور در خلأ و v سرعت نور در ماده موردنظر است. به طور مثال ضریب شکست شیشه در حدود ۱.۵ است و این بدان معنا است که سرعت نور در شیشه ۰.۶۶=(۱.۵) /۱ برابر سرعت نور در خلأ است. ولی این مقدار ضریب شکست به‌صورت تجربی به‌دست‌آمده و هیچ توجیه علمی تا به امروز نداشته است که ما سعی کردیم آن را توجیه فیزیکی کنیم و آن چیزی نیست جز تغییر چگالی انرژی یا جرم. پس معادلات درست این چنین خواهد بود.

 

همان‌طور که می‌دانیم، مدت‌زمان زیادی است که لیزرهای جامد و.... به‌صورت تجربی ساخته شده و بعداً برای مکانیزم و توجیه فیزیکی رفتار نور در آنها و ترازهای انرژی و..... این پدید، مطالبی در جهت توجیه ارائه شده است. باتوجه‌به مطالب فوق، توجیه بهتری برای تشدید امواج نور تکفام و.... نیز مقدور است. اما به دلیل داشتن جنبه فناوری جهت ساخت و توسعه لیزر با توان بالا که می‌تواند به‌عنوان یک جنگ‌افزار نظامی استفاده شود، هیچ توضیحی در این مورد ارائه نمی‌شود. ولی باتوجه‌به اینکه ما دانستیم که با افزایش چگالی انرژی، سرعت نور کاهش می‌یابد می‌توان با کم‌کردن سرعت نور بر چگالی آن افزود؟

مسلماً بعضی‌ها خواهند گفت که مقدار سرعت نور در خلأ یک مقدار ثابت جهانی و غیرقابل‌تغییر است. ولی شواهد نشان می‌دهد با سازوکاری که با استفاده از فیزیک کوانتوم و فناوری کریستالوژی و الکترومغناطیس و..... کار می‌کند، می‌توان به اهداف موردنظر رسید. در این فناوری فوق پیشرفته، سرعت تابش پرتوهای کوانتومی کاهش پیدا کرده و به چگالی انرژی آن افزوده می‌شود. یعنی ناظری که در یک دستگاه لخت یا شتاب‌دار و.... خارج از ژنراتور تشدید و افزاینده چگالی انرژی امواج الکترومغناطیس مشغول پیپ کشیدن است، در یک‌هوای تاریک یا نیمه‌تاریک مه‌آلود، شاهد تابش پرتوی تمام فام و هفت‌رنگ با سرعتی کمتر از سرعت نور است، ولی انرژی معادل تابش پرتوهای ایکس یا گاما را دریافت می‌کند که در مدت‌زمان کوتاهی نابینا و تبخیر می‌شود.

و اینک این سؤال مهم‌تر مطرح می‌شود که اگر چگالی انرژی تابش کم شود چه اتفاقی می‌افتد که جواب آن را در مباحث قبلی ارائه دادیم. اگر چگالی کم شود، سرعت آن افزایش می‌یابد و اگر به‌صورت دایره منبسط شوند یا کره منبسط‌شونده با خاصیت طولی در آید، سرعت آن شتاب گرفته و به‌سرعت نور به توان ۲ نزدیک می‌شود که اگر بتوان از تابش نوع اول گریخت، ولی نسبیت خاص هیچ راهکار عملی برای فرار از تابش نوع دوم ارائه نکرده است. هر چند که با درک، کشف و مشاهده این تابش‌ها، نسبیت خاص به پایان راه خود می‌رسد و دیگر رمقی برای آن نخواهد بود، ولی مکانیک کوانتوم با قدرت و توانایی بیشتری در میدان دانش جولان خواهد داد. چرا که کاملاً مشخص خواهد شد که محدودیت سرعت نور به دلیل کنش‌های مکرری است که مابین دو میدان به‌هم‌وابسته و درهم‌تنیده با یک‌ذره واسطه است و خواهد توانست با شناخت کامل، با نور بازی کند و آن را تبدیل به ابزاری کارآمد و بسیار قدرتمند کند و در نهایت با لحاظ ضریب شکست محیط، معادله جدیدمان در محیط چگال و شفاف را بدین‌گونه می‌توانیم مطرح کنیم.

 

منحنی قرمز در خلأ ولی آبی در محیط چگال با داشتن ضریب شکست n است.

رابطه فوق چگالی انرژی در محیط چگال را نشان می‌دهد و دقت کنید که c در این معادله ثابت نور در خلأ است و نه در محیط چگال.

 

محمدرضا طباطبايي    17/9/1400

http://www.ki2100.com