آیا سرعت نور حد سرعت عالم است؟

هیچ چیز در دنیا نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور در خلأ حرکت کند؛ سرعتی که در مقیاس بزرگ به طرز ناامیدکننده‌ای کند است. با وجود این، ذرات مادی دنیای ما حتی نمی‌توانند به این سرعت برسند. در این مطلب به پاسخ این سوال می‌پردازیم که آیا سرعت نور، حد سرعت عالم قلمداد می‌شود یا خیر.

هیچ چیز در دنیا نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور در خلأ حرکت کند؛ سرعتی که در مقیاس بزرگ به طرز ناامیدکننده‌ای کند است. با وجود این، ذرات مادی دنیای ما حتی نمی‌توانند به این سرعت برسند.

تمام ذرات بی‌جرم با سرعت نور حرکت می‌کنند؛ از جمله فوتون، گلئون و امواج گرانشی که به ترتیب حامل اندرکنش‌های الکترومغناطیسی، هسته‌ای قوی و گرانشی هستند. اما ذرات جرم‌دار همواره باید با سرعتی کمتر از سرعت نور حرکت کنند. اجرام مادی فقط می‌توانند به این سرعت نزدیک شوند، اما هرگز نمی‌توانند به سرعت نور برسند. به عبارت دیگر، اگر جرم نداشته باشید، می‌توانید با سرعت نور حرکت کنید؛ اما اگر جرم داشته باشید، هرگز به این سرعت نخواهید رسید.

اما به طور خاص و در دنیایی که ما در آن زندگی می‌کنیم، محدودیت‌های دست و پا گیرتری هم وجود دارد که باعث می‌شود حد سرعت محدودکننده‌تری برای ماده وجود داشته باشد یعنی سقفی که کمتر از سرعت نور است. با ما همراه باشید تا داستان علمی حد سرعت واقعی کیهانی و سرعت عالم را برای شما بازگو کنیم.

سرعت نور و سرعت عالم

وقتی دانشمندان درباره سرعت نور صحبت می‌کنند، منظورشان از ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ (دویست و نود و نه میلیون و هفتصد و نود و دو هزار و چهارصد و پنجاه و هشت) متر بر ثانیه، به طور غیرمستقیم «سرعت نور در خلأ» است. تنها در غیاب ذرات، میدان‌ها، یا محیط واسطه است که می‌توان به این حد نهایی سرعت رسید.

فیلم آموزش فیزیک پایه 1 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

حتی در این شرایط، تنها ذرات و امواج بی‌جرم هستند که می‌توانند به این سرعت دست یابند. این ویژگی فوتون‌ها، گلئون‌ها، و امواج گرانشی را در بر می‌گیرد؛ اما دستکم و در حال حاضر، موجودیت دیگری در عالم نمی‌شناسیم که از این ویژگی برخوردار باشد.

کوارک‌ها، لپتون‌ها، نوترینوها و حتی ماده تاریک فرضی به طور ذاتی جرم دارند. اجرامی مثل پروتون‌ها، اتم‌ها و انسان‌ها نیز که از این ذرات ساخته شده باشند، همگی جرم دارند. در نتیجه، آن‌ها اگرچه می‌توانند به سرعت نور در خلأ نزدیک شوند، اما هرگز به این سرعت نخواهند رسید. اهمیتی ندارد چقدر انرژی برای این کار صرف کنید، سرعت نور حتی در خلأ برای همیشه دست‌نیافتنی باقی خواهد ماند.

افسانه‌ای به نام خلأ

واقعیت این است که چیزی به عنوان «خلأ کامل» (Perfect Vacuum) در عمل وجود ندارد. حتی در ژرف‌ترین ورطه‌های فضای میان کهکشانی، سه چیز وجود دارد که به هیچ عنوان نمی‌توانید از شر آن‌ها خلاص شوید:

1. محیط میان‌کهکشانی گرم-داغ (WHIM): پلاسمای رقیق و پراکنده‌ای که از شبکه کیهانی بر جای مانده است. وقتی ماده به شکل ستارگان، کهکشان‌ها و گروه‌های بزرگ‌تر به هم فشرده می‌شد، بخشی از این ماده در نواحی پوچ (Void) کیهان باقی ماند. یونیزه شدن این ماده در اثر تابش نور ستارگان باعث به وجود آمدن پلاسمایی شد که حدود 50 درصد کل ماده معمولی عالم را تشکیل می‌دهد.
2. تابش زمینه کیهانی (CMB): این تابش الکترومغناطیسی که از روزهای نخست عالم بر جای مانده است، مربوط به فوتون‌هایی فوق پرانرژی است که از مه بانگ سرچشمه می‌گیرند. حتی امروزه که ۱۳/8 میلیارد سال از عمر عالم می‌گذرد، بیش از 400 فوتون CMB در هر سانتی‌مترمکعب از فضا یافت می‌شود.
3. نوترینوی زمینه کیهانی (CNB): مه بانگ علاوه بر فوتون‌ها، استخر داغ و عظیمی از نوترینوها را خلق کرد. تعداد این نوترینوها با نسبت حدود یک میلیارد به یک به مراتب بیشتر از فوتون‌ها بود. اگرچه بسیاری از این ذرات در دام کهکشان‌ها و خوشه‌های کیهانی گرفتار شدند، اما بسیاری دیگر از آن‌ها هم در فضای میان کهکشانی باقی ماندند.

هر ذره‌ای که در عالم حرکت می‌کند، با ذراتی از محیط WHIM، نوترینوهایی از CNB و فوتون‌هایی از CMB برخورد خواهد کرد. برای مثال، فوتون‌های CMB با وجود آنکه در زمره کم‌انرژی‌ترین اجرام هستند، اما پرتعدادترین و یکنواخت توزیع شده‌ترین ذرات عالم هستند. مهم نیست شما چقدر انرژی دارید یا چطور آن را تولید کرده‌اید، در عمل امکان ندارد بتوانید از اندرکنش خود با این تابش کهن ۱۳/8 میلیارد ساله اجتناب کنید.

سریع‌ترین ذرات کیهان

وقتی درباره پرانرژی‌ترین ذرات عالم فکر می‌کنیم، یعنی ذراتی که سریع‌تر از همه حرکت می‌کنند، به شکل منطقی انتظار داریم این ذرات تحت افراطی‌ترین و شدیدترین شرایط کیهان به وجود آمده باشند.

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

به عبارت دیگر، انتظار داریم آن‌ها را در نقاطی پیدا کنیم که بالاترین انرژی‌ها و قدرتمندترین میدان‌ها را دارند؛ در مجاورت اجرام رُمبیده و در هم فروپاشیده‌ای مثل ستارگان نوترونی و سیاه‌چاله‌ها.

ستارگان نوترونی و سیاه‌چاله‌ها مناطقی هستند که نه تنها می‌توانید قدرتمندترین میدان‌های گرانشی عالم را در آنجا پیدا کنید، بلکه به شکل نظری قدرتمندترین میدان‌های الکترومغناطیسی را هم دارند. این میدان‌های فوق قدرتمند توسط ذرات بارداری - که یا روی سطح ستاره نوترونی یا در قرص برافزایشی (Accretion Disk) اطراف سیاه‌چاله وجود دارند - ایجاد می‌شوند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند.

ذرات باردار متحرک باعث خلق میدان‌های مغناطیسی می‌شوند و هم‌زمان با حرکت در این میدان‌ها شتاب می‌گیرند. این شتاب‌گیری نه تنها باعث تابش نورهایی با طول موج‌های مختلف ـ از پرتوهای ایکس تا امواج رادیویی ـ می‌شود، بلکه همچنین باعث انتشار سریع‌ترین و پرانرژی‌ترین ذرات مشاهده شده تا کنون، یعنی پرتوهای کیهانی می‌شود.

در حالی که «برخورد دهنده بزرگ هادرونی» (Large Hadron Collider) روی زمین تنها می‌تواند ذرات را تا بیشینه سرعت 299,792,455 متر بر ثانیه یا 99/99999 درصد سرعت نور شتاب دهد، پرتوهای کیهانی به راحتی از این سد عبور می‌کنند. در مقایسه با سریع‌ترین پروتون‌هایی که تا کنون در شتاب‌دهنده LHC تولید شده است، پرانرژی‌ترین پرتوهای کیهانی حدود 36 میلیون بار انرژی بیشتری دارند.

با فرض اینکه این پرتوهای کیهانی از پروتون ساخته شده باشند، سرعت آن‌ها به 299,792,457/9999999999992 متر بر ثانیه می‌رسد، سرعتی هر چند بسیار نزدیک به سرعت نور در خلأ، اما کماکان از آن کمتر است.

فوتون‌های مزاحم

دلیل خیلی خوبی وجود دارد که وقتی این پرتوهای کیهانی به ما می‌رسند، انرژی بیشتری نداشته باشند. همان‌طور که اشاره کردیم، مشکل این است که فضا، «خلأ» نیست. وقتی این ذرات در کیهان حرکت می‌کنند، به طور خاص با فوتون‌های CMB برخورد و اندرکنش می‌کنند. این پرتوهای کیهانی هر چقدر هم که انرژی داشته باشند، باز هم در مسیر رسیدن به زمین مجبورند از میان دریای تابش بر جای مانده از مه بانگ عبور کنند.

هرچند تابش مذکور با متوسط دمای 2/725 کلوین بسیار سرد است، اما میانگین انرژی هر فوتون حدود 0/00023 الکترون‌ولت است که قابل چشم‌پوشی نیست. هر بار که یک ذره باردار پرانرژی با یک فوتون برخورد می‌کند، احتمال برابری وجود دارد که همان اتفاقی که برای تمام ذرات انرژی بالا رخ می‌دهد، برای آن‌ها هم رخ دهد. به عبارت دیگر، اگر طبق معادله مشهور $$E = mc ^ 2$$ انرژی لازم را داشته باشد، بخت خلق ذره‌ای جدید وجود خواهد داشت.

اگر ذره‌ای با انرژی در محدوده $$5 \times 10 ^ {19}$$ الکترون‌ولت خلق کنید، پیش از آنکه یکی از فوتون‌های بر جای مانده از مه بانگ با آن برخورد و اندرکنش کند، در نهایت تنها می‌تواند چند میلیون سال نوری در فضا حرکت کند. وقتی چنین اندرکنشی رخ می‌دهد، انرژی کافی برای خلق پیون خنثی (نوعی ذره زیراتمی) وجود دارد که بخشی از انرژی پرتو کیهانی اولیه را می‌دزدد.

هر چقدر انرژی ذره شما بیشتر باشد، احتمال خلق پیون بیشتر می‌شود. این اتفاق آنقدر تکرار می‌شود تا انرژی ذره شما در نهایت به زیر حد نظری انرژی کیهانی موسوم به «حد جی.زد.کا» (GZK Cutoff) می‌رسد. این حد در سال ۱۹۶۶ (1345) و به شکل مستقل توسط «کنت گرایزن» (Kenneth Greisen)، «وادیوم کوزمین» (Vadim Kuzmin) و «گئورگی زاتسپین» (Georgiy Zatsepin) محاسبه شد.

علاوه بر این، «ترمز تابشی» (Bremsstrahlung) هم وجود دارد که ناشی از اندرکنش بین هر ذره باردار با محیط میان‌ستاره‌ای/میان‌کهکشانی است. حتی ذرات کم‌انرژی‌تر هم در معرض این سازوکار قرار دارند و با تولید توده‌های الکترون-پوزیترون (و دیگر ذرات) انرژی خودشان را تابش می‌کنند.

حد سرعت کیهانی

اخترشناسان عقیده دارند تمام ذرات باردار کیهان، یعنی تمام پرتوهای کیهانی، تمام پروتون‌ها و تمام هسته اتم‌ها باید به این حد سرعت محدود شوند. به لطف تابش بر جای مانده از مه بانگ و ذرات محیط میان‌کهکشانی، این حد سرعت حتی از سرعت نور هم کمتر است. اگر ذره‌ای در عالم مشاهده شود که از انرژی متناظر با این حد سرعت، انرژی بیشتری داشته باشد،فقط می‌توان یکی از معانی زیر را برای آن در نظر گرفت:

• ذرات انرژی بالا از قوانینی پیروی می‌کنند که با قوانین شناخته شده فعلی ما متفاوت هستند.
• این ذرات توسط منبعی تولید شده‌اند که از آنچه در ظاهر به نظر می‌رسد به ما نزدیک‌ترند؛ منبعی داخل گروه کهکشانی ما، به جای سیاه‌چاله‌ها و دیگر منابع کهکشانی دوردست.
• ذره نه از جنس پروتون، بلکه ذره‌ای مرکب است.

ذرات اندکی مشاهده شده‌اند که با عبور از سطح انرژی $$5 \times 10 ^ {19}$$ الکترون‌ولت، مرز جی.زد.کا را می‌شکنند، اما حتی انرژی آن‌ها هم از $$3 \times 10 ^ {21}$$ الکترون‌ولت تجاوز نمی‌کند که متناظر با انرژی هسته آهن است. از آنجایی که ثابت شده است بسیاری از پرانرژی‌ترین پرتوهای کیهانی نه از جنس پروتون، بلکه از جنس هسته‌های سنگین هستند، گزینه سوم محتمل‌ترین توضیح برای پرتوهای کیهانی فوق پرانرژی است.

وقتی نور هم کند است

همان‌طور که خواندیم، انرژی تابش بر جای مانده از مه بانگ سبب می‌شود حد سرعت ذرات جابجا شونده در عالم، اندکی از سرعت نور کمتر باشد. اما ذرات مادی حتی اگر هم می‌توانستند با سرعت نور حرکت کنند، در مقیاس کیهانی به طور ناامیدکننده‌ای کند بودند. اجازه دهید با پویانمایی‌های منتشر شده توسط ناسا، موضوع را بررسی کنیم.

«جیمز اودون‌هیو» (James O'Donoghue) دانشمند علوم سیاره‌ای «مرکز پروازهای فضایی گودارد» (Goddard Space Flight Center) ناسا در قالب پویانمایی‌هایی که زمان واقعی را نشان می‌دهند، سه سناریو مختلف سرعت نور را بررسی کرده است تا نشان دهد فوتون‌ها واقعاً تا چه اندازه سریع (و تا چه میزان دردناکی کند) هستند.

نخستین سناریو نشان می‌دهد در مقایسه با زمین، نور تا چه اندازه سریع حرکت می‌کند. محیط زمین در استوا 40,075 کیلومتر است. اگر سیاره ما فاقد جو بود (هوا باعث شکست و کند شدن سرعت نور می‌شود)، یک ذره فوتون می‌توانست هر ثانیه تقریباً 7/5 بار دور استوای سیاره ما گردش کند.

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

در سناریو دوم، ناظر اندکی از زمین دورتر می‌شود تا ماه هم در قاب تصویر جای گیرد. به طور میانگین، ماه و زمین 384,400 کیلومتر از یکدیگر فاصله دارند. بنابراین تمام نوری که از ماه به زمین بازتاب می‌شود تنها 1/255 ثانیه عمر دارد، و سفر رفت و برگشت میان زمین و ماه با سرعت نور تنها 2/51 ثانیه طول خواهد کشید. البته این زمان به تدریج در حال افزایش است چون ماه با نرخ 3.8 سانتی‌متر در سال در حال دور شدن از زمین است.

در سناریو سوم، اودون‌هیو چالشی را به تصویر کشیده است که بسیاری از دانشمندان علوم سیاره‌ای روزانه با آن درگیر هستند یعنی وقتی موضوع ارتباط با کاوشگرهای فضایی و سیارات منظومه شمسی به میان می‌آید.

هنگامی‌که ناسا تلاش می‌کند با یکی از ابزارهای فضایی خود تماس بگیرد یا اطلاعاتی از آن دریافت کند، قادر است این کار را با سرعت نور انجام دهد؛ اما مسئله به این سادگی‌ها هم نیست. فرض کنید ناسا قصد دارد با کاوشگر «InSight» روی مریخ ارتباط داشته باشد. با توجه به فاصله دو سیاره اگر ناسا بخواهد مثل اسباب‌بازی کنترل از راه دور، کاوشگر را به صورت «زنده» (Live Mode) و «بی‌درنگ» (Real-Time) هدایت کند، کار به کندی پیش می‌رود. دستورات باید به دقت انتخاب، از پیش آماده و در زمان صحیح به سوی موقعیت دقیقی در فضا نشانه‌روی شوند تا درست به هدف برسند.

سریع‌ترین مکالمه ممکن بین زمین و مریخ زمانی رخ می‌دهد که دو سیاره در حالت «مقابله» هستند؛ یعنی فاصله آن‌ها از یکدیگر به کم‌ترین میزان خود می‌رسد. مقابله زمین و مریخ هر دو سال یک‌بار رخ می‌دهد و در بهترین وضعیت، فاصله دو سیاره از هم 54/6 میلیون کیلومتر خواهد بود.

در این حالت، حتی نور هم سه دقیقه و دو ثانیه زمان نیاز دارد تا از زمین به مریخ برسد. یعنی اگر پیامی به مریخ بفرستید و پاسختان را هم بی‌درنگ دریافت کنید، دستکم باید شش دقیقه و چهار ثانیه منتظر بمانید تا از محتوای پاسخ باخبر شوید. اما زمین و مریخ به طور متوسط 254 میلیون کیلومتر از هم فاصله دارند. بنابراین مخابره پیام بین دو سیاره به طور متوسط 28 دقیقه و 12 ثانیه طول خواهد کشید.

هر چقدر از زمین دورتر شوید، حرکت با سرعت نور هم به طرز ناامیدکننده‌تری کند به نظر می‌رسد. مشکل این است که حتی سرعت خیره‌کننده نور هم «متناهی» است، اما ابعاد کیهان بسیار بزرگ است.

برای مثال، نزدیک‌ترین سیاره فراخورشیدی شناخته شده که به دور ستاره «پروکسیما قنطورس» (Proxima Centuri) در گردش است، ۳۹/7 تریلیون کیلومتر از زمین فاصله دارد. حتی اگر می‌توانستم با سرعت نور حرکت کنیم (که به دلیل مادی بودن انسان، قوانین فیزیک چنین اجازه‌ای به ما نمی‌دهند)، 4/2 سال نوری طول می‌کشید به این سیاره برسیم.

فضا به طرز باورنکردنی پهناور است. اگرچه تنها 13/8 میلیارد سال از عمر جهان می‌گذرد، اما لبه‌های آن در هر جهت حدود 45/34 میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد؛ فاصله‌ای که به دلیل انبساط کیهان در حال افزایش است. چنین فاصله‌ای به قدری خیره‌کننده است که حتی در یک پویانمایی ساده هم نمی‌توان آن را به تصویر کشید.