چرا نمی‌توانیم سریع‌تر از نور حرکت کنیم؟

سپتامبر ۲۰۱۱ بود که با خبری تکان دهنده، ناگهان جهان در بهت و حیرت فرو رفت. فیزیک‌دانی به نام «آنتونیو اردیتاتو» خبری داد که در صورت تایید صحت، می‌توانست دید ما را نسبت به جهان اطراف به کلی تغییر دهد. خبر این بود که در آزمایش‌هایی تحت نام «پروژه‌ی اپرا» ذراتی زیر اتمی به نام «نوترینو» توانسته‌اند سریع‌تر از نور حرکت کنند. طبق نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین، هیچ چیزی در جهان نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. اگر این خبر درست از آب در می‌آمد، نظریه‌ی اینشتین باطل می‌شد. هرچند اردیتاتو و گروهش می‌گفتند اطمینان زیادی از صحت این آزمایش دارند، ولی هیچ‌گاه به طور کامل اطمینان خود از این کشف را بیان نکردند. در حقیقت از دیگر دانشمندان خواستند که در آزمایش صحت داده‌ها به آن‌ها کمک کنند. در نهایت مشخص شد که نتایج غلط بوده‌اند. مشکل در زمان‌سنجی دستگاه‌هایی بوده که باید هماهنگ با سیگنال‌های ماهواره‌های GPS کار می‌کردند. در نتیجه این تصور بوجود آمد که نوترینوها مسیری مشخص را اندکی سریع‌تر از فوتون‌های نوری پیموده‌اند. ظاهرا همان‌طور که اینشتین می‌گفت، هیچ چیز نمی‌تواند از نور سبقت بگیرد. ولی دلیل اینشتین برای این ادعا چه بود؟

سرعت نور در خلاء ۲۹۹٫۷۹۲٫۴۵۸ متر بر ثانیه است. معمولا آن را گرد می‌کنیم و می‌گوییم ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه. هرچند که خیلی سریع به نظر می‌رسد، ولی ۸ دقیقه و ۲۰ ثانیه طول می‌کشد که نور خورشید فاصله‌ی ۱۵۰ میلیون کیلومتری تا زمین را طی کند. ما هیچ وقت نتوانسته‌ایم هواپیما، فضاپیما یا موشکی بسازیم که با سرعت نور رقابت کند. یکی از سریع‌ترین چیزهایی که تا به حال ساخته‌ایم، فضاپیمای «افق‌های نو» است که پارسال از نزدیکی سیاره‌ی کوتوله‌ی پلوتو گذشت. سرعت این فضاپیما نسبت به زمین در بیشترین حالت به ۱۶ کیلومتر بر ثانیه رسید. این سرعت خیلی با ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه فاصله دارد.

سرعت فضاپیمای افق‌های نو نسبت به زمین به ۱۶ کیلومتر بر ثانیه رسید که هرچند زیاد است ولی همچنان خیلی با سرعت نور فاصله دارد.

هرچند که فضاپیماهای ما نتوانسته‌اند خیلی سریع حرکت کنند، ولی توانسته‌ایم کاری کنیم که ذرات زیر اتمی با سرعت نزدیک به نور جابجا شوند. از آن‌جا که الکترون‌ها بار الکتریکی منفی دارند، به راحتی می‌توان با اعمال میدان الکتریکی، به آن‌ها شتاب داد. هرچه انرژی بیشتری اعمال شود، الکترون‌ها شتاب بیشتری می‌گیرند. شاید فکر کنید برای اینکه بتوانیم سرعت الکترون‌ها را به ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه برسانیم کافیست انرژی اعمال شده را بیشتر و بیشتر کنیم. ولی اکنون می‌دانیم که این کار کافی نیست. اعمال انرژی بیشتر لزوما به افزایش سرعت الکترون‌ها ختم نمی‌شود و در نهایت کار به جایی می‌رسد که برای افزایش سرعت به میزان خیلی کم، نیاز به اعمال انرژی خیلی زیاد پیش می‌آید. سرعت الکترون‌ها می‌تواند به سرعت نور نزدیک‌ و نزدیک‌تر شود ولی هیچ وقت به آن نمی‌رسد. مثل این است که در چند قدمی یک پنجره باشید و برای رسیدن به آن، هر قدمی که برمی‌دارید نصف فاصله‌ی شما تا پنجره باشد. واقعیت این است که هیچ وقت به پنجره نمی‌رسید چرا که بعد از هر قدم همچنان مسافتی برای رسیدن تا پنجره دارید. این عین همان مشکلی است که برای الکترون‌ها بوجود می‌آید.

نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. فوتون‌ها با همان سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. چرا این ذرات می‌توانند با سرعت نور حرکت کنند ولی الکترون‌ها نمی‌توانند؟ فیزیک‌دانی از دانشگاه ملبورن به نام «راجر رسول» می‌گوید: «هرچه اجرام سریع‌ و سریع‌تر حرکت کنند، سنگین و سنگین‌تر می‌شوند. هرچه سنگین‌تر می‌شوند، شتاب گرفتن مشکل‌تر می‌شود. بنابراین هیچ وقت به سرعت نور نمی‌رسند.»  او ادامه می‌دهد: «فوتون‌ها فاقد جرم هستند. اگر جرم داشتند نمی‌توانستند با سرعت نور حرکت کنند.» بنابراین الکترون‌ها فقط بدین خاطر که جرم دارند نمی‌توانند به سرعت نور برسند و این درحالیست که فوتون‌ها چون جرم ندارند می‌توانند با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت کنند. در کل فوتون‌ها ذرات خیلی عجیبی هستند. نه تنها جرم ندارند و در نتیجه می‌توانند با سرعت نور حرکت ‌کنند، بلکه شتاب هم نمی‌گیرند. آن‌ها از زمانی که بوجود می‌آیند با بیشترین سرعت خود حرکت می‌کنند. مثلا در شرایط خلاء نمی‌توانید فوتونی را پیدا کنید که با ۸۰ درصد سرعت نور حرکت ‌کند. فوتون یا وجود ندارد یا اگر وجود داشته باشد در حال رفتن از سویی به سوی دیگر با سرعت نور است.

نور از ذراتی بی‌وزن به نام فوتون تشکیل شد. ذراتی که با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند.

ولی گاهی اوقات نور خیلی کندتر از چیزی که انتظار داریم حرکت می‌کند. هرچند عموم تصور می‌کنند که ارتباطات از طریق فیبرهای نوری با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه صورت می‌گیرد، ولی واقعیت این است که سرعت نور در فیبرهای نوری نسبت به خلاء ۴۰ درصد کمتر است. فوتون‌ها همیشه با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند ولی در واقعیت حرکت آن‌ها با برخورد به فوتون‌های دیگری که از از اتم‌های شیشه ساطع شده است مختل و سرعت آن‌ها کند می‌شود. اما به طور کلی منصفانه است که بگوییم نور با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند. ما تا به حال نتوانسته‌ایم چیزی را ببینیم که از این سریع‌تر حرکت کند. بالاخره چرا سرعت نور سقف دارد؟ پاسخ آن به فیزیک و آلبرت اینشتین مربوط می‌شود. یکی از اجزاء مهم نظریه‌ی نسبیت خاص او همین ایده‌ی ثابت بودن سرعت نور است. فرقی ندارد که کجا هستید و با چه سرعتی حرکت می‌کنید، نور همیشه با سرعتی ثابت حرکت می‌کند.

فرض کنید نور چراغ قوه‌ای را به آینه‌ای که به سقف یک فضاپیمای بی‌حرکت نصب شده می‌تابانید. نور بالا می‌رود، به آینه برخورد می‌کند و به کف فضاپیما بازتاب می‌شود. برای مثال مسافت طی شده ۱۰ متر است. حالا تصور کنید که فضاپیما با سرعت خیلی زیاد هزاران کیلومتر بر ثانیه‌ای شروع به حرکت می‌کند. وقتی که نور چراغ قوه را به آینه‌ی متصل به سقف می‌تابانید به نظر می‌رسد که نور همان رفتار قبلی را دارد. نور بالا می‌رود، به آینه برخورد می‌کند و به سوی کف بازتاب می‌شود. ولی برای این کار نور باید به صورت قطری و نه قائم حرکت کند. به هر صورت آینه همراه با فضاپیما خیلی سریع حرکت می‌کند. بدین ترتیب مسافتی که نور طی می‌کند افزایش می‌یابد. فرض کنید که فاصله ۵ متر بیشتر شده باشد. در نتیجه نور باید به جای ۱۰ متر، ۱۵ متر را بپیماید. بنابراین هرچند که مسافت بیشتر شده، نظریه‌های اینشتین می‌گویند که نور با همان سرعت قبلی حرکت کرده است. از آن‌جا که سرعت، همان مسافت طی شده تقسیم بر زمان است، برای اینکه سرعت ثابت باشد ولی مسافت افزایش یابد، زمان هم باید کش بیاید. بله زمان باید کش بیاید و این عجیب به نظر می‌رسد. به صورت تجربی هم این انبساط زمان ثابت شده است.

با نزدیک شدن سرعت حرکت شما به سرعت نور، زمان کندتر سپری می‌شود.

این پدیده‌ را با نام «اتساع زمان» می‌شناسیم. اتساع زمان بدین معنیست که زمان برای کسانی که در وسیله‌ی نقلیه‌ای پر سرعت حرکت می‌کنند نسبت به کسانی که ثابت هستند آهسته‌تر می‌گذرد. برای مثال، زمان برای فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌المللی که با سرعت ۷٫۶۶ کیلومتر بر ثانیه نسبت به زمین گردش می‌کند در حدود ۰٫۰۰۷ ثانیه آهسته‌تر می‌گذرد. وضعیت برای ذرات زیراتمی مثل الکترون‌ها که می‌توانند نزدیک به سرعت نور حرکت کنند جالب‌تر است. برای این ذرات، میزان اتساع زمان خیلی زیاد است.

«استیون کولت‌هامر» یک فیزیک‌دان نظری از دانشگاه آکسفورد است و مثال ذراتی به نام میوئون را به میان میاورد. میوئون‌ها خیلی ناپایدار هستند و سریعا به ذرات دیگر تجزیه می‌شوند. آن‌قدر سریع که در حقیقت بیشتر میوئون‌هایی که از خورشید ساطع می‌شوند باید تا زمان رسیدن به زمین از بین بروند. ولی همچنان میوئون‌های خورشیدی زیادی به زمین می‌رسند. این پرسشی بسیار جالب را در ذهن دانشمندان ایجاد می‌کند.

کولتهامر می‌گوید: «پاسخ پرسش این است که میوئون‌ها با چنان انرژی زیادی تولید می‌شوند که باعث می‌شود با سرعت نزدیک به نور حرکت کنند.» بدین ترتیب زمان برای خود آن‌ها خیلی کند می‌گذرد. میوئون‌ها به لطف اتساع زمان، زنده باقی می‌مانند. وقتی اجرام سریع حرکت می‌کنند زمان برایشان کند می‌گذرد و از نظر فیزیکی هم منقبض می‌شوند. این دو پدیده یعنی اتساع زمان و آب رفتن طول هر دو مثال‌هایی از چگونگی تغییر فضا-زمان بر اساس حرکت اجرام هستند. آن‌طور که اینشتین می‌گوید، اتساع زمان و انقباض فیزیکی برای فوتون‌های نوری رخ نمی‌دهد چرا که فوتون‌ها جرم ندارند.

پدیده‌ی اتساع زمان می‌تواند باعث جوان ماندن فضانوردانی شود که با فضاپیمای فرضی پر سرعت به سفر می‌روند.

هرچند که نمی‌توانیم سریع‌تر از نور حرکت کنیم، ولی می‌توانیم برای رسیدن سریع به مقصد، در فضا میانبر بزنیم. سفر از طریق چاک‌هایی در فضا-زمان که اجازه می‌دهند مسافتی مشخص را سریع‌تر از حرکت معمولی با سرعت نور طی کنید. «جرالد کلیور» از دانشگاه بیلر در تگزاس فرض می‌کند زمانی می‌توانیم فضاپیمایی بسازیم که در عمل سریع‌تر از نور به مقصد می‌رسد. یکی از راه‌ها این است که بتوانیم از طریق کرم‌چاله سفر کنیم. کرم‌چاله‌ها پیچ خوردگی‌هایی در فضا-زمان هستند که کاملا با نظریه‌های اینشتین سازگارند. کرم‌چاله‌ها به فضانوردان اجازه می‌دهند از طریق ناهنجاری‌های موجود در فضا-زمان، از مکانی در عالم به مکان دیگر بروند. کرم‌چاله‌ها در حقیقت میانبرهای فضایی هستند. اجرامی که از طریق کرم‌چاله‌ها سفر می‌کنند سریع‌تر از نور حرکت نمی‌کنند ولی به دلیل میانبری که در فضا-زمان می‌زنند، خیلی سریع‌تر به مقصد می‌رسند.

بیشتر ما که این مقاله را می‌خوانیم ممکن است تصورمان از نور، نور مرئی باشد. ولی هرچیزی از امواج رادیویی گرفته تا مایکرویو، نور مرئی، تابش فرابنفش، پرتوی ایکس و پرتوهای گاما همه از یک جنس هستند. همه‌ی آن‌ها از فوتون تشکیل شده‌اند. تفاوت آن‌ها در انرژی و طول موج است. همه‌ی آن‌ها با هم طیف الکترومغناطیسی را می‌سازند. سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه‌ای نور باعث شده که ارتباطاتمان دست کم روی زمین خیلی سریع صورت بگیرد. وقتی الکترون‌ها در یک دکل موبایل نوسان می‌کنند فوتون‌ها ساطع می‌شوند باعث می‌شوند الکترون‌های گوشی همراه شما هم نوسان کنند. در این هنگام ارتباط تلفنی برقرار می‌شود. تکان خوردن الکترون‌ها در خورشید هم باعث ارسال فوتون می‌شود. فوتون‌هایی چنان زیاد و پرقدرت که باعث بوجود آمدن زندگی روی زمین شده‌اند. نور ابزار ارتباطی عالم و با سرعت ۲۹۹٫۷۹۲٫۴۵۸ متر بر ثانیه به طرز قابل اعتمادی با ثبات است.