دستاوردهای عظیم (۲۳): محاسبه سرعت نور توسط اوله رومر

سرعت نور در خلأ دقیقاً برابر با ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه است. دلیل این که ما امروز می‌توانیم با قاطعیت این جمله را بر زبان برانیم در این حقیقت نهفته است که سرعت نور در خلأ یک ثابت جهانی می‌باشد که به کمک لیزر محاسبه شده است؛ و وقتی لیزر به آزمایشی راه پیدا کند، تقریباً نمی‌توان به مقابله با نتایج حاصل از آن برخاست. علت دقیق بودن این عدد نیز تصادفی نیست، بلکه تعریف واحد متر به سرعت نور وابسته است. بر اساس تعریف، یک متر، مسافتی است که نور در ۱/۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ ثانیه بپیماید.

دستاورد: محاسبه سرعت حرکت نور

تاریخ ثبت دستاورد: ۱۶۷۶

دستاورنده: اوله رومر (Ole Romer)

در گذشتۀ نه چندان دور، تصور بر این بود که سرعت نور بی‌نهایت است. امپدوکلس (Empedocles) اولین فردی بود که در قرن پنجم پیش از میلاد، این باور را زیر سؤال برد. حدود یک قرن بعد، ارسطو با دیدگاه امپدوکلس مخالفت کرد و بحث در مورد کران‌دار بودن سرعت نور تا ۲۰۰۰ سال بعد ادامه پیدا کرد.

آیزاک بیکمن (Isaac Beeckman) ، دانشمند هلندی، اولین چهرۀ شاخصی بود که توانست در سال ۱۶۲۹ با طراحی آزمایشی ملموس، کیفیت سرعت نور را مورد بررسی قرار دهد. او در واقع می‌خواست بداند که آیا می‌توان سرعتی را به نور نسبت داد، یا این که آیا نور واقعاً با سرعت بی‌نهایت سیر می‌کند. بیکمن علی‌رغم این که پیش از اختراع لیزر می‌زیست (حتی فکر کردن به دورۀ ماقبل لیزر هم وحشتناک است!)، ولی به این حقیقت مهم واقف بود که اساس هر آزمایش علمی خوب، شامل شکلی از انفجار است (فکر می‌کنید چرا؟)؛ که در آزمایش وی، باروت نقش عامل منفجره را بازی می‌کرد.

بیکمن تعدادی آینه را در فواصل مختلف از محل انفجار کار گذاشت و از چند ناظر درخواست نمود به دقت این آینه‌ها را زیر نظر قرار داده و در صورت مشاهدۀ هر گونه تفاوت در نور بازتاب شده از این آینه‌ها او را مطلع سازند. همان‌طور که خودتان هم حدس زده‌اید، این آزمایش نتوانست به نتیجۀ قابل استنادی دست پیدا کند.

ده سال بعد، آزمایشی مشابه، و به مراتب معروف‌تر که با انفجار سر و کار نداشت، توسط گالیله انجام شد (و یا حداقل طرح آن از سوی گالیله پیشنهاد شده بود). گالیله هم مثل هم بیکمن اعتقاد داشت که سرعت نور نمی‌تواند بی‌نهایت باشد. او در نوشته‌های خود به آزمایشی اشاره کرده که به کمک تعدادی فانوس انجام شده بود. آزمایش گالیله (در صورتی که واقعاً او این آزمایش را انجام داده باشد) شامل دو فانوس می‌شد که به فاصلۀ یک مایل از یک‌دیگر قرار گرفته بودند و ناظر می‌بایست وجود هر گونه تأخیر محسوس در نوری که از دو فانوس ساطع می‌شد را تشخیص می‌داد. مشابه قبل، این آزمایش نیز نتیجه‌ای در بر نداشت. تنها نکته‌ای که گالیله توانست متوجه شود این بود که نور، حتی اگر سرعت بی‌نهایت هم نداشته باشد، به قدری سریع است که در چنین فواصل کوتاهی، آزمایش را عملاً با شکست مواجه می‌سازد.

با روی کار آمدن ستاره‌شناسی دانمارکی به نام اوله رومر (Ole Romer)، آزمایش‌های مرتبط با سرعت نور، شکلی بسیار جدی‌تر به خود گرفتند. او با انجام آزمایشی در سطح بالاتر، که فانوس‌بازی گالیله در مقابل آن مانند یک پروژۀ علمی برای مدارس ابتدایی به نظر می‌رسید (!)، به این نکته پی برد که در غیاب لیزر و انفجار، فضای بیرونی (خلأ) الزاماً باید وارد آزمایش بشود. به همین دلیل، رومر مطالعات خود را روی حرکت سیاره‌ها متمرکز نمود و نتایج خارق‌العادۀ کار خود را در ۲۲ام آگوست ۱۶۷۶ منتشر کرد.

رومر هنگامی که در حال مطالعه بر روی یکی از قمرهای مشتری بود، دریافت که بسته به نزدیک شدن زمین به مشتری، و یا فاصله گرفتن این دو از یک‌دیگر، زمان بین وقوع ماه‌گرفتگی‌ها در طول سال تغییر می‌کند. او که نسبت به این قضیه کنجکاو شده بود، شروع به یادداشت‌برداری از زمان‌هایی کرد که I0 (قمر مشتری که رومر روی آن مطالعه می‌کرد) قابل رؤیت می‌شد. رومر در ادامه وجود هر گونه ارتباط بین زمان‌های ثبت شده با زمان‌های مورد انتظار (برای به رؤیت رسیدن قمر مشتری) را مورد بررسی قرار داد. بعد از گذشت مدتی، رومر مشاهده نمود که هم‌چنان که زمین در مدار خود به دور خورشید گردش کرده و از مشتری فاصلۀ بیشتری می‌گیرد، زمان به رؤیت رسیدن I0 – نسبت به آن‌چیزی که وی در دفتر خود یادداشت کرده بود، با تأخیر مواجه می‌شود. اوله رومر به درستی نتیجه‌گیری نمود که نور بازتابیده شده از سطح I0 در همان دم به زمین نمی‌رسد.

مقاله مرتبط: افزایش فاصله ماه تا زمین موجب بلندتر شدن روزها شده است

متأسفانه، محاسباتی که رومر در کار خود از آن بهره برده بود طی آتش‌سوزی سال ۱۷۲۸ کپنهاگ از بین رفت. با این حال، اخبار مربوط به کارهای وی در آن دوره و هم‌چنین صحبت‌های دانشمندانی که از محاسبات وی در کار خود استفاده کرده بودند، آگاهی نسبتاً خوبی از این قضیه به ما داده است. خلاصۀ کلام این که اوله رومر از طریق مجموعه‌ای از محاسبه‌های هوشمندانه –  که قطر مدارهای زمین و مشتری هم در آن به کار رفته بود – نتیجه گرفت که نور در مدت زمان ۲۲ دقیقه مسافت بین دو سر مدار زمین به دور خورشید را طی می‌کند. بعدها، کریستیان هویگنس (Christiaan Huygens) برآورد رومر از سرعت نور را به واحد ملموس‌تر کیلومتر بر ثانیه تبدیل کرد و نشان داد که بر اساس محاسبات رومر، نور با سرعتی بالغ بر ۲۲۰ هزار کیلومتر بر ثانیه در فضا سیر می‌کند. این مقدار تقریباً ۲۷ درصد از عددی که در پاراگراف اول به آن اشاره نمودیم کم‌تر است، که بعداً به آن هم خواهیم پرداخت.

هنگامی که همکاران رومر عدم اعتماد خود را به تئوری وی در مورد I0 ابراز نمودند، اوله رومر در نهایت خونسردی به آن‌ها گفت که ماه‌گرفتگی مورد انتظار I0 در ۹ام نوامبر ۱۶۷۶ با ۱۰ دقیقه تأخیر همراه خواهد بود. موقعی که زمان موعود فرا رسید، همکاران رومر در حالی که از شدت تعجب مات و مبهوت مانده بودند، به تماشای حرکت یک جرم آسمانی خیره شدند که درستی تئوری رومر را تصدیق می‌کرد.

آن‌ها حق داشتند که چنین شگفت‌زده شوند، چرا که حتی همین امروز هم برآورد اوله رومر از سرعت نور – با در نظر گرفتن این نکته که او ۳۰۰ سال پیش از اختراع لیزر و اینترنت می‌زیست – به شکل باورنکردنی دقیق است. بله، سرعت حرکت نور رومر ۸۰ هزار کیلومتر از سرعت حرکت نور ما کم‌تر است، ولی این ۸۰ هزار کیلومتر با در نظر گرفتن شرایط وی، کاملاً قابل چشم‌پوشی است.

شگفت‌انگیزتر این است که انحراف برآورد رومر از مقدار واقعی به نقصان روش محاسباتی وی مربوط نیست، بلکه ریشه در مقدار نادرست قطر مدارهای زمین و مشتری دارد که در آن دوره مورد پذیرش همه بود. بله درست است! رومر اشتباه کرد چون بقیه مردم در زمینه علم به اندازۀ او خارق‌العاده نبودند. شما اگر مقدار کنونی قطر مدارهای زمین و مشتری را در محاسبات اولیه اوله رومر (پیش از آتش‌سوزی کپنهاگ) قرار دهید، عدد حاصل رقمی بسیار نزدیک به سرعت واقعی نور خواهد بود.