فاطر رسا نور طراح و مجری پروژه های فیبر نوری

تا به حال شده از تاریکی بترسید؟ این امر عادی است، چرا که انسان ذاتاً موجود روشنایی است و میلیون ها سال است که از خطرات تاریکی شب می گریزد. نور برای ما حیاتی است. با این حال ما خیلی کم راجع به آن می دانیم. چرا در نور همه چیز رنگ دیگر پیدا می کند؟ آیا نور به شکل موج است یا ذرات پرتویی؟ چرا اینقدر سریع حرکت می کند؟ ما می خواهیم به برخی از این سوالات پاسخ دهیم و برخی مسائل مربوط به نور را روشن کنیم.

نور چیست؟

وقتی که جوان بودیم ذهنیت ما نسبت به نور خیلی ساده بود؛ جهان یا روشن است یا تاریک، و ما تنها با زدن پریز برق می توانیم از تاریکی به روشنای برسیم. ولی خیلی زود متوجه شدیم موضوع به این سادگی ها نیست و دارای ظرافت هایی است.

نور یک مسافت طولانی در حدود 149 میلیون کیلومتر را با سرعت زیاد از خورشید به سمت زمین حرکت می کند. نور در ثانیه حدود 300000 کیلومتر حرکت می کند. بنابراین نوری که الان شما مشاهده می کنید هشت دقیقه پیش از خورشید حرکت خود را آغاز کرده است.

نور یک نوع انرژی است

اما چرا نور این مسیر را طی می کند؟ همان طور که احتمالاً می دانید، خورشید یک توپ آتشین هسته ای است که به اطراف انرژی ارسال می کند. نوری که خورشید ارسال می کند تنها یکی از منابع انرژی خورشید است که ما می توانیم آن را بینیم. وقتی نور بین دو مکان حرکت می کند (از خورشید به زمین یا از چراغ قوه به سطحی تاریک) انرژی موجود در نور باعث حرکت ما بین این مسافت می شود.

 این انرژی در حالت موج حرکت می کند ( مانند حرکت موج دریا اما حدود 100 میلیون برابر کوچک تر) – یک الگوی لرزشی شامل الکتریسیته و مغناطیس که ما آن را با عنوان انرژی الکترومغناطیس می شناسیم. اگر چشمان ما می توانست الکتریسیته و مغناطیس را ببیند، قادر بودیم هر کدام از اشعه های نوری را مانند یک موج الکتریکی ببینیم که در جهتی در حال لرزش هستند و در همان زاویه موج مغناطیس نیز به لرزش در می آید. این دو موج می توانند با سرعت نور حرکت کنند.

نور ذره است یا موج؟

برای صدها سال، دانشمندان مباحثات گسترده ای داشتند تا اثبات کنند نور موج است یا ذره. در قرن هفدهم دانشمند برجسته انگلیسی سر اسحاق نیوتون جز اولین نفراتی بود که وارد جزئیات این ماجرا شد و به این نتیجه رسید که نور متشکل از ذرات است. اما دانشمند آلمانی رقیب وی با نام کریستین هوگن با وی به مخالفت پرداخت و نور را متشکل از امواج دانست.

این تضاد و اختلاف نظر تا امروز نیز باقی مانده است و دلیل آن هم مشخص است. برخی مواقع و حالات نور مانند موج عمل می کند. برای مثال نور در آینه منعکس می گردد رفتارش دقیقاً شبیه رفتاری است که موج دریا به ساحل می رسد و بر می گردد. در بسیاری موارد نیز نور مانند ذره عمل می کند. فیزیک دانان معتقد اند که ممکن است نور هم زمان هم موج باشد و هم ذره. ( این نظریه به نظر ساده تحت عنوان پیچیده "دوگانگی موج و ذره) بررسی می گردد.

جواب درست به این مسئله بیشتر فلسفی و روانشناسی است تا فیزیک. درک ما از جهان بسته به نحوه بازتعریف ذهنی ما از آن است. برخی مواقع به نظر می رسد برای ما نور مانند موج عمل می کند و برخی مواقع به نظر می رسد مانند ذره به سمت ما پرتاب می گردد. دو نظر داریم که نور در هیچ کدام از آنها درست جا نمی گیرد. برخی مواقع، ما فرض را می توانیم بر این بگذاریم که نور تلفیقی از هر دو است. اما در حقیقت باید گفت که نور یک نوعی از انرژی است که با ترکیبات زندگی ما همخوانی ندارد. روزی ممکن است دانشمندی پیدا شود که توضیح دقیق تری از نور ارائه دهد که همه جانبه باشد.

نحوه عملکرد نور

امواج نور (فرض می کنیم نور از امواج تشکیل یافته است) چهار حالت دارند: بازتاب نور، شکست نور، انکسار نور و تداخل نور.

بازتاب نور

بازتاب نور با دو شیوه کاملاً مجزا می تواند اتفاق بیفتد. اگر سطحی صاف و درخشنده در اختیار داشته باشید و نور به سطح آن بتابد، پرتوهای نازک روشنایی خواهید داشت که از آن بازتاب می گردد. این نوع را "بازتاب منظم" می گویند. اگر نور چراغ قوه یا لیزر را روی آینه بیندازید این حالت اتفاق می افتد. در این حالت اشعه نوری که انعکاس می یابد بسیار منظم است. اما اکثر اشیا سطح صافی ندارند و بسیار ناهموار هستند.

 بنابراین وقتی نور به سطح آنها بتابد بصورت پراکنده به تمام اطراف بازتاب می یابد. به این نوع " بازتاب نامنظم" می گویند. ما اکثر اشیاء اطراف خود را اینگونه مشاهده می کنیم. اشیاء اطراف ما نور تابیده شده به خود را به صورت نامنظم بازتاب می دهند. اگر صورت خود را در یک شی ببینید یعنی نور بازتاب منظم دارد. اگر اینطور نیست یعنی بازتاب نامنظم است. قاشق را تمیز کنید، می توانید تصویر خود را در آن ببینید. اما اگر قاشق کثیف باشد هر ذره کثیفی باعث بازتاب نامنظم نور می گردد و چهره شما را نمی تواند نشان دهد.

شکست نور

امواج نوری در فضای خلاء به صورت مستقیم حرکت می کنند، اما قضیه در جایی جالب می شود که نور از بین مواد دیگر حرکت کند. به خصوص وقتی که از یک ماده به ماده دیگر مسیری را طی می کنند، دیگر حرکت مستقیم برای نور امکان پذیر نیست.

تا به حال دقت کردید وقتی داخل آب راه می روید چقدر کندتر حرکت می کنید؟ شما با تمام سرعت به طرف آب ساحل می دوید اما به محض برخورد با آب سرعت کم می شود. اصلاً هم مهم نیست چقدر تلاش کنید، هرگز نمی توانید مانند حرکت در هوا در آب هم حرکت کنید. غلظت مایع زیاد است و همین باعث می شود سرعت کاهش پیدا کند. دقیقاً همین اتفاق در مورد نور رخ می دهد. اگر آن را به آب، شیشه، پلاستیک و هر شی ای بتابانید که از غلضت بیشتری نسبت به هوا برخوردارند خیلی از سرعت آن کاسته می شود. این عمل باعث خم شدن موج نور می گردد که به آن شکست می گویند.

شکست نور چگونه اتفاق می افتد

تا حال متوجه شدید که نور در آب دچار شکست می شود. با قرار دادن یک مداد در داخل آب این موضوع به راحتی قابل اثبات است. با این آزمایش خواهید دید که در نقطه اتصال هوا و آب مداد طوری دیده می شود که شکسته است. این شکست در داخل آب اتفاق نمی افتد؛ بلکه در نقطه اتصال آب و هوا رخ می دهد.

چرا این اتفاق می افتد؟ تا به حال این موضوع نیز مشخص شده است که نور همیشه سرعت یکسانی دارد. اما این مربوط به زمانی است که نور در خلاء باشد. در واقع نور در مواد مختلف سرعت متفاوتی دارد. در آب با سرعت کمتری نسبت به هوا حرکت می کند. یا بر عکس نور وقتی در آب باشد سرعت پایین دارد ولی وقتی از آب به هوا وارد شود سرعت دوباره افزایش پیدا می کند. باز به همین دلیل است که مداد در آب حالت شکسته به خود می گیرد. بیایید کمی وارد جزئیات شویم.

صور کنید پرتو نور از هوا به سمت آب تابیده شده است. حالا تصور کنید پرتو نور یک دسته انسان شناگر است که در کنار هم دارند به داخل آب شیرجه می زنند. افرادی که در یک سمت قرار دارند زود تر از افرادی که در سمت دیگر قرار گرفته اند وارد آب می شوند و هر دو گروه به محض ورود به آب از سرعت آنها کاسته می شود چرا که بدن در هوا سرعت بیشتری دارد تا در آب. این بدین معناست که این گروه شناگر به محض برخورد با آب با سرعت کمتری به سمت پایین حرکت می کنند.

شکست نور به شدت مفید است. اگر عینک می زنید، احتمالاً می دانید که لنزهای عینک از قطعات شیشه ای یا پلاستیکی که حالت خمیدگی دارند درست شده است و باعث می شود نوری که از اشیا به چشم شما می خورد را بشکند. شکست نور این تصور را ایجاد می کند که نور از فواصل نزدیک یا دور می آید (بسته به نوع عدسی مورد استفاده)، این به کنار، شیشه عینک شما با کاهش سرعت نور ورودی از طریق تغییر ملایم زاویه نور مشکل بینایی شما را حل می کند. دوربین دو چشم، تلسکوپ ها، دوربین ها، دوربین های فیلم برداری، دوربین های دید در شب و خیلی از وسایلی که لنز در آنها بکار رفته است دقیقاً به همین شکل کار می کنند.

اگرچه نور در حالت عادی مستقیم حرکت می کند، می شود آن را با عبور دادن از لوله های پلاستیکی یا شیشه ای که به فیبر نوری معروف هستند تا حدودی خم کرد. بازتاب و شکست در این لوله ها بسیار کاربردی است چراکه پرتوی نور را در مسیری هدایت می کنند که در حالت عادی امکان پذیر نیست.

انکسار نور

ما صدای پشت در را می توانیم بشنویم ولی نمی توانیم پشت دیوار را ببینیم. چرا؟ نور هم مانند صدا به شکل موج حرکت می کند (البته این دو امواج متفاوت دارند، اما نظریه جا به جایی انرژی در الگوی موج تقریباً یکسان است). امواج صدا از نظر اندازه از چند سانتی متر به چند متر می رسند و وقتی به فضای بازی می رسند پخش می گردند و به ندرت در همان اندازه ای که بودند می مانند. اگر امواج صدا از یک راهرو عبور کنند و به یک درب برخورد کنند، از در عبور می کنند و به گوش شما خواهند رسید. این اتفاق اما برای نور نمی افتد. اما اگر آن را به تونلی که از قطر موج نور کمتر باشد بتابانید به صورت یکسان پخش خواهد شد. به این اتفاق انکسار نور می گویند.

اگر به چراغ های خیابان در شب نگاه کنید متوجه این اتفاق خواهید شد. اگر چشمان خود را نیمه باز قرار دهید، نور طوری پخش می گردد که گویی ما بین پلک و مژه شما در حال فشرده شدن است. هر چقدر بیشتر چشم خود را ببندید، نور بیشتر پخش می گردد. (تا زمانی که چشم خود را ببندید و نور کاملاً ناپدید گردد).

تداخل

اگر بالای یک دریاچه آرام بایستید و انگشت خود را به آب بزنید متوجه ایجاد انرژی از همان نقطه فشار خواهید شد. اگر این کار را از دو نقطه متقابل هم انجام دهید، دو منبع انرژی به سمت هم حرکت می کنند، و بعد از برخورد؛ الگوی جدیدی ایجاد می کنند که به آن الگوی تداخل می گویند.نور دقیقاً به همان شیوه کار می کند. اگر منابع نوری دو موج نور ایجاد کنند که به هم برخورد کنند، این امواج به هم برخورد کرده و تداخل موج ایجاد می شود. در برخی مکان ها امواج بزرگتر می شوند، اما در برخی مکان های دیگر یکی از موج ها به موج دیگر برخورد می کند و هر دو موج از بین می روند.

تداخل تاثیراتی مانند چرخش، ایجاد الگوی طیف های رنگی روی حباب صابون و حتی حالت رنگین کمانی روی دیسک های فشرده را ایجاد کرده است. در این موارد اتفاقی که افتاده است برخورد دو موج نوری با یکدیگر است.

یک موج نوری روی لایه بیرونی حباب صابونی بازتاب پیدا می کند، و موج نوری دوم از داخل حباب صابونی ایجاد شده و و روی لایه درونی منعکس می گردد. دو موج نوری مسیر متفاوتی را طی می کنند و از ریتم یک نواخت پیروی نمی کنند. وقتی در مسیر بازتابشان از روی حباب به هم برخورد می کنند تداخل رخ می دهد. این اتفاق باعث ایجاد رنگ های متنوع می شود و بسته یه کلفتی حباب می تواند رنگهای متفاوتی هم داشته باشد. هر چقدر که حباب رو به نازک تر شدن می رود، تداخل و رنگ های ناشی از بازتاب نور کم و کمتر می گردد.

تداخل رنگ های مختلفی را ایجاد می کند و بسیار کاربردی است. تکنیک تداخل سنجی را می توان استفاده کرد و با پرتو لیزری تداخلی فواصل بسیار کوتاه را اندازه گیری کرد.