شکست نور و عمق ظاهری

پرتوهای نور وقتی از یک محط شفاف وارد محیط شفاف دیگر می‌شوند از مسیر خود منحرف می‌شوند، این پدیده را شکست نور می‌گویند و جسم نزدیکتر از محل واقعی خود به نظر می‌رسد که اینرا عمق ظاهری می‌گویند.

دید کلی

هنگامی که نور به یک محیط شفاف وارد یا از آن خارج می‌شود ممکن است پرتوهای نور شکست یابند و اثرهای جالب و گاهی زیبا را پدید آورند. مثلا اگر به یک سکه در ته لیوانی پر از آب نگاه کنید سکه بالاتر از محل واقعی خود به نظر می‌رسد یا وقتی که یک قاشق را بطور مایل در لیوان آب فرو می‌برید آن را در محل ورود به آب شکسته می‌بینید. برعکس اگر جسم در هوا باشد و از محیط غلیظ به آن نگاه کنیم جسم دورتر به نظر می‌رسد. اگر به کف یک استخر نگاه کنید عمق آب کمتر از عمق واقعی به نظر می‌رسد، اگر در راستای نزدیک به خط قائم به کف استخر پر از آبی به عمق 5 متر نگاه کنید عمق آن تقریبا 4 متر به نظر می‌رسد.

قوانین شکست

• پرتو تابش و پرتو شکست و خط عمود بر سطح جدا کننده دو محیط شفاف هر سه در یک صفحه واقعند.
• برای دو محیط شفاف معین نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست مقداری است. این مقدار ثابت را به n نشان می‌دهند و آنرا ضریب شکست می‌نامند. قوانین شکست را قوانین اسنل - دکارت می‌گویند. اگر سرعت نور را در هوا به V و در محیط شفاف بهV نمایش دهیم با اندازه گیریهایی که در مورد سرعت نور به عمل آمده ، معلوم شده است که n = V/V است.
ضریب شکست مطلق و نسبی
هر گاه یک دسته پرتو نور از خلأ وارد محیط شفافی شوند n = Sini/Sinr را ضریب شکست مطلق می‌نامند. چنانچه نور از یک محیط شفاف (مثل آب) وارد محیط شفاف دیگری مثل (شیشه) شود، نسبت Sini/Sinr ، ضریب شکست نسبی خواهد بود. اگر ضریب شکست مطلق محیط اول n1 و ضریب شکست مطلق محیط دوم n2 باشد، ضریب شکست نسبی این دو محیط عبارت خواهد بود از:

n = n2/n1

وقتی که نوری با فرکانس معین از محیط شفافی به ضریب شکست n1 وارد محیط شفاف دیگری به ضریب شکست n2 می شود، بسامد آن تغییر نمی‌کند، در نتیجه تغییر سرعت نور در محیط دوم به نسبت n1/n2 باعث تغییر طول موج نور به نسبت n1/n2 می‌شود. در این صورت داریم:

λ2 = n1/n2 λ1 که در آن λ1 و λ2 طول موج نور در دو محیط هستند.

دیوپتر

فصل مشترک دو محیط شفاف دیوپتر نامیده می‌شود (مانند سطح آب یا شیشه) ، دیوپتر ممکن است مسطح یا کروی باشد. چگونگی وضع تصویر نسبت به دیوپتر:
جسم در محیط غلیظ قرار گرفته است
• در این حالت تصویر به سطح دیوپتر نزدیک می‌شود.
• فاصله تصویر تا دیوپتر از رابطه /xtanr/tanr=x بدست می‌آید که در آن x فاصله جسم و x فاصله تصویر تا دیوپتر است x را عمق واقعی و x را عمق ظاهری می‌نامند.
• اگر به طور عمود نگاه کنیم زوایای i و r کوچک می‌شوند و = x/nx را داریم که در آن n ضریب شکست محیط غلیظ نسبت به رقیق است.
• برای تابش عمودی فاصله جسم تا تصویر برابر است با:(x(1 - 1/n
جسم در محیط رقیق قرار گرفته است.
• در این حالت تصویر از سطح دیوپتر دورتر می‌شود.
• برای تابش عمودی فاصله تصویر تا دیوپتر از رابطه = nxx بدست می‌آید.
• برای تابش عمودی فاصله جسم تا تصویر برابر (x(n - 1 است.
علت شکسته به نظر رسیدن خط کش در آب
پرتوهای نور که از انتهای خط کش به سطح آب می‌تابند هنگام خروج شکست یافته و از خط عمود دور می‌شوند و به چشم ما می‌رسند و به نظر می‌رسد این پرتوها از تصویر مجازی نقطه انتهای خط کش که بر کف تکیه دارد به چشم رسیده‌اند. به همین ترتیب نقاط دیگر خط کش نیز قدری بالاتر از محل واقعی خود دیده می‌شود. در نتیجه تصویر آن قسمت از خط کش که در آب قرار دارد به صورت مجازی در راستایی بالاتر از راستای واقعی خط کش تشکیل می‌شود.

طریقه رسم و پیدا کردن عمق ظاهری

• فرض کنید سکه‌ای را در ته استخر قرار داده‌اید، ابتدا از محل سکه خط عمود در راستای قائم رسم کنید طوریکه تمام ارتفاع استخر را پوشش دهد.
• خط عمودی دیگری در محلی از سطح استخر که به استخر نگاه می‌کنید رسم کنید.
• پرتوی از محل سکه به محلی که نگاه می‌کنید رسم کنیم، این پرتو چون به محیط جدایی دو محیط رسیده است، بعد از خروج شکست خواهد یافت.
• پرتو شکست یافته را در بیرون استخر رسم کنید.
• پرتو شکست یافته را در محیط غلیظ ادامه دهید تا خط عمودی را که در ابتدا رسم کرده‌ایم، قطع کند.
• فاصله این نقطه تا سطح دیوپتر عمق ظاهری است.
منبع : www.roshd.ir - رشد

با نفوذ بیشتر در دنیای ریز ذره‌ها ، اثرات گرانشی بطور قابل توجهی کمتر می‌شوند. ولی این مساله تا نقطه معینی صادق است و نقش آنها بطور مشخصی افزایش می‌یابد. و آنها مانند وضعیتی که در جهان بزرگ وجود دارد به صورت پدیده‌های فیزیکی غالب در می‌آیند. در دنیای ریز ذره‌ها که وجه مشخصه آن فواصل کوچک است، مقادیر انرژی و در نتیجه جرم به اندازه‌ای افزایش می‌یابد که از این نظر دنیای ریز ذره‌ها مشابه پدیده‌های دنیای بزرگ و فوق‌العاده بزرگ می‌گردد و دو جهان مانند گذشته یکی می‌شوند و به همین دلیل آنها برخی از قوانین طبیعت مشترک هستند.
سیاهچاله‌ها که نشان‌دهنده چگالی فوق‌العاده زیاد ماده هستند، ناحیه دیگری می‌باشند که در آن وقایع جهانی و میکروسکوپیک باهم یکی می‌شوند. در اینجا پدیده گرانشی در هر دو حالت عظیم است که در حالت اول بصورت هندسه تغییر یافته فضا و در حالت دوم به صورت اثرات مکانیک کوانتومی بیان می‌شود.

● بیان ریز ذره‌ها بوسیله پدیده گرانشی
پیشرف جهان کوچک عقاید و تصورات خارق‌العاده‌ای پدید می‌آورد که نظریه‌های دانش عادی را نقض می‌کند و آشکارا نشان می‌دهد. چنین عقیده‌ای که معلومات امروزی علمی مفاهیم مطلق و غیر قابل تغییری هستند، پوچ می‌باشد. به نظر نمی‌آید که هیچگاه پیشرفت فیزیک و اختر فیزیک به انتها برسد.
فرضیه ذرات بنیادی که همواره وقایع عجیب‌تری را آشکار می‌سازد. دائما با مفاهیم پیچیده ریاضی و سایر مفاهیم پیچیده به‌ وجود می‌آید که با دنیایی که ما را احاطه کرده هیچ گونه مشابهتی ندراد. باید گفت که این فرضیه روز به روز بیشتر با فرضیه کیهانی آمیخته می‌شود. به عبارت دیگر قوانین طبیعی حاکم بود و نقطه نهایی و متضاد ابعاد جهانی یعنی دنیای ریز ذره‌ها و دنیای وقایع کیهانی هیچگاه با یکدیگر متناقض نیستند.

● دنیای ریز ذره‌ها
گمان می‌رود چنین جریانی بتواند برای ایجاد ارتباط تلفنی با گذشته کمک کند یا ممکن است شخصی خود را به ساعت یازده صبح روز قبل انتقال دهد. چنین چیزی مادامی که دنیای سرعتهای کوچک‌تر از سرعت نور با دنیای سرعتهای بزرگ‌تر از سرعت نور برخورد پیدا کند، تناقض می‌باشد. اگر فقط محدوده سرعت‌های بالاتر از سرعت نور را مورد توجه قرار دهیم، چین تناقضاتی به‌وجود نمی‌آید. تاکنون هیچ یک از اطلاعات تجربی به دست آمده وجود تاکیون‌ها را به اثبات نرسانیده‌اند.

● بازگشت به گذشته
دنیای تاکیون ها هیچ نقطه مشترکی با دنیای ما که در آن سرعت ها کمتر از سرعت نور است ندارد. سه نوع ذره‌ای که هم اکنون ذکر آنها به میان آمد، دارای یک خاصیت مشترک می‌باشند. ذرات یک گروه تحت هیچ شرایطی نمی توانند به ذرات گروه دیگر تبدیل شوند. از سوی دیگر ، فقط بر اساس دانش جدید می توانیم چنین اظهار نظری را به عمل آوریم. اگر این مسئله را از دیدگاه اطلاعات علمی کامل‌تری که هنوز ناشناخته است مورد بررسی قرار دهیم، ممکن است که کاملا تغییر نماید. در آن صورت می توانیم فرض کنیم که دنیای تاکیون ها با دنیای ما برخورد پیدا می کند و این بدان معنی است که فرآیندهایی در طبیعت وجود دارند که در جهات نامشخص پیش می روند.
اصل علیت که بر اساس آن علت همیشه مقدم بر معلول است یک اصل اساسی فیزیکی است. به بیان دیگر ، هیچ رویدادی نمی تواند گذشته را تحت تاثیر قرار دهد و موجب تغییر آن چیزی گردد که اتفاق افتاده است، ولی در دنیای ذراتی که با سرعت نور و یا بیشتر از آن حرکت می کنند ، این اصل ممکن است تغییر نماید و علت و معلول با توجه به چارچوب مرجع جای خود را عوض کنند.
در فرآیندهایی که پیام ها با سرعت بیشتر از سرعت نور حرکت می نمایند، تسلسل وقایع (وقایعی که پیش از وقایع دیگر رخ می دهند) به انتخاب دستگاه مختصات بستگی پیدا می کند، در عین حال ، جهت جریان اطلاعات یعنی اساس بستگی علت و معلول تغییر نمی نماید. این مسئله موجب نقص علیت می گردد.

● دنیای تاکیون ها و دنیای ما
عقاید متفاوتی در این مورد وجود دارد. اگر تاکیون ها واقعا وجود داشته باشند، چه می شود؟ در این صورت آنها نوع سوم ذراتی می باشند که برای ما شناخته شده اند. اولین نوع شامل ذراتی است که هیچگاه به سرعت نور نمی رسند. (یعنی تقریبا تمام ذرات بنیادی شناخته شده) ، نوع دوم فوتون‌ها (کوانتاهای تابش الکترومغناطیسی) و احتمالا نوترینوها می باشند که هر دو آنها با سرعت نور منتشر می شوند. تاکیون ها همواره دارای سرعتی می باشند که از سرعت نور بیشتر است.

● اگر تاکیون‌ها وجود داشتند؟
در کنار دنیایی با سرعت های کمتر از سرعت نور (جهان تاردیون ، مشتق از کلمه لاتین تاردوس به معنای آهسته) دنیای دیگری وجود دارد که سرعت نور در آن از سرعت های دیگر کمتر است، نه بیشتر (جهان تاکیون مشتق از لغت یونانی تاخیس به معنی سریع می باشد). دنیای دوم کشف نشده است ، زیرا هیچ نقطه مشترکی با دنیای اول ندارد.
در سالهای اخیر ، تعدادی مقاله تحقیقاتی منتشر شده که نویسندگان آنها احتمال وجود ذرات &#۶۵۵۳۳;ابر نور&#۶۵۵۳۳; را که تا کنون نامیده اند، مورد بررسی قرار داده اند.
واقعیت عجیبی که در مورد فرضیه ابر نور وجود دارد، آنست که این فرضیه ، نظریه نسبیت خاص را نقض نمی کند ، بلکه آن را با دنیایی که در آن سوی محدوده سرعت نور قرار دارد سازگارتر و هماهنگ تر می سازد.

● ابر نور
بر اساس نظریه نسبیت هیچ فرآیند فیزیکی نمی تواند در سرعت های بالاتر از سرعت نور در خلا انجام گیرد. بدون تردید ، قابل قبول نبودن این سرعت ها یکی از عجیب ترین فرضیات فیزیک جدید است.
آیا واقعا ممکن است که سرعت های بالاتر از سرعت نور وجود داشته باشد؟

منبع : www.aftab.ir - آفتاب

محققین دانشگاه برکلی کالیفرنیا راه جدید برای فشرده سازی نور در حجم های خیلی کوچکتر از فضا های قابل تصور ارائه کرده اند که به نوبه ی خود امکان پیشرفت های بسیار زیادی را در زمینه های ارتباطات اپتیک ، لیزر و کامپیوتر های اپتیک ایجاد می کند ... 
 
محققین دانشگاه برکلی کالیفرنیا راه جدید برای فشرده سازی نور در حجم های خیلی کوچکتر از فضا های قابل تصور ارائه کرده اند که به نوبه ی خود امکان پیشرفت های بسیار زیادی را در زمینه های ارتباطات اپتیک ، لیزر و کامپیوتر های اپتیک ایجاد می کند .

محققین اپتیک قبلا موفق به رساندن امواج نور به ۲۰۰ نانومتر ،‌تقریبا ۴۰۰ بار کوچکتر از عرض یک تار موی انسان شده بودند . گروهی از محققین دانشگاه برکلی به مدیریت مهندس مکانیک ، آقای پروفسور ژانک زانک پیشنهاد فشرده کردن نور و رساندن آن به عرض ۱۰ نانومتر که تقریبا ۵ بار بزرگتر از عرض یک تکه از DNA و ۱۰۰ بار نازک تر از رشته های نوری است را ارائه کرده اند .

به گفته ی رابرت التون یکی از همکاران گروه پروفسور ژانگ و سردبیر این تحقیق ، این تکنیک امکان کنترل و مدیریت چشم گیری بر روی نور را به ما خواهد داد و همچنین امکان کشف مطالب جالبی در مورد کارهایی که با نور انجام می دهیم را خواهد داد .

به گفته پروفسور ژانگ هر چه قدر مهندسان کامپیوتر امکان قرار دادن ترانزیستور های بیشتری در چیپست های کامپیوتر برای رسیدن به ماشین های کوچکتر و پر سرعت تر را ایجاد کنند محققین اپتیک به دنبال را ه هایی برای فشرده کردن نور در سیم های کوچکتر برای ایجاد ارتباطات نوری بهتر خواهند بود.

به گفته دکتر ژانگ ، کاهش حجم وسایل و تجهیزات نوری از جذابیت بالایی برخوردار است و این برای آینده ی ارتباطات یک هدف مقدس و بزرگ خواهد بود .

فشرده سازی رشته های نوری نه تنها امکان ایجاد ارتباطات نوری کوچکتر را فراهم می آورند بلکه امکان ایجاد پیشرفت های بسیار زیادی را در زمینه های کامپیوتر های نوری خواهند داشت .

به گفته ی دکتر التون بسیاری از دانشمندان در صدد ایجاد ارتباطی بین الکترونیک و اپتیک هستند ولی نور و ماده با هم هم خوانی عجیبی دارند چون اندازی ساختار های آنها بسیار متفاوت است ، به هر حال ، فشرده سازی نور می تواند باعث ایجاد اثراتی بنیادی بر روی نور و ماده شود .

محققین اپتیک در صدد فشرده سازی نور در حد طول موج الکترون هستند تا از این طریق نور و ماده را همکاری بگیرند .

به گفته التون محققین با یک مشکل بزرگ مواجه می شوند ،هرگاه که می خواهد نور را بیشتر از طول موجش فشرده کنند، زیرا نور دیگر تمایل به ماندن در آن حالت را ندارد .

محققین نور را فراتر از این محدودیت ها با استفاده از رویه های پلاسمایی و اجسام نیم رسانا فشرده کرده اند به طوری که از الکترون ها برای محصور کردن و جلوگیری از تکثیر شدن بین سطح فلزات استفاده می کنند .

التون بر روی متحد کردن پلاسما و و نیم رسانا ها در حال تحقیق بود و هم زمانی که این مشکلات بیشتر نمایان شد او ایده ی خود را برای یک فشرده شازی بیشتر و پوشاندن این مشکلات مطرح کرد.تئوری هیبریدی فیبر نوری او از یک نیم رسانا که در نزدیکی یک ورقه ی نازک نقره قرار می گرفت تشکیل شده است .

به گفته ی التون این یک مسئله هندسی ساده است و من تعجب می کنم که تا کنون چرا کسی به این موضوع اشاره نکرده است .

التون برای آزمایش ایده خود دست به شبیه سازی رایانه ای زد و متوجه شد که نه تنها نور را می تواند در فضا هایی به عرض تنها ۱۰ ها نانومتر فشرده کند بلکه نور می تواند مسافت ها را ۱۰۰ بار بیشتر از زمانی که از پلاسما های سطحی استفاده می کرد ، طی کند وبه گفته ی محققین به جای حرکت نور به سمت مرکز سیم ، هنگامی که نور به ورقه ی آهنی می رسد ، امواج نور در یک فضای خالی بین آنها به دام می افتد .

به گفته ی التون این تکنیک به این دلیل موثر بود که سیستم هیبریدی به عنوان یک باطری و ذخیره کننده ی برق عمل می کند و انرژی بین سیم و ورقه ی آهنی را ذخیره می کند

هنگامی که نور بین این فضای خالی حرکت می کند باعث ایجاد برانگیختگی در ساخت بار در هر دوی سیم و فلز می شود و این بار ها به انرژی این امکان را می دهند تا در فاصله ی بیشتری قدرت خود را حفظ کند . به گفته ی دکتر ژانگ این کشف بر این باور که ، فشرده سازی نور هیچ تاثیری بر افزایش فاصله ی طی شده نخواهد داشت ، غلبه خواهد کرد .

به گفته دکتر ژانگ قبلا برای فشرده سازی نور باید انرژی زیادی مصرف می شد که برای کاهش مصرف انرژی باید ابعاد را بزرگتر می کردیم و این دو موضوع همیشه در تقابل همدیگر بودند ، ولی این فکر و طرح این امکان را ایجاد کرد که هر دو را به دست آوریم یعنی هم کاهش حجم نور و هم کاهش مصرف انرژی .

به گفته ی التون در حال حاضر آزمایش فقط به صورت تئوری است ولی ساخت چنین دستگاهیی را در آینده در دست خواهیم داشت . تنها مشکل موجود ، در تشخیص نور در این ابعاد است زیرا هم اکنون وسیله ای برای تشخیص نور در این ابعاد وجود ندارد . ولی گروه دکتر ژانگ ساخت چنین دستگاهی را برای تشخیص نور در این بعاد در دست دارند .

به نظر التون ، تکنیک هیبریدی فشرده سازی نور تاثیرات زیادی را در آینده خواهد داشت ، از جمله می توان به فشرده سازی نور و نزدیک کردن آن به طول موج الکترون اشاره کرد که باعث ایجاد ارتباطی بین اپتیک و الکترونیک خواهد شد .

به گفته التون :

ما در حال فشرده سازی ابعاد تا حد ابعاد الکترون هستیم تا با این روش کارهایی را انجام دهیم که تا کنون انجام داده نشده است .

به گفته ی التون این فکر می تواند باعث ایجاد قدمی موثر درجاده ایجاد کامپیوتر اپتیکی شود ، کامپیوتری که در آن تمام الکترونیک جای خود را به تجهیزات نوری داده اند . به گفته محققین ساخت یک ترانزیستور نوری مانعی است در رسیدن به محاسبات نوری . اما این تکنیک یعنی فشرده سازی نور و ایجاد ارتباط بین پلاسما با نیم رسانا شاید در حل این مشکل کمک کند .

منبع : www.aftab.ir - افتاب