ماجراي سرعت هاي فراتر از نور و خوشنودي معاندان دانش فيزيك و نجوم !

دوست عزيز

بر فرض صحت كشف ذراتي كه با سرعتي بيش از نور حركت ميكنند نه جهان علم فرو ميريزد و نه دوران اقتدار علم پايان ميابد . و اتفاقا درست برعكس . زيبايي علم نيز در همين است كه با دست يابي به پاسخ يك پرسش دهها پرسش ديگر در مقابل شما قرار ميگيرد . و بر خلاف نظر برخي كه تصور ميكنند بدون هيچ تلاش و كوششي ، پاسخ همه سوالات جهان را با قاطعيت ميدانند و ميدانند و از اول هم ميدانستند كه روزي معلوم خواهد شد كه نيوتن و انشتين و ... چرند ميگفتند ! و حقيقت همان است كه آنها در حد درك و تعصب خود دوست دارند آنگونه باشد . دانشمندان به هيچ وجه چنين نمي انديشند و به همين دليل هم همواره به همه چيز از ديد علمي مينگرند .

اما براي اطلاع شما دوست عزيز كه در اين مورد پرسيده بوديد . ماجراي اين مسئله كه در دنياي فيزيك سرو صدا به پا كرده است اين است كه دانشمندان متوجه شده اند كه ذراتي به نام نوترينو 60 نانو ثانيه يعني 60 ميليارديوم ثانيه زود تر از نور از يك نقطه به نقطه ديگر رسيده اند و اين يعني سرعت آنها از سرعت نور كه 299792458 كيلومتر در ثانيه ميباشد به اندازه يك صد هزارم ثانيه از اين سرعت بيشتر شده . ( یعنی اگر سرعت نور ۱ باشد سرعت این نوترینوها ۱.۰۰۰۰۱ است )البته همين اندازه هم براي اينكه نظريه نسبيت خاص انشتين را به زير سوال ببرد كافي است زيرا در جهان علم دانشمندان بسيار سخت گير هستند و يك ذره و يا فقط يك مورد خطا براي باطل كردن فرضيه اي كافيست . نظريه حاكم ر فعلي ميگويد هيچ ذره اي نميتواند از سرعت نور فراتر رود و سرعت نور و قوانين طبيعت براي همه ناظران يكسان است و اين نظريه اكنون از بنيانهاي فيزيك نوين است ] البته سرعتهاي مافوق نور در فيزيك بي معني نيستند اما نه براي اجرام و در اين سرعت ها اطلاعات قابليت انتقال ندارند ( پاورقي همين صفحه را مطالعه كنيد ) [ . كساني كه از علم و دانش و بويژه فيزيك و نجوم دل خوشي ندارند چرا كه اين دو علم بنيان بسياري باورها را از ريشه بدر آورده است بايد به اين نكته نيز توجه داشته باشند كه همانگونه كه در كتاب زيباي علم و نابخردي آمده آنچه اكنون در جهان علم و دانش راه يافته بدون استدلال و مدرك كافي نبوده است و بدون استدلال نيرومند و مدارك كافي نيز از آن بيرون نخواهد رفت . و خود اهل دانش بيشترين كساني هستند كه همواره هر چيزي را به چالش ميگيرند آنهم با هزينه هايي بسيار گزاف . آزمايشگاه ذرات بنيادي سرن با طول نزديك به 27 كيلومتر كه همين چالش جديد نتيجه وجود آن است دليلي است بر اين ادعا . گزيده اي از كتاب علم و نابخردي را در بخش كتابخانه مطالعه كنيد )

حالا سه اتفاق ممكن است افتاده باشد اول اينكه در محاسبه اشتباهي صورت گرفته باشد . در اين آزمايش فاصله بين مركز سرن كه نوترينو ها از آنجا شليك شده اند و اين آزمايشگاه در ايتاليا با دقت بيست سانتيمتر محاسبه شده است و مشاهده شده كه ذرات با سرعتي كمي بيش از سرعت نور آمده اند . اما در اين آزمايش شرايط بسيار ويژه و مشكلي بايد در نظر گرفته شوند از جمله همين فاصله بين اين دو مركز توسط ماهواره هاي جي پي اس اي صورت گرفته كه دقتشان مربوط به تنظيم بودن ساعتهاي اتمي آنها است ( نسبيت خاص ) هر گونه خطايي در محاسبه اين فاصله با حدود چهل يا پنجاه سانتيمتر بكلي آزمايش را باطل ميكند . آيا در محاسبه اين فاصله خطايي صورت گرفته است ؟ بايد برسي شود . شرايط بسيار ويژه اي مانند اثرات نسبيت عام و تاثير جاذبه و حركت زمين و بسياري عوامل ديگر بايد در نظر گرفته شوند . آيا خطايي در اين موارد رخ داده است ؟ بايد برسي شود . و به همين دليل هم ،همه دانشمندان جهان بر آن شده اند كه اين محاسبات را كنترل كنند . هم اكنون دانشمندان شواهد ي نيز دارند كه نوترينو ها يي كه از انفجار يك ابر نواختر حاصل شده است تنها كمي زودتر از نوري كه همزمان با آن انفجار آن حاصل شده به زمين رسيده اند در صورتيكه با اين حساب اين نوترينو ها ميبايست سالها زود تر از نور همزمان به زمين ميرسيدند اما بنا به دلايل زيادي هنوز ادعايي بر نقض شدن نسبيت خاص صورت نگرفته است . و دوم اينكه اين تحقيقات دريچه هاي ديگري بر روي جهان دانش باز كند و دانشمندان رعايت كردن موارد ديگري را نيز در محاسباتشان بياموزند . و سرانجام سوم اينكه اين موضوع صحت داشته باشد كه باز هم هيچكدام نه علم را از اقتدار مي اندازند و نه موبايل و گيرنده ماهواره اي شما و يا ساير دستگاههاي پيشرفته اي كه بر مبناي همين علوم ساخته شده اند را از كار مي اندازد و نه زمين به جاي كروي بودن دوباره تخت خواهد شد ونه خورشيد به دورش در چرخش . بلكه قطعا دريچه اي بزرگتر و با شكوهتر و البته با عجايب بيشتر به روي دانش انسان خواهد گشود . ( اگر با استفاده از آنچه انشتين بيان كرد ساعتهاي اتمي حدود چهل ماهواره جهت ياب جي پي اس را روزانه در حدود چند ميليارديم ثانيه تصحيح نكنند دستگاههاي مكان ياب جي پي اس بر روي زمين حدود چند كيلومتر خطا خواهند داشت و اين يعني همه هواپيما ها و كشتي ها با هم تصادف خواهند كرد و يا به زمين خواهند خورد . زيرا بر مبناي نظريات انشتين ساعتهايي كه در ماهواره ها به دور زمين ميگردند كند تر از ساعتهاي روي زمين كار ميكنند ( نسبيت عام )و اين اختلاف بايد هر روز و دقيقا كنترل و تصحيح شود . پرواز هواپيما ها يي كه روزانه دهها و صدها هزار نفر را جابجا ميكنند نيز به دليل درستي قوانيني است كه بر مبناي آنها ساخته شده اند . حال اگر كشف جديدي در هر يك از علومي كه هواپيما بر مبناي آنها ساخته شده صورت بگيرد ، هواپيما ها ايمن تر ، بهتر و دورتر پرواز خواهند كرد و نه اينكه سقوط كنند و دوران پرواز سپري شود )

به صورت بسيار ساده داستان از اين قرار است كه وقتي ما در جهاني با سرعت هاي معمولي زندگي انسانهاي تا يك قرن قبل سر و كار داشته باشيم و يا با سرعتهايي در حد حركت موشكهايي كه اكنون از منظومه شمسي نيز خارج شده اند ، قوانين نيوتن حاكم مطلق هستند و سفينه هايي كه ميروند به مريخ و بر ميگردند رفت و برگشت خود را مديون همين قوانين هستند . اما وقتي در مورد سرعتهاي بسيار بالا و يا نزديك به سرعت نور صحبت ميكنيم بايد معادلات ديگري از جمله معادلات نسبيتي انشتين را هم در نظر بگيريم . بنابراين در حد زندگي ما و حتي رفت و آمدمان در فضا و يا آنچه در حد اين سرعتها كار ميكند ، بايد قوانين نيوتني را بكار بگيريم و درستي نظريات انشتين به معني رد شدن نظريات نيوتن نيست . اما وقتي به سرعتهاي نزديك نور رسيديم بايد روابط انشتين را هم در نظر بگيريم . و يا آنكه وقتي در جهاني با ابعاد خودمان بحث ميكنيم ميتوانيم مدعي باشيم از وضعيت هر جسم و ذره در هر لحظه با دقت باخبر هستيم اما وقتي در جهان بسيار ريزها يعني الكترونها و درات كوچكتر سير ميكنيم ديگر قطعيت نيز رنگ ميبازد و در مورد يك الكترون بايد چيز هايي بگوييد كه باورش براي عقل فعلي اغلب ما دشوار است ( فيزيك كوانتوم )

. بنابراين در جهان علم بايد بدانيم كه در كجا و چه شرايطي هستيم . ضمن آنكه زيبايي اين جهان نيز به همين اسرار آميز بودن آن است آْنچنان كه وقتي پاسخ يك پرسش را در ميابي دهها پرسش شگفت انگيز تر در برابر قرار ميگيرد و اين داستان احتمالا انتهايي ندارد .

مظفر شريعتي

آبان 90

1-

توضيح زير توسط برادرم احمد شريعتي دكتراي فيزيك در پاسخ پرسشي كه در اين زمينه از او داشتم براي من ارسال شده است .

نور از فركانسهاي مختلفي تشكيل شده است كه در خلاء همه اين فركانسها با يك سرعت يعني تقريبا 300 هزار كيلومتر در ثانيه حركت ميكنند . اما در يك محيط مادي هر يك از اين طيفهاي با فركانس خاص با سرعت ويژه اي حركت ميكنند كه به فركانس آنها بستگي دارد ( سرعت فاز ) . پس در خلا نور همیشه با سرعت تقريبي سیصدهزار کیلومتر بر ثانیه حرکت میکند و این سرعت ربط ی به فرکانس نور ندارد چون همه فركانسها با همان سرعت حركت ميكنند . اما در ماده سرعت نور بستگی به فرکانس نور دارد. به همین علت است که مثلا منشور نور را به رنگها ی مختلف تجزیه میکند. رنگها ی مختلف فرکانسها ی مختلف دارند و هر کدام با یک سرعت حرکت میکنند. نور سفید مخلوط ی است از رنگها یعنی فرکانسها ی مختلف. پس در خلا نور سفید هم با سرعت سیصدهزار کیلومتر بر ثانیه حرکت میکند.

در بعض ی مواد سرعت حرکت بعضی از فرکانسها بیشتر از سرعت نور در خلاء است،. حتا مواد ی هم وجود دارند که سرعت نور ، یعنی سرعت مخلوط ی از نورها با فرکانسها ی مختلف در آن محیط بیشتر از سرعت نور، یعنی بیشتر از سیصد هزار کیلومتر بر ثانيه باشد. نکته ی جالب و عجیب این است که هیچ کدام از این دو مورد به دلايلي كه در اين سطح قابل بحث نيستند به معنی نقض نسبیت خاص اینشتین نيستند . يعني چه زمانيكه سرعت فاز (یعنی سرعت حرکت نور تک فرکانس) بیشتر از سرعت نور در خلا (یعنی سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه) باشد، و چه وقت ی سرعت گروه (یعنی سرعت نور ی که مخلوط ی از بسامدها ی مختلف است) بیشتر از سرعت نور در خلا باشد، و چه زمانيكه هر دو ی این سرعتها بیشتر از سرعت نور در خلا باشند، در هیچ کدام از این موارد نسبیت خاص اینشتین نقض نمیشود. ( اما مطلب هر چند عجیب به نظر میرسد اما کاملا درست است و ریاضیات آن هم البته چندان ساده نیست. و لذا اين مبحث در اينجا و در اين سطح قابل بحث نيست )

بیشتر دانشجویان فیزیک فکر میکنند که سرعت گروه، كه تعريف مشخصي دارد و معمولا يعني سرعت حركت يك بسته نوري كه مخلوط ی از فرکانسهای مختلف است، همیشه کمتر از سرعت نور در خلا است، که البته تصور درست ی نیست. در این مورد دانشجويان فیزیک را میتوان به صفحه ی 325 و 326 از کتاب جكسون ارجاع داد.

ضمنا در مورد تابش چرنكوف كه پرسيده سرعت نور كه مقصود سرعت آن در ناحيه مرئي است در مايعات كمتر از سرعت نور در خلاء ميباشد مثلا در آب سرعت نور مرئي تقريبا 230 هزار كيلومتر بر ثانيه ميباشد و يك ذره ممكن است با سرعتي بيش از اين سرعت حركت و به اين ترتيب نور در همين محيط جلو بيفتد در اين حالت مانند هواپيمايي كه ديوار صوتي را ميشكند ، ذره هم ديوار نوري را ميشكند و از آن جلو مي افتد .

در شكل زير از كتاب جكسون در حالتي كه منحني زرد رنگ شده است سرعت گروه بالاتر از خط آبي يعني سرعت نور در خلا ء شده است كه تناقضي با نسبيت خاص نيز ندارد زيرا در اين شرايط اطلاعات قابليت انتقال ندارند .

مفاهيم و دانستنيهاي اوليه :

سرعت فاز یک موج نرخ انتقال فاز آن موج در فضا است .

کارهای پلانک و سپس انشتین باعث كوانتايي در نظر گرفتن نرژی شد، یعنی انرژی به صورت بسته هاي انرژی بیان ميشود . بر این اساس سرعت یک موج با فرکانس [ v=E/h ] و طول موج[ λ=h/P ]بر اساس رابطه دوبروی به صورت V=v λ=E/P بیان میشود. این سرعت را سرعت فاز میگویند و برای مشخص شدن آن ، یک اندیس ph ، به آن اضافه میشود. این سرعت در واقع همان سرعت موج تکفامی است که به یک ذره مادی نسبت داده میشود. این سرعت از سرعت نور بیشتر است و همین امر سبب میشود که این موج غیر قابل مشاهده باشد. دقت كنيد كه اين مشاهدات مربوط به احتمال یافتن یک ذره است نه مربوط به سرعت فازی که موج منتسب به ذره با آن سرعت پیش میرود، بنابراین ایجاد مزاحمت نمیکند. و مغاير نسبيت نيز نيست .

وقتی یک گروه از امواج سینوسی مجزا را که فرکانس و سرعت فاز آنها متفاوت است، با هم ترکیب کنیم یک بسته موجی حاصل ميشود، در این صورت ناحیهای از اين بسته كه اصطلاحا ناحيه با تداخل سازنده شدید ناميده ميشود وجود خواهد داشت . سرعت گروه ، آن سرعتی است که ناحیه مزبور با آن سرعت به پیش میرود. در مفهوم بسته موجی ، سرعت گروه همان سرعت ذرهای است که به آن موجی را نسبت میدهیم. و همانطور كه بيان شد سرعت گروه نيز ميتواند درشرايطي نمودار 326 - از سرعت نور بالاتر شود بدون آنكه نسبيت نقض شود . زيرا اطلاعات و يا سيگنال در اين محدوده قابل انتقال نخواهد بود .

كاهش سرعت نور در يك محيط :

دانشمندان موفق شده اند در مواد و شرايط بسيار ويژه اي كه ايجاد اين حالات در حال حاضر هزينه هاي بسيار بالايي دارد سرعت نور را تا يك ميليونيوم و حتي بيشتر كاهش دهند . ممكن است از اين پديده در ابر كامپيوترهاي آينده استفاده شود .

~باز گشت به صفحه اول