انحراف پرتو نور در میدان گرانشی
همانطور که میدانیم F نیرو در واحد نیوتن برابر است با m جرم در واحد
کیلوگرم ضربدر a شتاب در واحد متر بر مجذور ثانیه یعنی:
همچنین w وزن و یا F نیروی جاذبه وارد بر یک جسم در میدان گرانشی در
واحد نیوتن برابر است با جرم جسم در واحد کیلوگرم ضربدر g شتاب ثقل
میدان گرانشی در واحد متر بر مجذور ثانیه یعنی:
این
هم ارزی مابین جرم گرانشی و جرم اینرسی، انیشتین را به این فکر انداخت
که آثار گرانش را با آثار شتاب یکی بداند. این همان اصل هم ارزی است که
نقطه شروع نسبیت عام را مشخص میکند. یکی از این آثار، انحنا یا خمیدگی
مسیر نور است، دررابطهبا شکل زیر:
فرض
کنید که ناظر در جعبه A بدون حرکت و ساکن قرار دارد. اگر یک پرتو نور
از شکاف ۱ وارد شود مسلماً از شکاف ۲ خارج شده و مسیر روزنه (باند
خطچین) به خط مستقیم مشاهده خواهد شد، یعنی در امتداد مسیر سبزرنگ.
اینک فرض میکنیم که ناظر در جعبه B با شتاب a قرار دارد. اگر یک پرتو
نور از شکاف ۱ وارد شود مسلماً از شکاف ۲ خارج نخواهد شده بلکه به نقطه
۳ تابیده و مسیر روزنه منحنیشکل مشاهده خواهد شد، یعنی منحنی قرمزرنگ.
در پایین شکل، جرم زیاد M را در نظر میگیریم که دارای شتاب ثقل (شتاب
گرانشی) g- است. در واقع پرتو نور در زمان گذر از میدان گرانشی بهطرف
مرکز جاذبه سقوط خواهد کرد و مسیر حرکت آن مستقیم نبوده؛ بلکه از خط
راست سبز به منحنی قرمزرنگ تغییر خواهد کرد و لازم به توضیح است که در
این مبحث اشارهای به تغییر طولموج و یا انرژی پرتو نور نداریم.
a=-g
این
برابری به این معنی است که بردار a و g مقداری مساوی داشته؛ ولی با
یکدیگر زاویه ۱۸۰ درجه دارند.
اینک
با استفاده از معادلات مکانیک کلاسیک نیوتنی زاویه این انحراف پرتو نور
در یک جعبه یا یک دستگاه مختصات با شتاب a همچنین در یک میدان گرانشی
با شتاب ثقل g را محاسبه میکنیم. البته در این محاسبات از جهت بردار
شتاب و شتاب ثقل صرفنظر کرده و فقط مقدار آنها را در نظر میگیریم.
حال
موضوع را از دیدگاه نسبیت و مکانیک کوانتومی برسی میکنیم:
و
یا:
همانطور
که از تمامی معادلات فوق مشخص است با صفرشدن مقدار f یا همان بسامد موج
الکترومغناطیس، نیروی فوتون نیز صفر میشود. پس خیلی راحت میتوان به
این نتیجه کلی رسید که فوتون حامل نیروی میدان الکترومغناطیسی نیست
برای اینکه ما در میدان الکترومغناطیسی با شدت ثابت و بدون تواتر نیروی
الکتریکی و مغناطیسی داریم؛ ولی نیرو و انرژی فوتون صفر خواهد بود. پس
فوتون میتواند حامل انرژی و نیروی نوسان میدان الکترومغناطیسی باشد نه
خود میدان.
در
مباحث بعدی تابع اندازه تغییر زاویه یا انحنای پرتو نور در میدان
گرانشی را مستقل از زمان البته بدون درنظرگرفتن هم ارزی شتاب گرانشی و
شتاب اینرسی به دست خواهیم آورد و با استفاده از این خاصیت نور،
سرعتسنج حقیقی طراحی خواهیم کرد که با آینه و پرتو نور لیزر کار
میکند.
محمدرضا طباطبايي 29/12/87
http://www.ki2100.com