آیا نور درطول عبور از کیهان انرژی خود را از دست می‌دهد؟
جارِد رابرتز، پژوهشگر ارشد در پروژه‌ای علمی در دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو، تلسکوپ خود را برای عکاسی نجومی در حیاط پشتی خانه‌اش تنظیم کرده بود و آن را به سوی کهکشان فرفره، واقع در فاصله‌ی ۲۵ میلیون سال نوری از زمین، نشانه رفته بود. تصویری که از آن کهکشان ثبت شد، جرقه‌ی پرسشی ساده اما علمی را در ذهن کریستینا، همسرش، ایجاد کرد: «آیا نور در چنین سفری طولانی خسته نمی‌شود؟» این سوال بهانه‌ای شد برای آغاز گفت‌وگویی علمی درباره اینکه چرا نور در طول زمان انرژی خود را از دست نمی‌دهد.
رابرتز یک اخترفیزیک‌دان است و یکی از نخستین چیزهایی که در دوران تحصیلش آموخت، این بود که نور اغلب رفتاری از خود نشان می‌دهد که برخلاف شهود و تصورات ما است. او در مطلبی در سایت کانورستیشن توضیح می‌دهد که نور چطور بدون اتلاف انرژی به سفر خود ادامه می‌دهد.
عکاس: Jarred Roberts
نور، شکلی از تابش الکترومغناطیسی است؛ به‌بیان ساده، موجی الکتریکی و موجی مغناطیسی است که با همدیگر در فضا-زمان حرکت می‌کنند. نور جرم ندارد و این نکته بسیار کلیدی است؛ زیرا جرم هر جسمی، چه به اندازه‌ی ذره‌ای گردوغبار باشد و چه یک فضاپیما، حداکثر سرعت حرکت آن در فضا را محدود می‌کند.
اما از آنجایی که نور بدون جرم است، می‌تواند به حداکثر سرعت ممکن در خلأ دست یابد: ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه یا تقریباً ۹٫۵ تریلیون کیلومتر در سال. هیچ چیز دیگری که در فضا حرکت می‌کند، سریع‌تر از نور نیست. برای درک بهتر این سرعت باورنکردنی در نظر بگیرید که در زمانی که شما پلک می‌زنید، یک ذره‌ی نور می‌تواند بیش از دو بار محیط زمین را طی کند.
نور جرم ندارد و به حداکثر سرعت در خلأ می‌رسد
با وجود سرعت حیرت‌انگیز نور، فضا، گستره‌ای بی‌نهایت وسیع دارد. نوری که از خورشید، با فاصله‌ای حدود تقریباً ۱۵۰ میلیون کیلومتر از زمین، به ما می‌رسد، حدود هشت دقیقه زمان نیاز دارد تا این مسیر را طی کند. به‌عبارت دیگر، نوری که در حال حاضر از خورشید می‌بینید، درواقع هشت دقیقه پیش منتشر شده است.
آلفا قنطورس، نزدیک‌ترین ستاره به زمین پس از خورشید، در فاصله‌ی حدود ۴۱ تریلیون کیلومتری قرار دارد. بنابراین، زمانی که شما آن را در آسمان شب می‌بینید، نوری را مشاهده می‌کنید که بیش از چهار سال پیش ساطع شده است. به‌بیان اخترشناسان، این ستاره در فاصله‌ی چهار سال نوری از ما قرار دارد.
با توجه به فاصله‌های عظیم بین اجرام آسمانی، به سؤال کریستینا فکر کنید: چگونه نور می‌تواند در سراسر کیهان سفر کند و به تدریج انرژی خود را از دست ندهد؟ در واقع، مقداری از نور انرژی خود را از دست می‌دهد. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که نور به چیزی برخورد کند، مانند غبار بین‌ستاره‌ای و سپس پراکنده شود. اما بیشتر نور بدون برخورد با چیزی همچنان به مسیر خود ادامه می‌دهد. این حالت تقریباً همیشه صادق است چون فضا عمدتاً خالی است؛ یعنی تقریبا هیچ‌چیزی در آن وجود ندارد، بنابراین مانعی در مسیر نور نیست.
بیشتر بخوانید
وقتی نور بدون مانع حرکت می‌کند، انرژی خود را از دست نمی‌دهد و می‌تواند سرعت حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه را برای همیشه حفظ کند.
مسئله زمان است
مفهوم دیگری را در نظر بگیرید: فرض کنید شما فضانوردی هستید که در ایستگاه فضایی بین‌المللی قرار دارد و با سرعت حدود ۲۷ هزار کیلومتر در ساعت به دور زمین می‌گردید. در مقایسه با فردی که روی زمین است، ساعت مچی شما طی یک سال حدود ۰٫۰۱ ثانیه کندتر می‌گذرد. این پدیده نمونه‌ای از اتساع زمان یا گذر زمان با سرعت‌های متفاوت تحت شرایط مختلف است. زمانی که شما با سرعت بسیار بالا حرکت می‌کنید یا در نزدیکی یک میدان گرانشی قوی قرار دارید، ساعت شما کندتر از کسی که سرعت کمتری دارد یا در فاصله دورتری از میدان گرانشی است، کار خواهد کرد. به طور خلاصه، زمان نسبی است.
حال در نظر بگیرید که نور به‌طور جدایی‌ناپذیری با زمان مرتبط است. تصور کنید روی یک فوتون، ذره بنیادی نور، نشسته‌اید؛ در این حالت، بیشترین میزان اتساع زمان را تجربه خواهید کرد. از دید ناظران روی زمین، شما با سرعت نور حرکت می‌کنید، اما از دیدگاه خودتان، زمان به‌طور کامل متوقف شده است. این امر به این دلیل است که «ساعت‌هایی» که زمان را اندازه می‌گیرند در دو مکان مختلف و با سرعت‌های بسیار متفاوت قرار دارند: ساعتی که روی فوتونی دور مچ شما که با سرعت نور حرکت می‌کند و ساعتی روی زمین که نسبتاً کند، به دور خورشید گردش می‌کند.
وقتی نور بدون مانع حرکت می‌کند، انرژی خود را از دست نمی‌دهد
بر اساس نظریه‌ی نسبیت خاص، هنگامی که با سرعت‌های بسیار بالا (نزدیک به سرعت نور) حرکت می‌کنید، علاوه بر اتساع زمان، پدیده‌ای به نام انقباض طول رخ می‌دهد که در آن فاصله‌ی بین مبدا و مقصد در جهت حرکت، از دید ناظر متحرک کوتاه‌تر به نظر می‌رسد. این تأثیر باعث می‌شود مسیر سفر از دید ناظر متحرک فشرده‌تر و کوتاه‌تر به نظر برسد؛ اما از دید ناظر ساکن، این اتفاق نمی‌افتد.
بیایید دوباره به تصویر کهکشان فرفره نگاه کنیم که باعث شد گفت‌وگویی دلنشین میان یک دانشمند علاقه‌مند و همسر کنجکاوش شکل بگیرد. از دید ما روی زمین، فوتونی که از کهکشانی دوردست تابیده، ۲۵ میلیون سال در راه بوده تا به لنز دوربین رابرتز در حیاط پشتی خانه‌اش برسد. اما برای خود فوتون، این سفر در یک لحظه اتفاق افتاده؛ گویی همزمان ساطع و جذب شده است.
از آنجایی که در سرعت نور، فاصله‌ها در جهت حرکت فشرده می‌شوند و زمان متوقف می‌شود، فوتون این فاصله‌ی عظیم را بدون گذشت زمان طی کرده؛ سفری که از نگاه ما میلیون‌ها سال طول کشیده است، برای ذره نور هیچ مفهومی ندارد.
