داستان جذاب موج. کمی از علم بگوییم

وقتی صحبت از موج می‌کنیم اول باید یک تمایز بزرگ بین امواج الکترومغناطیس و سایر امواج (صدا، موج آب، امواج سونار و...) قرار بدیم. نور یا چیزی که ما می‌بینیم، که شامل طیف رنگ‌ها میشه، بخش فوق‌العاده کوچکی از طیف الکترومغناطیس رو در بر می‌گیره، که کلش میشه از ۱۱-۱۰متر تا حدود یک کیلومتر که ما تنها بین ۴۰۰ (قرمز... مادون قرمز) تا ۷۰۰ (بنفش... فرابنفش) نانومترش رو می‌بینیم. ما از کل مجموعه موج الکترومغناطیس یک به پونصد هزار میلیاردش رو می‌بینیم (۱ به ۵۰۰.۰۰۰.۰۰۰.۰۰۰.۰۰۰). کل این طیف یه‌چیزه، فقط در چی متفاوته؟ فرکانس یا طول موج:


اما در رابطه با صدا چطور؟ ما بین ۲۰ تا بیست هزار هرتز (۲۰.۰۰۰ Hz) از طول‌موج امواج صوتی را می‌شنویم که از کل مقدار آن که در زمین موجود است حدوداً ۱ از ۲۰.۰۰۰ بخش آن ‌است. پس وضع ما در شنوایی بسیار بهتر است (به نسبت بینایی)، شاید ساده‌تر باشد که بگوییم گرچه تقریباً ۳۶ ناحیه‌ي پردازش بینایی در مغز داریم و تقریباً از گوش به عقب کله‌ی ما در اشغال نورون‌های پردازش‌گر بینایی است، در قیاس با سایر حواس ما نسبت به دنیای بیرون خود نیمه‌کور هستیم.

اما همینجا بهترین وقت است که تفاوت موج الکترومغناطیس رو که بخش ناچیزیش می‌شه طیف بینایی با سایر امواج توضیح بدم. به طور کلاسیک تصور بر این بود که هر موجی باید مدیومی (بستری) برای انتقال داشته باشد. چون همه می‌دونستند که وقتی در اتاق دیگری به خودت عطر می‌زنی خیلی پیش از رسیدن بوی عطر به همسرت صدای صحبت کردنت به او می‌رسه، یعنی چه؟ یعنی موج صوتی مولکول هوا رو از دهان فرد به گوش شونده منتقل نمی‌کندکه اگر می‌کرد بو هم که مولکول‌ هواست به بینی فرد هم‌زمان با صدا می‌رسید. در عمل ضربه‌ی مولکول‌ها به مولکول‌های مجاور تا جایی که آن ضربه و انرژی به گوش طرف مقابل برسد کار را انجام می‌دهد، چیزی که منتقل شده است نه مولکول و اتم بلکه انرژی وارده به آن‌هاست. مثل پاندول‌ها.

اینکه امواج صوتی حرکت نمی‌کنند و جابجا نمی‌شوند مثال خوبش توانایی انتقال صدای اجرام در اجسام جامد مثل آهن است. پس یک اصل کلی برای صدا می‌توان گفت: در رابطه با امواج غیر از الکترومغناطیس خودِ ماده جابجا نمی‌شود بلکه با برخورد مولکول‌های یک مدیوم مثلاً هوا انرژی فرضاً از این سر اتاق به آن سر اتاق منتقل می‌شود آخرین مولکول‌ها‌ همچون آخرین پاندول به پرده‌ی گوش می‌خورد و انرژی حاوی اطلاعات را منتقل می‌کند و بعد همچون تمام انرژی‌ها در نهایت به گرما تبدیل می‌شود. موادی که ساختار مولکولی منظم‌تری داشته باشند انرژی سوار شده بر موج را سریع‌تر و دقیق‌‌تر منتقل می‌کنند (پلاستیک را با مس مقایسه کنید). زیر دریایی، وال‌ها و نهنگ‌ها از مدیوم آب (مولکول‌های O۲H ( برای انتقال فرکانس مورد نظرشان در طول موجی که بیشترش برای ما قابل شنیدن نیست استفاده می‌کنند، پس طبیعی است که امواج صدا در خلاء نمی‌توانند حرکت کنند.

اما تمام تفاوت در این نکته‌ی عجیب در رابطه با نور یا موج الکترومغناطیس است، این موج نیاز به مدیوم ندارد! برای همین از فضا که بخش اعظمی از آن خلاء است به راحتی عبور می‌کند، از سیلندرهای خلاء می‌گذرد، بخش‌هایی از طول موج آن از دیوارها و بتن‌ها می‌گذرد، حتا می‌تواند بسیار پر انرژی باشد و تقریباً هر چیزی را ویران کند. موج الکترومغناطیس نیاز به بافتی برای انتقال انرژی‌اش ندارد بلکه خودش به معنای واقعی کلمه انرژی است. درست است، فوتون‌ها، که اولین‌بار پلانک این بسته‌های ریز انرژی غیرقابل تقسیم را کشف کرد. شاید بگویید نور موج نیست. اگر خورشید را می‌توانید ببینید یعنی حدود هشت دقیقه پیش پس از یک همجوشی هسته‌ای فوتونی آزاد شده است که به سرعت C تمام فاصله‌ی بین خورشید و زمین را طی می‌کند (که هشت دقیقه طول می‌کشد) و عیناً همان فوتون وارد عنبیه‌ی چشم شما می‌شود و در شبکیه جذب نورون‌های بینایی می‌شود. سخن دقیق‌تر البته بعد از یافته‌های مکانیک کوانتوم این است که موج الکترومغناطیس تنها موج نیست. بلکه ذره نیز هست. یعنی شار فوتون‌ها هم خاصیت ذره‌ای دارد و هم خاصیت موجی. اگر با آن همانند ذره رفتار کنی از آن رفتار ذره‌ای می‌بینی ‌و اگر خاصیت موجی آن را بسنجی حتماً همانند موج رفتار می‌کند. موج الکترومغناطیس در آن واحد هم ذره است و هم موج! اگر بدانید ذره و موج بودن هم‌زمان چقدر عجیب است برای جمله‌ی قبل بیست علامت تعجب دیگر اضافه می‌کنید. فوتون یک ذره‌ی بنیادی از دسته‌ی بوزون‌هاست، مثل بوزون هیگز. هیچ جرمی ندارند و تنها انرژی دارد، اسپین آن ۱ است و هیچ باری ندارد. اما این موج چطور بدون مدیوم منتقل می‌شود؟ فیزیکدانان قرن هیجده و نوزدهمی پیرو نظر نیوتون ناچار به تعریف مفهومی به نام اتر شدند که دنیا در آن قرار دارد و قابل اندازه‌گیری یا مشاهده نیست. و بستری است برای نور که با استفاده از آن منتقل شود، اتر قرار بود کار همان مدیوم را برای موج نور بکند. بساط این نظریه‌ی بی‌راه با کشف پدیده‌ی فوتو الکتریک توسط انیشتن و گسسته بودن بسته‌های انرژی توسط پلانک کنار رفت (و البته آزمایش کم‌نظیر مایکسون و مورلی). با این حال اگر نور ذره باشد این تصویر را چطور معنی می‌کنید؟


پس سه نکته‌ی عجیب درباره‌ی موج الکترومعناطیس: از کل طیف که تمامش با فوتون با فرکانس‌های مختلف ساخته شده است سیستم بینایی ما به بخشی بی‌نهایت کوچک واکنش نشان می‌دهد (معلوم نیست چرا). موج الکترومغناطیس نیاز به هیچ مدیومی برای حرکت ندارد. وقتی ما حرف می‌زنیم مولکول هوا از دهان ما به گوش طرف مقابل نمی‌رسد، بلکه مولکول‌ها به هم ضربه می‌زنند تا انرژی یا در حقیقت فرکانس به مقصد برسند. به همین خاطر از پشت شیشه هم اصوات شنیدنی هستند. و نکته عجیب سوم این‌که موج نور در عین‌حال هم‌زمان هم خاصیت موجی از خود بروز می‌دهند هم ذره‌ای. فوتون‌ها با سرعت C که همان سرعت نور در خلع کامل باشد حرکت می‌کنند. اغلب C را با سرعت نور اشتباه می‌گیرند. در نظریه‌ی نسبیت خاص C دارای سرعت مشخصی (سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه) است. یک ثابت همانند سایر ثابت‌های فیزیک، همچون ثابت پلانک. این به سرعتی اشاره دارد که هیچ اطلاعاتی سریع‌تر از آن قابل نقل و انتقال نیست. و به عنوان نمونه سرعت نور در خلاء نزدیک‌ترین چیز به C است.

تا اینجا مشخص کردیم که موج الکترومغناطیس که بخشی از آن نور مرعی است ذاتاً با موج صوتی متفاوت است. اما وجوح مشترکی بین موج الکترومغناطیس و موج‌های عادی که وابسته به مدیوم هستند وجود دارد. مثلاً اثر داپلر در رابطه با هر دو نوع موج کاملاً صدق می‌کند. همه با اثر داپلر آشنا هستند: اگر منبع صوتی فرضاً یک موتور با سرعت بالا به سمت ما حرکت کند و دور شود کاملاً آشکار است که وقتی به سمت ما می‌آید سرعت اولیه‌اش با سرعت صوتش جمع می‌شود و باعث شکل‌گیری فرکانس‌های کوتاه‌تر و صدای زیرتر (اعصاب خردکن‌تر) می‌شود. بعد از دور شدن عکس این عمل اتفاق می‌افتد سرعت وسیله از سرعت صوت کم می‌شود و موج‌ها کم فرکانس می‌شوند. اگر کنجکاو باشید می‌پرسید خب، اگر شئی با سرعت فرضاً دو برابر صوت (۳۰۰ متر بر ثانیه) آمد و دور شد ما چه می‌شنویم. پاسخ به این سوال مثل سوال شنیدن موسیقی زمانی که سرعت دو برابر سرعت صوت است گیج کننده است. اما من تلاش می‌کنم هر دو را توضیح دهم.

وقتی وسیله‌ای با دو برابر سرعت صوت به ما نزدیک می‌شود و به ما می‌رسد (تا اینجا رو فعلاً حل کنیم) فرایندی به این ترتیب روی می‌دهد: الف. هیچ صدایی نمی‌شنویم و وسیله‌ی سریع‌ را می‌بینیم که از کنار ما می‌گذرد، این فرضاً جت دوبرابر سرعت صوت حرکت می‌کند، در نتیجه از صداهایی که خودش تولید کرده جلو می‌زند. ب. فرض کنیم این دستگاه چند آژیر متمایز و متفاوت دارد. قرار می‌گذاریم پیش از گذشتن از ما چند مدل مختلف آژیر را به صدا در آورد و آخرینش درست بالای سر ما باشد. (فرضاً در نت‌های do re mi fa sol la si). پ. شکل زیر را ببینید. چون سرعت جت دوبرابر سرعت صوت است، از اولین آژیری (نت do یا صدای A) که به صدا در می آورد جلو می‌افتد، از دومی هم همین‌طور... پس در نهایت ما چه چیزی می‌بینیم و می‌شنویم؟


شکل دو اصل قضیه‌است. کمی دقت کنید به وضوح درکش می‌کنید. همانطور که می‌بینید در تصویر بالا اتوموبیل از X به سمت Y حرکت کرده است و فرکانس را در سمت دختر فشرده کرده و در سمت پسر کش آورده است. دایره‌ها نماد موج‌هایی هستند که فرضاً در زمان t1, t2, t3, t4,… ساطع شده است (با فرکانس‌های مختلف do re mi fa sol la...) و به همان ترتیب که تولید شده نیز به دختر می‌رسد البته با طول موجی کمتر و صدایی زیرتر (بنا بر اثر داپلر). همین و بس. اتفاق خارق‌العاده‌ای در سرعت‌های زیر سرعت صوت نمی‌افتد.

عکس دوم انتهای این نوع آزمایش‌های خیالی را گویا نشان می‌دهد. جت مافوق‌صوتی داریم که دوبرابر سرعت صوت حرکت می‌کند. نقطه‌های قرمز تقدم و تاخر تولید امواج «do، re، mi، fa...» را نشان می‌دهد، و باورناپذیر آنکه وقتی جت از بالای سر فرد رد می‌شود او امواج را وارونه می‌شنود! یعنی اول E را می‌شنود، بعد D، C، B، و A (سی، لا، سول، فا، می، ر، دوووو).بنابراین پاسخ سوال اینکه فردی که در این جت که سرعتی دو برابر سرعت صوت دارد صدای موسیقی را بلند ‌کند چه می‌شنود این است که موسیقی را از آخر به اول می‌شنود، البته زمان وارونه نشده و ربطی به نسبیت ندارد. تنها منبع صوت آنقدر سریع حرکت می‌کند که نوت اولی که تولید کرده است از او عقب می‌ماند، حال نوت دوم عقب می‌ماند، بعد نوت سوم و... تا زمانی که سرعت را کاهش دهد و نت‌ها یا موسیقی از آخر به اول برایش پخش شود. حال جت فرضی ما وقتی به شما رسیده است شما هنوز هیچ چیزی نشنیده‌اید و نزدیک‌ترین موج به شما کدام است؟ موج آخر. بعد؟ موج قبل آخر و همینطور مثل دونده‌های خسته و جامانده به گوش شما می‌رسند. پیش از این عکس مقابل رو ببینید:

تصویری فوق‌العاده‌. در این تصویر سه حالت یک هواپیما که می‌تواند فراتر از سرعت صوت پرواز کند را می‌بینید. تصویر سمت چپ همان پرواز عادی هواپیما یا حرکت عادی هر جسمی است که هنوز به سرعت صوت نرسیده. تصویر وسط سرعت هواپیما یک ماخ است، یعنی برابر با سرعت صوت، در این لحظات است که می‌گویند فرکانس امواج جلوی هواپیما که گیر افتاده و بی‌نهایت بهم فشرده شده‌اند ممکن است سر به بی‌نهایت بزند (یعنی در عمل در فرمول فرکانس آنها بینهایت بدست می‌آید)، یعنی امواج موجود چه امواج ضربه‌ای چه امواجی که از صداهای مختلف آنجا گیر افتاده‌اند مثل پرده‌ی ضخیمی عمل می‌کنند که جت یا هواپیما باید نیرو و سوخت بسیاری صرف کنند تا از آن بگذرند، این گذار از خودش امواجی با فرکانس‌های بالا با نیروی بالا به جا می‌گذارد که می‌تواند آسیب شنوایی یا تخریب شیشه‌ها را به همراه داشته باشد. هواپیمای سوم دیوار صوت را شکسته و وارد دنیای دیگری می‌شود. در این دنیا هر چیزی که آخر گفته شود اول شنیده می‌شود! (به شرطی که با محیط بیرون در یک چارچوب باشد).

حالا اینا همه رو گفتیم که چی؟ قرار بود که پاسخ این سوال رو بعد شیش ماه بدم که تلسکوب هابل با اولین تصاویر از جهان فراتر از منظومه شمسی چه داده‌هایی در اختیار دانشمندها قرار داد که اونا نتیجه گرفتن جهان در حال انبساط و ستاره‌ها از همه سمت تقریباْ در حال دور شدن از ما هستند. گفتیم وقتی منبع صوتی به سمت شما حرکت می‌کنه صدا زیرتر می‌شه درسته؟ یعنی تغییر کوچکی در فرکانس، فرکانس رو با شدت صدا اشتباه نگیرید. شدت صدا به دامنه وابسته است و جنس صدا (همان دو، ر، می، فا، سل، لا، سی) به فرکانس یا طول موج. طول موج کوتاه صدای جیغ مانند و طول موج کوتاه نور اشعه گاما و اکس و فرابنفش تولید می‌کند. در حالت وارونه صداهای با طول موج بلند صداهای بم تولید می‌کند. و طول موج کوتاه موج الکترومغناطیس فرکانس‌های رادیویی، پارازیت‌های حکومت، امواج داخل ماکروویو، امواج موبایل، بیسیم‌ها، تلفن‌های ماهواره‌ای، ماهواره و هزار چیز دیگر را می‌سازد. طول موج‌های این بخش گاهی به بلندی یک کیلومتر و بیشتر هم می‌رسند. مثل آب خوردن از اجسام تهی که بیشترش رو هوا و آب تشکیل داده می‌گذرند (بله دقیقا منظورم انسان است و مایکرویو و موبایل و پارازیت روی ما همانقدر تاثیر دارند که بلندی صدای ضبط‌صوت باعث سوختن بدن ما‌ شود:)) اما خب از دیوارهای قطور کمی سخت می‌گذرند، طیف نزدیک به بینایی ما می‌شود فروسرخ یا مادون قرمز یا اینفرارد یا هرچی که برای انتقال داده، لنز درایو دی‌وی‌دی، دید در شب و هزار چیز دیگر استفاده می‌شود. همه‌ی این پرچانگی‌های مغز شسته شده با آمفتامین برای این بود که بگم اون ستاره که تو تصاویر ماهواره‌ای طیف فروسرخ و سرخ رو از خودش بازتاب میده عین همون موتور سواریه که داره از ما دور میشه، طبق اثر داپلر اجسامی که در حال دور شدن از هم هستن امواجی که از هم دریافت می‌کنند در دامنه بم‌تر، قرمزتر، کم انرژی‌تر، بی‌حال‌تر و غیره است. در این حد که اون سوی ستاره که در حال چرخشه به دور از ما سرخ‌تره. درود بر روح پر فتوح کریسشن داپلر. من یادم نیست اینا رو از کجا ترجمه کردم. با این حال انقدر مطلب روتینی هست که هرکی خواست بگه من براش رفرنس بفرستم. به روی چشم.