سال‌ نوری چیست؟ بررسی یکای اندازه‌گیری فواصل کیهانی

وقتی به آسمان شب نگاه می‌کنیم، ستاره‌هایی را می‌بینیم که میلیون‌ها یا حتی میلیاردها کیلومتر از ما فاصله دارند. اما آیا واقعاً می‌توان فاصله‌ی میان ما و آن نقطه‌های درخشان را با «کیلومتر» سنجید؟! برای درک پهناوری جهان، کیلومتر و مایل دیگر جوابگو نیستند ! به واحدی بسیار فراتر از این‌ها نیاز داریم: «سال نوری!»

سال نوری فقط یک واحد مرسوم برای مسافت نیست ؛ ابزاری است برای ارتباط ایجاد کردن میان ذهن انسان و گستره‌ی بی‌انتها‌ی کیهان. این واحد به ما کمک می‌کند گذشته‌ی جهان را ببینیم، چون هر بار که به آسمان خیره می‌شویم، در حقیقت به زمانی درگذشته نگاه می‌کنیم. درک مفهوم سال نوری یعنی درک این واقعیت شگفت‌انگیز که نور، سریع‌ترین چیز در عالم ، حتی برای رسیدن از ستاره‌ای به ستاره‌ی دیگر، به سال‌ها زمان نیاز دارد!
در ادامه با مفهوم سال نوری آشنا می شویم و علت استفاده و جایگاه آن در میان دیگر مقیاس های فاصله را بررسی می کنیم. در انتها نیز تاریخچه ای خواندنی از تلاش دانشمندان برای محاسبه‌ی سرعت نور آمده است که خواندنش را به همه‌شما علاقمندان تاریخ علم و فیزیک ، پیشنهاد می‌کنم!

در ابتدا برویم با مفهوم سال نوری ، به زبان ساده آشنا شویم:

اگر بخواهیم سال نوری را در یک جمله خلاصه کنیم باید بگوییم :
میزان مسافتی که نور می‌تواند طی مدت یک‌سال در خلأ پیمایش کند. سرعت نور حدودا معادل سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه است ($300000Km/s$) که در مدت یک‌سال می‌تواند تقریبا 460/528/400/000 کیلومتر طی کند! به یاد داشته باشید که سال نوری یک واحد زمان نیست و برای مسافت های بسیار طولانی فضاهای بین ستاره‌ای و فواصل میان‌ستاره‌ای استفاده می‌شود.
به عنوان مثال نزدیک‌ترین ستاره به خورشید ، پروکسیما قنطورس است که ۴.۳ سال نوری از ما فاصله دارد. یعنی نور آن با سرعت سیصد هزار کیلومتر در ثانیه ، چیزی در حدود ۴.۳ سال در راه است تا به ما برسد !! یا به بیان دیگر ،تصویری که ما امروز از پروکسیما قنطورس می‌بینیم برای ۴.۳ سال پیش است ! و این یعنی حتی اگر الان هم این ستاره از بین برود ، حدود چهارسال و چهارماه دیگر ما می‌فهمیم که این ستاره نابود شده است!
برای اینکه بزرگی فاصله ۴.۳ سال نوری را بهتر درک کنید، این فاصله را نسبت به بزرگی منظومه شمسی در مدلی کوچکتر تصور می‌کنیم. نور می‌تواند طی نیم روز ، قطر مدار سیاره‌ی کوتوله‌ی پلوتو ، را طی می کند!! پلوتویی که 60 واحد نجومی از خورشید فاصله دارد و قطر مدار آن چیزی در حدود 120 واحد نجومی می‌شود!!
از سوی دیگر ۴.3 سال نوری معادل با $365 × 4.3=1570$ روز نوری است. حاصل تقسیم عدد ۱۵۷۰ بر ۰.۵ یعنی ۳۱۴۰ ، نسبت بزرگی فاصله نزدیک‌ترین ستاره را به اندازه‌ی حدودی قطر منظومه‌ی شمسی نشان می‌دهد!!
حال اگر در مدل کوچکتری اندازه‌ی قطر مدار پلوتو را ۱ سانتیمتر فرض کنیم ، نزدیک‌ترین ستاره به ما در فاصله‌ی ۳۱۴۰سانتیمتری یا ۳۱.۴ متری قرار می گیرد!

علت استفاده از سال نوری:
شاید این سوال برای شما پیش آمده باشد که چرا در بیان فواصل نجومی معمولا از واحد سال نوری استفاده می‌کنند و از واحد هایی مثل کیلومتر که رواج بیشتری دارد استفاده نمی‌کنند ؟! خب در جواب این سوال می‌توان گفت که فاصله‌ی ما تا پروکسیما قنطورس در مقیاس کیلومتر تقریبا برابر می‌شود با ۱98۰2۷2۱2۰۰۰۰ کیلومتر ! که این فاصله را می‌توان به راحتی در مقیاس سال نوری ، به صورت ۴.۳ سال بیان کرد.

جایگاه و نسبت سال نوری با دیگر واحد‌های رایج مسافت در نجوم:

واحدهای فاصله در نجوم به این دلیل متنوع‌اند که مقیاس‌های کیهانی بسیار متفاوت‌ هستند:
از فاصله‌ی زمین تا خورشید گرفته تا فاصله‌ی ما تا کهکشان‌‌های دیگر. بنابراین هر واحد برای یک «سطح مقیاس» مناسب است. در نجوم، چهار واحد بسیار رایج داریم:

کیلومتر (km) : برای مقیاس‌های کوچک
واحد نجومی (AU) : برای داخل منظومهٔ شمسی
سال نوری (ly) : برای فاصله ستارگان نزدیک و میان‌فاصله‌های کهکشانی
پارسک (pc) : واحد استاندارد اخترفیزیک حرفه‌ای

در ادامه، به صورت مختصر با این واحد ها ، کاربردشان و ارتباطشان با یکدیگر ، می پردازیم.

۱) کیلومتر (km)
کیلومتر ، کوچک‌ترین واحد مورد استفاده‌ی جدی در نجوم است و برای فواصل نزدیکی در مقیاس نجومی مانند ، قطر سیارات، فاصله‌ی زمین تا ماه، یا اندازه‌ی اقمار از آن استفاده می‌شود.
مثال‌ها:
فاصله‌ی زمین تا ماه ≈ 384,400 km | قطر خورشید ≈ 1,392,000 km

۲) واحد نجومی (Astronomical Unit = AU)
واحد نجومی ، واحدی استاندارد برای فواصل داخلی منظومه‌ی شمسی است. و تعریف آن ، متوسط فاصله‌ی زمین تا خورشید ، یعنی: $1AU=149,597,870 km$ که اما آن را به صورت حدودی $150,000,000  km$ در نظر می‌گیرند.
مثال‌ها:
فاصله‌ی زمین تا خورشید = 1AU | فاصله‌ی مریخ تا خورشید ≈ ۱.۵AU | فاصله‌ی نپتون تا خورشید ≈ 30AU | مرز منظومه‌ی شمسی ≈ ۲٬۰۰۰ تا ۵٬۰۰۰ AU

AU برای فراتر از این مقیاس‌ها ، عددهای بسیار بزرگ ایجاد می‌کند.

۳) سال نوری (Light-year = ly)
مسافتی که نور در یک سال طی می‌کند. این واحد برای فاصله‌ی ستاره‌ها، خوشه‌های ستاره‌ای و سحابی ها و کهکشان‌های نزدیک بسیار مفید است.
نسبت سال نوری با AU:
$1 ly=63,241 AU$
مثال‌ها:
نزدیک‌ترین ستاره به خورشید (پروکسیما قنطورس) ≈ $4.24 Ly$
قطر دیسک کهکشان راه‌شیری ≈ $100,000 Ly$
فاصله‌ی ما تا کهکشان آندرومدا ≈ $2,500,000Ly$

۴) پارسک (Parsec = pc)
پارسک ، واحد استاندارد اخترفیزیک حرفه‌ای است و برای فواصل بسیار دور استفاده می‌شود که از روش اختلاف‌منظر (Parallax) گرفته شده است و مطابق تعریفش ، فاصله‌ای که اختلاف‌منظر سالانه‌ی یک ستاره، ۱ ثانیه‌ی قوسی باشد.
$1 pc=3.26 ly$
$1 pc=206,265 AU$
$1 pc=3.086×1013 km$

پیشوند‌های اندازه ، برای پارسک استفاده می‌شود:

کیلـوپارسک (kpc) = $1,000 pc$
مگاپارسک (Mpc) = $1,000,000 pc$
گیگاپارسک (Gpc) = $1,000,000,000 pc$

مثال‌ها:

فاصله‌ی خورشید تا مرکز کهکشان ≈ $8 Kpc$
شعاع کهکشان راه‌شیری ≈ $15 Kpc$
فاصله‌ی آندرومدا ≈ $0.78 Mpc$
خوشه‌های عظیم کهکشانی ≈ ده‌ها $Mpc$ تا صدها $Mpc$
اندازه‌ی جهان قابل مشاهده ≈ $14 Gpc$

تاریخچه جالب و خواندنی محاسبه‌ی سرعت نور! :

در طول تاریخ، نور همواره یکی از مرموز‌ترین پدیده‌های طبیعت بوده است. انسان از هزاران سال پیش با تماشای درخشش خورشید، ستارگان و شعله‌ی آتش مجذوب آن شد، اما پرسش بنیادین این بود که آیا نور فوراً به چشم ما می‌رسد یا زمانی هرچند اندک برای پیمودن فاصله صرف می‌کند؟ پاسخ به این پرسش ساده، چند قرن تلاش و دگرگونی در درک ما از فضا، زمان و جهان را به همراه داشت.

1. اوله رومر؛ در سال 1676 ، نخستین اندازه‌گیری را انجام می‌دهد!!

تحول واقعی در قرن هفدهم، با کار ستاره‌شناس دانمارکی اوله رومر (Ole Romer) آغاز شد. او در رصدخانه پاریس، در کنار ژان دومنی کاسینی، زمان‌بندی گرفت‌های قمر مشتری، «آیو»، را زیر نظر داشت. وی با رصد کسوف‌های قمر آیو ، متوجه شد زمان‌هایی که آیو پشت مشتری می‌رود و دوباره بیرون می‌آید، همیشه دقیقاً طبق پیش‌بینی اتفاق نمی‌افتد. وقتی زمین به مشتری نزدیک‌تر بود ، گرفت‌ها کمی زودتر رخ می‌دادند و وقتی زمین از مشتری دورتر می‌شد ، گرفت‌ها کمی دیرتر رخ می‌دادند.

رومر از این پدیده ، نتیجه گرفت:
نور برای طی کردن فاصله‌ی اضافی بین زمین و مشتری، زمان لازم دارد؛ پس سرعتش بی‌نهایت نیست.
وقتی زمین از موقعیت نزدیک به مشتری تا موقعیت دور از مشتری می‌رسد (حدوداً یک قطر مدار زمین، یعنی تقریباً فاصله‌ی نزدیک به دو برابر فاصله زمین–خورشید)، مجموع تأخیر گرفت‌های آیو حدود ۲۲ دقیقه است (برآورد آن زمان).
یعنی اگر : فاصله اضافه به صورت حدودی برابر با قطر مدار زمین باشد (به زبان امروزی حدود ۳۰۰ میلیون کیلومتر) و نور برای طی این فاصله حدود ۲۲ دقیقه وقت نیاز داشته باشد، آنگاه:

$$v \approx \frac{۳۰۰{,}۰۰۰{,}۰۰۰ \ \text{km}}{۲۲ \times ۶۰ \ \text{s}} \approx ۲۲۷{,}۰۰۰ \ \text{km/s}$$

برای آن زمان این عدد شاهکار بود؛ و رومر نشان داد نور سرعت محدودی دارد و تقریبش هم بد نبود!
او هوشمندانه نتیجه گرفت که این اختلاف ناشی از آن است که نور برای طی‌کردن فاصله‌ی اضافی میان زمین و مشتری زمان لازم دارد. یعنی سرعت نور، بی‌نهایت نیست. رومر با محاسبه این تأخیر، عددی در حدود ۲۲۰ هزار کیلومتر بر ثانیه به دست آورد؛ این اولین بار در تاریخ بود که سرعت نور به‌صورت واقعی و قابل‌اندازه‌گیری تخمین زده شد.

2. ایپولیت فیزو؛ نخستین آزمایش زمینی را در سال ۱۸۴۹ انجام می‌دهد.

پس از حدود دو قرن، ایپولیت فیزو (Hippolyte Fizeau) فیزیک‌دان فرانسوی، توانست اندازه‌گیری سرعت نور را از آسمان به زمین بیاورد. او ایده‌ای درخشان داشت:

با استفاده از چرخ دندانه‌دار و آینه‌ای که چند کیلومتر آن‌سوتر قرار گرفته بود، پرتو نور را از لابه‌لای دندانه‌‌ای از چرخ به سمت آینه فرستاد و زمان رفت‌وبرگشت آن را از روی سرعت چرخ تخمین زد. وقتی چرخ با سرعت خاصی می‌چرخید، نور بازتابی از آینه ، درست در هنگام بازگشت، با دندانه‌ی بعدی برخورد می‌کرد و عبور نمی کرد و دیده نمی‌شد؛ همین پدیده، کلید محاسبه‌ی سرعت نور بود. با داشتن فاصله آینه از چرخ‌دنده و سرعت چرخش چرخ ، سرعت نور به دست می‌آید.
فیزو عددی در حدود ۳۱۳ هزار کیلومتر بر ثانیه به دست آورد؛ خطایی کمتر از پنج درصد نسبت به مقدار امروزی . این یعنی شاهکاری برای قرن نوزدهم!!

3. لئون فوکو؛ آزمایش فیزو را اصلاح کرد

چند سال بعد ، یعنی درسال ۱۸۶۲ ، دوست و همکار فیزو، لئون فوکو (Léon Foucault) ، همان فیزیک‌دانی که بعدها آونگ معروف فوکو را نیز ساخت ، روش اندازه‌گیری را به مرحله‌‌ی جدیدی رساند. او به‌جای چرخ دندانه‌دار، از آینه‌ای چرخان استفاده کرد تا بتواند انحراف کوچک پرتو بازتابی را بسیار دقیق‌تر بسنجد.
نتیجه‌ی آزمایش فوکو محاسبه‌ی سرعت نوری در حدود ۲۹۸ هزار کیلومتر بر ثانیه بود! یعنی تقریباً برابر با مقدار امروزی آن!
فوکو همچنین نشان داد که نور در آب کندتر از هوا حرکت می‌کند؛ کشفی مهم که به سود نظریه‌ی موجی نور فیزیکدانانی همچون توماس یانگ و فرانهوفر تمام شد.

4. آلبرت مایکلسون؛ رسیدن به مرز دقت محاسبات!

دقت نهایی را آلبرت آبراهام مایکلسون (Albert A. Michelson)، فیزیک‌دان آلمانی‌تبار آمریکایی، به دست آورد. او با طراحی سیستم آینه‌های چندمرحله‌ای و مسیرهای نوری طولانی‌تر، سرعت نور را با خطایی کمتر از چند ده واحد اندازه گرفت.

مایکلسون در سلسله آزمایش‌های خود سرعت نور را ۲۹۹٬۷۹۶ کیلومتر بر ثانیه گزارش کرد ؛ مقداری که تا امروز تنها در جزئیات واحدها تغییر یافته است.

او برای همین پیشرفت بنیادی، در سال ۱۹۰۷ نخستین فیزیک‌دان آمریکایی شد که جایزه‌ی نوبل فیزیک را دریافت کرد.

5. از آزمایش تا رسیدن به نظریه ، توسط ماکسول بزرگ!

در نیمهٔ قرن نوزدهم، جیمز کلارک ماکسول، فیزیکدان اسکاتلندی، از دل معادلات الکترومغناطیس خود نشان داد که سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی باید برابر باشد با:

$$c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}}$$

وقتی این مقادیر ثابت‌های طبیعی را جای‌گذاری کرد، عدد به دست آمده دقیقاً با سرعت نور منطبق بود. از این‌رو، نور دیگر صرفاً پدیده‌ای نوری نبود، بلکه شکل خاصی از موج الکترومغناطیسی شناخته شد.

6. نور ، خود معیار اندازه‌گیری دیگر واحد‌ها می‌شود!

تا پایان قرن بیستم، فناوری به‌اندازه‌ای دقیق شده بود که دانشمندان دیگر نیازی به اندازه‌گیری دوباره‌ی سرعت نور نداشتند. در سال ۱۹۸۳، کنفرانس عمومی اوزان و مقیاس‌ها (CGPM) تصمیمی بنیادین گرفت:
به‌جای اندازه‌گیری سرعت نور، خود آن را مقدار ثابت و دقیق تعریف کردند.
بر این اساس ، سرعت نور در خلأ برابر است با $c=299,792,458 m/s$
و بعد از آن هم ، متر چنین تعریف شد:
«فاصله‌ای که نور در خلأ در مدت $\frac{1}{۲۹۹{,}۷۹۲{,}۴۵۸}$ ثانیه طی می‌کند.»

به این ترتیب، داستان چندقرنی تلاش بشر برای اندازه‌گیری سرعت نور به نقطه‌ای رسید که نور خود معیار اندازه‌گیری شد.

نویسندگان:
محمدحسن کمپانیان
محمدهادی صدقی