طبيعت دوگانه‌ي نور تاکنون يکي از معماهاي بزرگ مانده. حدود ۱۲۰ سال از کشف هر دو ويژگي نور مي گذرد ولي اينکه در چه شرايطي کدام ويژگي را از خود نشان داده همچنان مورد بحث است.
مفاهیم کلیدی:
نور، موج، ذره، لیزر
مقدمه:
حتماً تا به حال شنیده‌اید که نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. چطور ممکن است که چیز ساده‌ای مثل نور از ذرات تشکیل شده باشد؟ فیزیکدان‌ها معتقد هستند که نور، هم ذره است و هم موج. درحقیقت، رفتار موجی نور باعث ایجاد پدیده‌های جالبی مثل رنگ‌های رنگین کمان روی سطح یک حباب می‌شود. برای دیدن یک مثال بسیار جالب و هیجان‌انگیز از رفتار موجی نور، نیاز به سه عدد نوک مداد، یک لیزر و یک اتاق تاریک دارید.
پیش‌زمینه:
صوت یک مثال بسیار خوب از انتشار موج در فضا همانند انتشار موج آب روی یک دریاچه است. در هر دوی این موارد، انرژی جنبشی در جسم بدون جابه‌جا کردن مولکولهای ماده جریان پیدا می‌کند و جابه‌جا می‌شود و باعث فشرده شدن مولکولهای ماده به هم و سپس منبسط شدن آنها می‌شود. (یک بلندگو را تصور کنید که در حال پخش موسیقی می‌لرزد.)
زمانی که امواج مختلف به هم برخورد می‌کنند، با هم تداخل پیدا می‌کنند. در این برخورد موج‌هایی که هم فاز باشند (یعنی ذرات محیط را همزمان منبسط و منقبض می‌کنند.) همدیگر را تقویت می‌کنند و موج‌های غیر هم فاز (برای مثال یک موج سعی در منسبط کردن ذرات دارد و موج دیگر می‌خواهد همان ذرات را فشرده کند.) یکدیگر را تضعیف می‌کنند. هدفون‌هایی که صدای محیط اطراف را از بین می‌برند به همین شکل کار می‌کنند. به این ترتیب که یک موج صوتی مشابه با موج صداهای اضافی و مزاحم اما دقیقاً برعکس آن تولید می‌کنند. درنتیجه، با تداخل این موج با موج‌های صوتی مزاحم اطراف، اثر موج‌های مزاحم تضعیف می‌شود. نتیجه این است که هنگامی که این موج‌های تضعیف شده به گوش شما می‌رسد، صدای آن به شدت کم شده است. مثلاً صدای فریاد را به صورت صدای صحبت آهسته می‌شنوید و یا صدای غرش هواپیما را مثل یک زمزمه‌ی آرام خواهید شنید.
تفرق یا پراش یک ویژگی مهم دیگر موج‌هاست. وقتی موج‌ها به یک جای کوچک برای عبور می‌رسند، پس از گذشتن از آن متفرق می‌شوند و از هم پخش می‌شوند. در این آزمایش، دو شکاف آماده خواهیم کرد تا نور بتواند با عبور از آنها متفرق شود. نقاط مختلفی که موج‌های متفرق شده با هم تداخل پیدا می‌کنند، الگوهای جالبی از تداخل سازنده و مخرب را به ما نشان خواهد داد و شما ویژگی عجیب (خود تخریبی) نور را خواهید دید.
مواد و وسایل لازم:
3 عدد نوک مداد 0.5 یا 0.7 میلیمتر
لیزر قرمز و در صورت امکان لیزر سبز برای انجام بهتر آزمایش
یک اتاق تاریک
روش کار:
اتاق را تاریک کنید.
به فاصله‌ی 4 فوت از دیوار بایستید.
سه عدد نوک را با انگشت شست و اشاره‌ی خود نگه دارید. برای این کار اگر چپ‌دست هستید از دست راست خود استفاده کنید و اگر راست‌دست هستید از دست چپ خود استفاده کنید. نوک‌ها را طوری با فاصله از هم بگیرید که بین آنها یک فضای کوچک خالی بماند. این فضاهای خالی بعنوان شکاف برای تفرق نور استفاده خواهند شد.
لیزر را روشن کنید و به سمت نوک‌ها بتابانید. نور به چه شکلی روی دیوار تابیده می‌شود؟
موقعیت نوک‌ها در دستتان و لیزر را تغییر دهید. همینطور میزان فاصله‌ی نوک‌ها از هم را تغییر دهید به طوری که در نهایت شکل واضحی از نقاط روشن روی دیوار مشاهده کنید.
آزمایش تکمیلی:
از تعداد بیشتری نوک استفاده کنید تا شکاف‌های بیشتری برای تفرق نور داشته باشید. زیاد شدن تعداد شکاف‌ها چه تأثیری روی شکل نور بر دیوار دارد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
نور لیزر به شکل موج‌های موازی و هم‌فاز منتشر می‌شود. درحالیکه نور منتشر شده از یک چراغ به این شکل نیست. موج‌های منتشر شده از لیزر با عبور از داخل شکاف، متفرق می‌شوند و با الگویی مثل تفنگ ساچمه‌ای از هر شکاف خارج می‌شوند. این اتفاق باعث می‌شود که این موج‌ها در برخورد با هم تداخل پیدا کنند. در بعضی از قسمتها، این تداخل سازنده است و باعث می‌شود موج‌ها همدیگر را تقویت کنند و در نتیجه نقطه‌ای نورانی حاصل از آنها روی دیوار تشکیل شود درحالیکه در بعضی قسمتها تداخل مخرب صورت می‌گیرد و موج‌ها همدیگر را تضعیف می‌کنند و هیچ نوری به دیوار تابیده نمی‌شود.
اگر نور فقط رفتار ذره‌ای از خود نشان می‌داد، با تاباندن لیزر به دو شکاف‌ها، باید دو نقطه‌ی نورانی روی دیوار مقابل شکاف‌ها مشاهده می‌کردید. عجیب این است که نیوتن چنین درکی از نور داشت و اعتقاد داشت نور از جریان ذراتی تشکیل شده است که پشت سر هم مانند توپ بیسبال در یک خط مستقیم پرت می‌شوند. نکته‌ای که در این آزمایش باید توجه شما را جلب کند این است که توپ‌های پرت شده از داخل یک شکاف با توپ‌های پرت شده از شکاف دوم رابطه دارند.
در قرن 19 میلادی دانشمندان با توجه به مشاهدات خود به این نتیجه رسیدند که نور رفتار موجی دارد و یک موج است. اما بعد از آن با مشاهده‌ی رفتار ذره‌ای مانند آن، آلبرت اینشتین به این نتیجه رسید که نور رفتار ذره‌ای نیز دارد و از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. فیزیکدان معروف ماکس پلانک از این نتیجه-گیری اینشتین بسیار تعجب کرد به طوری که اظهار کرد اگر دانشمندان تئوری اینشتین را بپذیرند، این کار یک پس‌رفت در شناخت ذات نور خواهد بود. با این حال دانشمندان در نهایت به این توافق رسیدند که نور هم ذره است و هم موج.
می‌توانید رفتار موجی مانند نور را به قرار گرفتن فوتون در جاهای مختلف در زمانهای مختلف مربوط کنید. این تصور به شما کمک می‌کند تا راحت‌تر درک کنید که چگونه زمانی که فوتون‌های مختلف با هم برخورد می‌کنند باید به شکلی خاص به دیوار برسند.
منابع مفيد:
نور - رنگين کمان بسازيد - قطبش نور - فوتون - تداخل - پراش نور - ليزر - ليزر /ويکيپديا - پراش/ويکيپديا - تداخل امواج/ويکيپديا- فوتون/ويکيپديا