نور چراغ‌های ماشینی که با سرعت نور حرکت می‌کند، چگونه دیده می‌شود؟

MacTavish · 31/8/19

می‌دانیم که هیچ چیزی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. حال بیایید فرض کنیم در ماشینی نشسته‌ایم که با همین سرعت در حرکت باشد. اگر چراغ‌های خودروی خود را روشن کنیم، چه اتفاقی می‌افتد؟

ساده‌ترین جواب به این سوال این است که فقط ذرات بدون جرم در خلا می‌توانند با سرعت نور حرکت کنند. پس از ابتدا این سناریو غلط است! اما چنین پاسخی جذابیت زیادی ندارد. پس به جای آن، باید به نظریه نسبیت انیشتین توجه کرد.

اولین چیزی که باید بدانیم، مفهوم چارچوب مرجع لَخت است که گالیله چهار قرن پیش آن را مطرح کرد. چارچوب‌های لَخت، چارچوب‌هایی هستند که یا بی‌حرکتند و یا با سرعت ثابت نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند.

مثالی که اکثر اوقات زده می‌شود، شامل دو ناظر است که یکی درون قطار متجرکی با سرعت ثابت قرار دارد و دیگری کنار خطوط را‌ه آهن ایستاده است. این دو چارچوب، هر دو لَخت محسوب می‌شوند. در اینجا اگر ناظر داخل قطار گلوله‌ای را شلیک کند، ناظر کنار ریل سرعت گلوله را بیشتر از ناظر قطار خواهد دید. چرا که برای وی، سرعت اصلی گلوله با سرعت قطار جمع می‌شود و این ناظر مجموع این دو سرعت را مشاهده خواهد کرد.

اما داستان برای نور کاملا متفاوت است. اگر شخص داخل قطار چراغ‌قوه‌ای را روشن کند، این بار هر دو ناظر داخل و بیرون قطار سرعت نور را یکسان و برابر C (حدود سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه) اندازه‌گیری خواهند کرد. دلیل این اتفاق اصل یکسان بودن سرعت نور برای تمامی ناظرهاست. چیزی فراتر از سرعت نور وجود ندارد و بنابراین سرعت قطار نمی‌تواند با آن جمع شود تا سرعتی بالاتر از C نتیجه شود. مثال قطار و گلوله شلیک‌شده، خاصیت نسبی‌بودن واقعیت را نشان می‌دهد و تنها در صورتی درست است که هر دو سرعت قطار و گلوله نسبت به سرعت نور بسیار ناچیز باشد.

اگر شما ماشین یا فضاپیمایی داشته باشید که با سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور حرکت کند، باز هم نور چراغ‌های ماشین شما برابر C خواهد بود. متاسفانه، اطلاعات خیلی بیشتری از این موضوع نمی‌توان کسب کرد. نظریه نسبیت بر پایه‌های بسیار مستحکمی استوار است و زمانی که محدودیت‌های آن را اعمال کنید، تنها به شما می‌گوید که حرکت ماشینی با سرعت نور ممکن نیست.

هرچند این پاسخ ناامیدکننده است ولی قبل از آنکه به مرزهای ناممکن برسید، علم فیزیک موارد جالبی دارد که به شما بگوید.

زمانی که شما به سرعت‌های نزدیک به سرعت نور می‌رسید، نور تحت اثر دوپلر قرار می‌گیرد. مشابه صدای آمبولانسی که از شما دور شده یا نزدیک می‌شود و فرکانس آژیر آن تغییر می‌کند، اگر منبع نوری با سرعت‌های خیلی زیاد نسبت به شما حرکت کند، نورش به سمت طیف آبی (نزدیک شدن منبع) یا قرمز (دورشدن منبع) متمایل خواهد شد.

تصور کنید که با سرعت 10% نور در حرکت باشید. چراغ‌های ماشینتان روشن است و جاده را با نور زردرنگ خود روشن می‌کند و نور بازتابیده از جاده به چشمان شما بازمی‌گردد. اما در کمال تعجب دیگر این نور زردرنگ نیست و متمایل به رنگ بنفش خواهد بود.

همچنان که سرعت ماشین شما افزایش می‌یابد، جبهه‌های نور بازتابیده از جاده فشرده‌تر می‌شوند، یعنی فرکانس نور رسیده بیشتر می‌شود. نتیجه این است که در نهایت، نور بازتابیده از بخش مرئی طیف الکترومغناطیس خارج شده و در سرعت‌های 50% سرعت نور، شما امواج فرابنفش را دریافت خواهید کرد. در سرعت 99.9% سرعت نور امواج بازتابیده وارد ناحیه امواج ایکس می‌شود و فقط با آشکارساز مخصوص امواج ایکس قابل تشخیص است.

نمایش طیف الکترومغناطیس، افزایش فرکانس نور یعنی حرکت به سمت راست این طیف که در ناحیه مرئی حرکت به سمت رنگ آبی و بنفش و بعد از آن نواحی فرابنفش و امواج ایکس است.

این تغییرات نوری تنها مورد عجیب و جذابی نیست که شما در ماشین پرسرعت خود تجربه خواهید کرد. طبق نظریه نسبیت انیشتین، در سرعت‌های بسیار زیاد، زمان کش آمده و فواصل کوتاه می‌شوند. درمورد کش آمدن زمان، معنی‌اش این است که اینگونه درواقع شما زمان را می‌خرید! ساعت دست شما کندتر از ساعت کسی که روی زمین است کار خواهد کرد و گذشت زمانی برابر 10 سال زمینی ممکن است برای شما یک ماه به نظر برسد.

اما در مورد انقباض طول، قاعدتا بایستی موقع نگاه از پنجره به بیرون، اجسام را به حالتی فشرده‌شده مشاهده کنید، اما از آنجایی که سرعت شما فوق‌العاده زیاد است و فواصل بسیاری را در مدت زمان خیلی کوتاهی طی می‌کنید، این اجسام بیرونی، تغییر زاویه داده و به نظر خواهند رسید که در اطراف شما گردش می‌کنند. البته این موضوع، حقیقت ریاضیات نظریه نسبیت را تغییر نخواهد داد. فقط می‌گوید که اجرام برای شما در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور چگونه به نظر خواهند رسید.

با این حال چیزی که مسلم است، این است که هیچوقت نمی‌توان به چنین تجربه‌هایی دست یافت. چرا که نه تنها رسیدن به سرعت نور غیرممکن است، ساخت ماشینی نسبیتی که با چنین سرعت‌هایی بتواند حرکت کند هم ممکن نخواهد بود. نمی‌توان قدرت لازم برای این ماشین را فراهم کرد و همزمان آن را روی زمین نگه داشت. حتی اگر بتوان این کار را نیز انجام داد، اصطکاک ناشی از مولکول‌های هوا در بهترین حالت، باعث ذوب‌شدن ماشین و سرنشینانش خواهد شد. بدتر از آن نیز ممکن است و آن انفجار هسته‌ای مهیبی است که با گذشتن از سرعت خاصی به وقوع می‌پیوندد.

پس، لطفا به محدودیت‌های سرعت نور احترام بگذارید! برای تمامی اهداف بلندپروازانه ما این محدودیت وجود خواهد داشت.