دانشمندان چگونه سرعت نور را اندازه گیری می کنند؟

به گزارش کلیک، وب‌سایت َQuora پایگاه اینترنتی بزرگ و معتبری است که زمینه‌ فعالیتش به اشتراک‌گذاری دانش بین کاربران سراسر جهان است و معمولا در این وب‌ سایت، متخصصان پاسخ‌ های بسیار جالب و دقیقی به سوالات می‌دهند.

دانشمندان سرعت نور که معمولا از آن با عنوان "سرعت در خلاء" یاد می‌شود را اندازه‌گیری نمی‌کنند! بلکه دقیقا می‌دانند سرعت نور چقدر است و نیازی به اندازه‌گیری آن ندارند. (سرعت انتشار نور در خلأ، بیشتر از سرعت انتشار نور در هر محیط شفاف دیگری است).
سرعت نور عبارت است از: c=299792458ms-1 (معمولا این عدد را رو به بالا گرد می‌کنند). از این رو می‌توان گفت سرعت انتشار نور در خلأ تقریباً ۰۰۰ ، ۳۰۰ کیلومتر بر ثانیه است؛ یعنی نور در خلاء فاصله‌ی ۰۰۰ ، ۳۰۰ کیلومتری را در مدت یک ثانیه می‌پیماید. سرعت نور در هوا نیز تقریبا همین مقدار است. در محیط‌های شفاف مثل آب، شیشه و … سرعت نور کمتر از سرعت نور در هوا است.
این سرعت کاملا دقیق است و هیچ خطایی در آن وجود ندارد. شاید بپرسید دلیل اطمینان دانشمندان به این رقم از کجا ناشی می‌شود؟ جواب خیلی ساده است چون آنها خود این سرعت را تعریف کرده‌اند. دانشمندان تعریف‌ ثانیه را در نظر گرفته و از روی آن اندازه یک متر را تعریف می‌کنند. از این رو آن چه که اندازه می‌گیرند در حقیقت اندازه متر است نه چیزی دیگر.

در حقیقت دانشمندان سرعت نور را یک شتاب ثابت در نظر می‌گیرند و از این رو سایرین می‌توانند مقیاس طول موردنظر خود را بر اساس این شتاب تعریف نمایند. اگر کسی ادعایی در مورد بیشتر یا کمتر بودن سرعت نور داشته باشد احتمالا نیازمند تعریف جدیدی از واحد اندازه‌گیری "متر" خواهد بود که البته از سال ۱۹۷۰ میلادی تا کنون هیچ تغییری در اندازه این واحد به وجود نیامده است.
اگر کسی واقعا قصد اشته باشد سرعت نور را با استفاده از مقیاسی جدید اندازه‌گیری نماید پروسه چندان پیچیده‌ای را پیش رو نخواهد داشت؛ کافی است وی یک پالس نوری با مشخصات t=o به سمت یک آینه آزاد کرده و سپس مدت زمان برگشت آن به سمت خودش را اندازه‌گیری نمایید. این همان اصل دقیقی است که رادارها و امواج صوتی با آن کار می‌کنند.

پیشینه
برای نخستین بار برخوردی آزمون پذیر و ریاضی‌وار برای اندازه‌گیری سرعت نور توسط گالیله انجام می‌شود که نشان می‌دهد وی برای سرعت نور محدودیت قائل بود و آن را بی‌نهایت نمی‌داست. در حقیقت وی روش‌های موجود را ناکافی و غیرعلمی می‌دانست و از این رو به دنبال پاسخی برای حل مسأله‌ی سرعت نور و ارائه‌ی روشی تجربی ریاضی بود.او در نخستین تلاش های علمی به اتفاق همکارش برای اندازه گیری سرعت نور در سال ۱۶۴۳ تنها توانست ثابت کند که سرعت نور بی‌نهایت نیست اما بسیار زیاد است.همچنان مسأله‌ی عددی برای اندازه‌ی نور پا برجا بود. دانشمند دیگر "اوله رومر" اخترشناس دانمارکی برای اولین بار در سال ۱۶۷۴ توانست سرعت نور را اندازه‌گیری نماید. در دسامبر سال ۱۶۷۶ در رساله‌ای که آکادمی علمی سلطنتی پاریس یافته‌های رومر را منتشر کرد، سرعت نور را ۲۱۴۴۴۴ کیلومتر بر ثانیه تخمین زد؛ به عبارتی دیگر رومر تخمین زد که نور نیاز به ۲۲ دقیقه دارد تا مسافتی معادل قطر مدار زمین (۳۰۰ میلیون کیلومتر) را طی کند که می‌شود ۲۲۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه. هنگامی که در سال ۱۷۲۳ "جیمز برادلی" رویداد ابراسیون) انحراف نور ستارگان در اثر گردش زمین به دور خورشید) را کشف و توجیه کرد، حقیقت کشف رومر کاملاً به اثبات رسید. درحقیقت، سرعت نور بسیار بیشتر از تصورات رومر بود. ۳۴ سال پس از یافته ی رومر، اخترشناسانی که با تلسکوپ های کارآمدتر رصد می کردند دریافتند که نور طول مدار زمین را با سرعت حدود ۳۴۴۴۴۴ کیلومتر بر ثانیه طی می کند. آنها روش محاسبه‌ای رومر را تغییر ندادند بلکه فقط داده‌های دقیق‌تری وارد کردند. به این ترتیب ثابت شد سرعت نور هرچقدر هم که زیاد باشد، محدود و قابل اندازه‌گیری است.
واحد اندازه‌گیری "متر" بعد از انقلاب فرانسه یعنی در سال ۱۷۹۹ تعریف شد. این واحد به میزان به صورت یک ده میلیونیم ( ۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰ ۱/۱۰ ) فاصلهٔ میان خط استوا و قطب شمال جغرافیایی زمین از پاریس محاسبه گردید. این واحد اندازه‌گیری به طور رسمی در سال ۱۸۸۹ میلادی از سوی اداره بین‌المللی اوزان و مقیاس‌ها (BIPM) و با استفاده از یک میله پلاتینومی در کنفرانس اوزان و مقادیر پاریس انتخاب شد.

دانشمندان با در نظر گرفتن این تعریف از متر (و تعریف قدیمی یک ثانیه)، سرعت متر را اندازه‌گیری کرد‌ه‌اند که برابر است با ۲۹۹۷۹۲۴۵۸٫
در پاره‌ای از اندازه‌گیری‌ها با عددهای خیلی بزرگ یا خیلی کوچک سر و کار داریم. سرعت نور در خلاء به طور دقیق m/s 299،۷۹۲،۴۵۸ (متر بر ثانیه) است که در محاسبه آن را به صورت m/s 000،۰۰۰، ۳۰۰ تقریب می‌زنند. نوشتن چنین عددهایی به صورت اعشاری یا با صفرهای زیاد، علاوه بر آن که خواندن و نوشتن را مشکل می‌کند، احتمال اشتباه را هم زیاد می‌کند. از این رو با استفاده از نمادگذاری علمی می‌توان نوشتن و محاسبه‌ی مقدارهای خیلی بزرگ یا خیلی کوچک را ساده کرد. در نمادگذاری علمی هر مقدار را به صورت حاصل ضرب عددی بزرگ‌تر از ۱ یا مساوی با ۱ و کوچک‌تر از ۱۰ و ضریبی با توان صحیحی از ۱۰ می‌نویسند. به این ترتیب سرعت نور را می‌توان به صورت m/s 108 ×۰۰/۳ هم نشان داد.

امروزه تعریف رسمی متر عبارت است از:
«گذر از یک فاصله ۱⁄۲۹۹۷۹۲۴۵۸ که توسط نور در طی یک ثانیه در خلاء طی می‌شود»
رقم فوق دقیقا معادل تعریف سرعت نور است. دانشمندان عمدا این عدد (و نه عدد راحت‌تری مثل ۳۰۰،۰۰۰،۰۰۰) را انتخاب کرده‌اند زیرا این عدد تعریف آنها از متر را راحت‌تر نشان می‌دهد.
هر تلاشی برای اندازه‌گیری سرعت نور گردشی است؛ به این معنی که بالاخره مجبورید از یک "متر" برای اندازه‌گیری استفاده نمایید که خود این "متر" روی سرعت نور تکیه کرده است.
پس آن کاری که افرادی مثل دانش‌آموزان، دانشجویان و سایر علاقه‌مندان به فیزیک هنگام "اندازه‌گیری" سرعت نور در خلاء انجام می‌دهند در حقیقت "اندازه‌گیری دقت ابزارهای اندازه‌گیری‌‌شان است و نه اندازه‌گیری سرعت نور!"