موضوع مقاله: سرعت نور | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # سرعت نور | مقدمه: در محاسبات عادی که دقت زیادی مورد نیاز نیست، سرعت نور را برابر با ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه (۳ متر بر ثانیه) در نظر می‌گیرند. | ## بخش 1: سرعت نور | این سرعت همچنان سرعت تمام ذرات بدون جرم و میدان‌های فیزیکی — شامل تابش الکترومغناطیسی که نور نیز جزو آن می‌شود — نیز هست. ذراتی که ذکر شد سرعتشان مستقل چارچوب مرجع است که گسترش این اصل به نسبیت خاص می‌انجامد. سرعت نور در خلأ تقسیم بر سرعت نور در آن ماده شفاف (مانند شیشه یا هوا) به عددی بزرگ‌تر از یک می‌انجامد که به آن ضریب شکست (با نماد n نشان می‌دهند) می‌گویند و در فرمول‌های نور هندسی کاربرد دارد. برای مثال ضریب شکست نور مرئی برای شیشه معمولی حدود ۱٫۵ است و بدین معنی است که سرعت نور در شیشه، است. ضریب شکست نور برای هوا ۱٫۰۰۰۳ (۱٫۰۰۰۳) است که نشان می‌دهد نور در هوا حدود کندتر از c حرکت می‌کند. برای بسیاری از کاربردها، نور و دیگر امواج الکترومغناطیسی بدون تأخیر جابجا می‌شوند اما برای فواصل زیاد و اندازه‌گیری‌هایی بسیار حساس، سرعت محدود نور اثرات ملموسی دارد. در ارتباطات با کاوشگران فضایی دور ممکن است بین دقایق تا ساعت‌ها طول بکشید تا یک پیام از زمین به کاوشگر برسد یا برگردد. نور ستارگان از سال‌های بسیار گذشته به زمین می‌رسد که اجازه می‌دهد تاریخچه جهان را با بررسی اجسام دور مطالعه کرد. سرعت محدود نور همچنین نظریات حد سرعت رایانه را نیز محدود می‌کند برای اینکه اطلاعاتی که داخل یک کامپیوتر از یک پردازنده به پردازنده دیگر منتقل می‌شود سرعت محدودی خواهد شد. بعدها ستاره‌شناس دانمارکی اوله رومر به کمک گرفت‌های مشتری سرعت نور را تا حد دقیقی اندازه گرفت. مقدار عددی، نمادگذاری و واحدها سرعت نور در خلأ معمولاً با حرف کوچک نشان داده می‌شود. در سال ۱۸۵۶، ویلهلم ادوارد وبر و رودولف کلراوش از c برای ثابت متفاوتی استفاده کردند که بعداً نشان داده شد برابر با برابر سرعت نور در خلأ است. از نظر تاریخی، نماد V به عنوان نمادی جایگزین برای سرعت نور استفاده می‌شد که توسط جیمز کلارک ماکسول در سال ۱۸۶۵ معرفی شد. در سال ۱۹۰۳، مکس آبراهام از با معنای مدرن آن در یک کتاب درسی پرخواننده در مورد الکترومغناطیس استفاده کرد. ثانیه نیز به نوبه خود، به‌عنوان مدت زمانی تعریف می‌شود که ۹۱۹۲۶۳۱۷۷۰ سیکل از تابش ساطع‌شده توسط یک اتم سزیم-۱۳۳ در گذار بین دو حالت انرژی مشخص، اشغال می‌کند. با استفاده از مقدار و همچنین اندازه‌گیری دقیق ثانیه، می‌توان استانداردی برای متر تعیین کرد.برای نمونه ببینید: مقدار خاص انتخاب‌شده برای سرعت نور، تعریف دقیق‌تری از متر ارائه داد که همچنان تا حد امکان با تعریف مورد استفاده قبل از سال ۱۹۸۳ مطابقت داشت. به‌عنوان یک ثابت فیزیکی ابعادی، مقدار عددی برای سیستم‌های واحد مختلف متفاوت است. به عنوان مثال، در واحدهای امپراتوری، سرعت نور تقریباً ۱۸۶۲۸۲ مایل در ثانیه یا تقریباً ۱ فوت در هر نانوثانیه است. در شاخه‌هایی از فیزیک که اغلب در آنها ظاهر می‌شود، مانند نسبیت، استفاده از سیستم‌های یکاهای اندازه‌گیری طبیعی یا سیستم یکاهای هندسی که در آن c = ۱ است، رایج است. | ## بخش 2: سرعت نور | نقش بنیادی در فیزیک سرعت نور مستقل از سرعت ناظر و منبع است.اگرچه، بسامد نور با توجه به سرعت ناظر و منبع می‌تواند تغییر کند. اگرچه در اول مهر ماه ۱۳۹۰ محققان مرکز تحقیقاتی سرن اعلام کردند که حرکت ذرات بنیادی نوترینو با سرعتی بالاتر از سرعت نور را مشاهده کرده‌اند. نسبیت خاص در واقع بررسی قوانین فیزیک برای ناظر و مرجع است برای زمانی که فرض شود سرعت نور وابسته به سرعت منبع یا ناظر نیست. یکی از نتایج این است که سرعتی است که همه ذرات و امواج بدون جرم، از جمله نور، باید با آن در خلاء حرکت کنند. این شامل هم‌ارزی جرم و انرژی ، انقباض لورنتزی (کوتاه‌شدن اجسام در راستای حرکت)، اتساع زمان (کندتر شدن زمان) و افزایش جرم نیز هست. تفاوت γ از یک در سرعت‌های کم نسبت به c یعنی تقریباً تمام حرکت‌های روزانه انسان ناچیز است. طول جسمی که انقباض لورنتزی دارد و زمانی که در یک متحرک می‌گذرد از تقسیم طول در حالت سکون و زمان در حالت سکون بر فاکتور لورنتز به‌دست می‌آید. سرعت نور به عنوان حد بالای سرعت بنابر نسبیت خاص، انرژی یک جسم با سرعت v و جرم سکون m با به‌دست می‌آید که در آن γ فاکتور لورنتز است. هنگامی که سرعت برابر صفر است فاکتور لورنتز برابر یک بوده و انرژی جسم برابر با است که همان هم‌ارزی جرم و انرژی است. اما هنگامی که سرعت جسم به سرعت نور نزدیک می‌شود این مقدار به سمت بی‌نهایت می‌رود بنابرین برای رساندن سرعت جسمی که جرم غیرصفر دارد به سرعت نور؛ نیاز به بی‌نهایت انرژی است. از آنجاکه رفتار میدان الکترومغناطیسی توسط معادلات ماکسول تشریح شده‌است، این معادلات پیش‌بینی می‌کنند که سرعت c با انتشار امواج الکترومغناطیسی (مانند نور) در خلأ را می‌توان با ظرفیت خازنی و القایی خلاء بیان کرد. به بیان دیگر سرعت انتشار نور با ریشه ثابت تراوایی خلأ در ثابت گذردهی خلأ رابطه عکس دارد که در رابطه زیر نمایش داده شده‌است. در فیزیک نوین، میدان الکترومغناطیسی توسط نظریه الکترودینامیک کوانتومی توصیف می‌شود. در این نظریه، نور توسط تحریک بنیادی (یا کوانتای) میدان الکترومغناطیسی، که فوتون نامیده می‌شود، توصیف می‌شود. در نظریه الکترودینامیک کوانتومی، فوتون‌ها ذرات بدون جرمی هستند که بنابر نسبیت خاص، با سرعت نور در خلأ حرکت می‌کنند. اثرات عملی محدود بودن سرعت نور به مخابرات مربوط می‌شود: زمان تأخیر مخابرات یک طرفه و رفت و برگشت بزرگتر از صفر است. از سوی دیگر، برخی از تکنیک‌ها به سرعت محدود نور بستگی دارند، به عنوان مثال در اندازه‌گیری فاصله. مقیاس‌های کوچک در ابرکامپیوترها، سرعت نور محدودیتی در سرعت ارسال داده‌ها بین پردازنده‌ها ایجاد می‌کند. اگر یک پردازنده در ۱ گیگاهرتز کار کند، یک سیگنال می‌تواند حداکثر حدود در یک چرخه طی کند؛ بنابراین، پردازنده‌ها باید نزدیک یکدیگر قرار گیرند تا تأخیرهای ارتباطی به حداقل برسد. | ## بخش 3: سرعت نور | اگر فرکانس‌ها به افزایش ادامه دهند، سرعت نور در نهایت به یک عامل محدود کننده برای طراحی داخلی تراشه‌ها تبدیل می‌شود. فاصله‌های بزرگ روی زمین با توجه به اینکه محیط استوایی زمین حدود کیلومتر است و c حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه است. کوتاهترین زمان ممکن برای انتقال اطلاعات برای مسافتی حدود نیمی از کره زمین حدود ۶۷ میلی ثانیه است. هنگامی که نور در یک فیبر نوری در سراسر کره زمین در حال حرکت است، زمان انتقال واقعی طولانی‌تر است، بخشی به این دلیل که سرعت نور در فیبر نوری بسته به ضریب شکست آن (n) حدود ۳۵ درصد کندتر است. این تأخیر برای ارتباطات بین کنترل زمینی و آپولو ۸، زمانی که اولین فضاپیمای با سرنشین بود که به دور ماه می‌چرخید، قابل توجه بود: برای هر سؤال، ایستگاه کنترل زمینی باید حداقل سه ثانیه برای رسیدن پاسخ منتظر می‌ماند. تأخیر ارتباط بین زمین و مریخ بسته به موقعیت نسبی دو سیاره می‌تواند بین پنج تا بیست دقیقه متغیر باشد. در نتیجه، اگر روباتی در سطح مریخ با مشکلی مواجه شود، کنترل‌کننده‌های انسانی آن حداقل تا پنج دقیقه بعد و احتمالاً تا بیست دقیقه بعد از آن آگاه نمی‌شوند. عکس‌هایی که امروز گرفته شده‌اند، تصاویری از کهکشان‌ها در زمان ظاهر شدنشان در ۱۳ میلیارد سال پیش ثبت می‌کنند، زمانی که جهان کمتر از یک میلیارد سال سن داشت. این واقعیت که اجرام دورتر به دلیل سرعت محدود نور جوان‌تر به نظر می‌رسند، به اخترشناسان اجازه می‌دهد تا تکامل ستارگان، کهکشان‌ها و خود کیهان را پژوهش کنند. فواصل نجومی گاهی با سال نوری بیان می‌شود، به ویژه در نشریات و رسانه‌های علمی عامه‌محور. یک سال نوری مسافتی است که نور در یک سال ژولینی، طی می‌کند حدود ۹۴۶۱ میلیارد کیلومتر، یا ۵۸۷۹ میلیارد مایل یا ۰٫۳۰۶۶ پارسک. در ارقام گرد، یک سال نوری نزدیک به ۱۰ تریلیون کیلومتر یا نزدیک به ۶ تریلیون مایل است. پروکسیما قنطورس، نزدیکترین ستاره به زمین پس از خورشید، حدود ۴٫۲ سال نوری فاصله دارد. اندازه‌گیری فاصله سیستم‌های راداری فاصله تا یک هدف را با زمانی که یک پالس موج رادیویی پس از انعکاس توسط هدف به آنتن رادار بازمی‌گردد اندازه‌گیری می‌کنند: فاصله تا هدف نصف زمان عبور رفت و برگشت ضربدر سرعت نور است. گیرنده سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) فاصله خود را تا ماهواره‌های GPS بر اساس مدت زمانی که طول می‌کشد تا سیگنال رادیویی از هر ماهواره برسد را اندازه‌گیری می‌کند و براساس این فاصله‌ها موقعیت خود را محاسبه می‌کند. از آنجایی که نور حدود ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند، این اندازه‌گیری‌های کسر کوچکی از ثانیه باید بسیار دقیق باشند. آزمایش فاصله‌سنجی ماه، اخترشناسی راداری و شبکه فضای دوردوست ناسا به ترتیب با اندازه‌گیری زمان‌های عبور رفت و برگشت، فاصله تا ماه، سیارات و فضاپیماها را تعیین می‌کنند. تجارت فرکانس بالا سرعت نور در معاملات با فرکانس بالا اهمیت پیدا کرده‌است، جایی که معامله‌گران برای کسب مزیت‌های جزئی دنبال ارائه معاملات خود به صرافی‌ها کسری از ثانیه زودتر از سایر معامله‌گران هستند. به عنوان مثال، معامله‌گران به ارتباطات مایکروویو بین مراکز تجاری روی آورده‌اند، به این دلیل که امواج مایکروویو در هوا حرکت می‌کنند و به خاطر بالاتر بودن سرعت نور در هوا، نسبت به سیگنال‌های فیبر نوری ۳۰ تا ۴۰ درصد سریعتر حرکت می‌کنند. | ## جمع‌بندی | 346).۱۷۲۹جیمز بردلی، انحراف نور۱۸۴۹ایپولیت فیزو، چرخ دندانه‌دار۱۸۶۲لئون فوکو، آینه چرخان۱۹۰۷روزا و دورسی، ثابت‌های الکترومغناطیسی۱۹۲۶آلبرت آبراهام مایکلسون، آینه چرخان۱۹۵۰, نوسانگر کاواکی۱۹۵۸کی.دی.