در حالی که ایالات متحده امریکا در اواسط دهه ۱۸۶۰ ، در اثر جنگ خانمان سوز داخلی ، دچار آشفتگی شده بودند ، در آن سوی اقیانوس اطلس ، دنیای علم نیز دوران پر آشوب بزرگی را میگذرانید. آزمایشهایی که در اروپا انجام گرفته بود ، بدون هیچ تردیدی نشان میداد که در پاره ای از شرایط ، مغناطیس میتواند موجب ایجاد میدانهای الکتریکی شود و برعکس.
در طول قرن های متمادی گمان میرفت که مغناطیس ، یعنی نیرویی که هرچیز ، از صدای رعد و برق ، تا ضربه ی ناگهانی را پس از راه رفتن روی قالی و دست زدن به دستگیره ی در احساس میکنیم ، موجب میشود ، دو نیروی متمایز هستند. اما در اواسط سالهای ۱۸۰۰ ، این جدایی صریح از هم پاشید و دانشمندان متوجه شدند که یک میدان الکتریکی نوسان کننده ، میتواند میدان مغناطیسی ایجاد کند و برعکس.

این پدیده میتواند به سادگی به نمایش درآید. به عنوان مثال ، اگر یک میله ی مغناطیسی را در داخل یک سیم پیچ به حرکت رفت و برگشت در آوریم، جریان ضعیف الکتریکی در سیم پیچ ایجاد خواهد شد. بنابر این یک میدان مغناطیسی تغییر کننده ، میدانی الکتریکی ایجاد کرده است. به طرز مشابهی ، میتوانیم این نمایش را در با عبور دادن جریان الکتریکی از داخل یک سیم پیچ و ایجاد میدان مغناطیسی در اطراف سیم پیچ ، به صورت معکوس در آوریم.
در این حالت ، یک میدان الکتریکی تغییر کننده ، میدان مغناطیسی ایجاد کرده است. همین اصل ، ایجاد میدان مغناطیسی توسط میدان الکتریکی متغیر ، موجب میشود که ما در خانه های خود ،برق داشته باشیم.
در یک نیروگاه آبی ، آبی که از سد سرازیر میشود ، توربینی را که به مولد برق متصل است ، به گردش در می آورد. محور این مولد ، سیم پیچ های بزرگی دارد که در میدان مغناطیسی ، به سرعت دورن میکند. در اثر گردش این سیم پیچ ها در داخل میدان مغناطیسی ، برق تولید میشود. این برق به نوبه خود ،با کمک خط انتقال نیرو به صدها کیلومتر دورتر ، به طرف منازل ما انتقال می یابد.
بنابر این ، یکمیدان مغناطیسی متغیر که در اثر آب سد و گردش توربین به دست آمده است ، به میدان الکتریک تبدیل میشود که الکتریسیته را به منازل ما ، تا پریز های برق میرساند.
اما در ۱۸۶۰ ، این پدیده هنوز درست شناخته نشده بود؛ یک فیزیکدان ۳۲ ساله ی ناشناس اسکاتلندی در دانشگاه کمبریج ، به نام جیمز کلارک ماکسول ، با درکی که در آن زمان حکمفرما بود ، به مقابله پرداخت و ادعا کرد که الکتریسیته و مغناطیس ، نیروهای جدا از هم نیستند ، بلکه دو روی سکه اند.
در حقیقت او با پی بردن به این که این موضوع میتواند اسرار مرموز ترین پدیده (یعنی نور) را آشکار سازد ، به بزرگترین اکتشاف قرن ، دست یافت. ماکسول میدانست که میدان های الکتریکی و مغناطیسی ، میتوانند به وسیله میدانهای نیرو ، که درتمام فضا پخش میشوند ، نمایش پیدا کنند.
این میدان های نیرو را میتوان ، با تعداد بسیار زیادی پیکان ، که به آرامی از یک بار الکترریکی سرچشمه میگیرند ، نشان داد. به عنوان مثال ، میدان نیرویی که در میله ای مغناطیسی ایجاد میشود ، به صورت یک شبکه تارعنکبوتی است که میتواند اشیای فلزی را که در نزدیکی آن قرار دارد ، جذب کنند.
اما ماکسول از آن پیشتر رفت و استدلال کرد که شاید امکان آن وجود داشته باشد که میدان های الکتریکی و مغناطیسی به صورت دقیقا هماهنگی ، نوسان کرده و موجی را که بدون هیچ کمکی در فضا سیر کند ، به وجود آورد. این سناریو را در نظر خو مجسم کنید : چه روی خواهد داد اگر یک میدان مغناطیسی نوسان کننده ، که با میدانی الکتریکی به وجود آمده است ، موجب شود که این میدان الکتریکی ، میدان مغناطیسی دیگری ایجاد کند که با نوسان های خود ، باز هم میدان الکتریکی به وجود آورد و … ؟
آیا این سلسله ی بینهایت میدان های الکتریکی و مغناطیسی نوسان کننده ، می توانند مانند یک موج حرکت کنند ؟
درست مثل قوانین گرانش نیوتون ، جوهر این فکر ، ساده و قابل نمایش است ، به عنوان مثال ، یک خط طولانی از مهره های بازی دومینو را در نظر بگیرید. اگر به مهره ی اول ، یک ضربه وارد کنیم ، مهره های دیگر ، آبشار گونه ، یکی پس از دیگری می افتد.
حالا فرض کنیم که این خط از مهره هایی از دو نوع سیاه و سفید و به صورت یک در میان ، تشکیل یافته باشد. اگر ما مهره های سیاه را برداریم ، به طوری که خط مهره ها از مهره های سفید تشکیل یابد ، در این صورت ، موجی انتشار نخواهد یافت. برای آن که موج رونده ای داشته باشیم ، به هر دو نوع مهره ، هم سفید و هم سیاه نیاز داریم.
به طور خلاصه این تاثیر متقابل مهره های سیاه و سفید است که موجب میشود با تکان خوردن مهره ی اول ، موجی از مهره هایی که می افتند ، ایجاد شود.
ماکسول به همین ترتیب کشف کرد که این تاثیر بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی است که این موج را به وجود آورده است. او پی برد که میدان های الکتریکی و مغناطیسی ، درست مثل مهره های سیاه و سفید دومینو ، نمیتوانند ، به تنهایی ، این حرکت موج گونه را ایجاد کنند.
تنها یک تاثیر متقابل ضعیف ، بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی میتواند یک موج به وجود آورد. با این وجود ، به نظر بسیاری از فیزیکدان ها ، این فکر نامعقول میامد. زیرا بستری به نام اتر ، که باید این امواج را هدایت کند ، وجود نداشت. این میدان ها ، بدون بستر مادی بودند و بدون وجود محیط هدایت کننده ای ، خود پیش میرفتند.
اما ماکسول ، شخص سرکشی بود ؛ با محاسبه و به کار گیری معادلات خود ، او دریافت که میتواند عدد مشخصی برای سرعت این موج پیدا کند.
با شگفتی بسیار ، او به این نتیجه رسید که این سرعت ، سرعت نور است. نتیجه این محاسبات ، جای گریزی نمیگذاشت . آشکار شد که نور ، چیزی غیر از میدانهای الکتریکی که به میدانهای مغناطیسی تبدیل میشوند ، نیست. ماکسول به طور تصادفی دریافت که معادلت او ، ماهیت نور را ب صورت یک موج الکترومغناطیسی نشان میدهد. به این ترتیب ، او اولین شخصی بود که یک نظریه ی یگانگی میدان را کشف کرد.
این کشف بسیار درخشانی بود و از نظر اهمیت در سطح قانون گرانش عمومی که نیوتون موفق به دستیابی به آن شده بود ، می رسید. در سال ۱۸۸۹ ، ده سال پس از مرگ ماکسول ، هاینریش هرتز ، به طور تجربی نظریه های ماکسول را تایید کرد. در یک نمایش حیرت انگیز ، او جرقه ای الکتریکی ایجاد کرد وتوانست یک موج الکترومغناطیسی به وجود آورد که بدون اینکه جای شبهه ای باشد ، در فواصل دور قابل تشخیص بود. همان طور که ماکسول پیش بینی کرده بود ، هرتز ثابت کرد که این امواج ، خود به خود و بدون “اتر” حرکت میکنند. بعدها ، آزمایش خام هرتز ، به صنعت گسترده ای که آن را رادیو می نامیم ، توسعه پیدا کرد.
با پژوهش های راهگشای ماکسول ، نور از آن زمان به عنوان یک نیروی الکترومغناطیسی شناخته شد که با نوسانهای میدانهای الکتریکی و مغناطیسی و تبدیل سریع به دیگر ، به وجود می آید
رادار ، پرتوهای فرابنفش ، پرتو های فروسرخ ، رادیو ، کهموج ، تلویزیون و پرتو های ایکس ، چیزی به جز شکلهای مختلف امواج الکترومغناطیسی نیستند.(به عنوان مثال ، موقعی ه رادیوی خود را روی ایستگاه مثلا ۹۹٫۵ میزان میکنید ، میدان های الکتریکی ومغناطیسی که در این موج وجود دارند ، با آهنگ ۹۹٫۵ میلیون بار در ثانیه ، به یکدیگر تبدیل میشوند.)
متاسفانه ماکسول خیلی زود ، پس ا ارائه ی نظریه خود درگذشت. او به اندازه ی کافی زندگی نکرد تا عجایب آفرینش خود را، پیگیری کند. اما یک فیزیکدان با قوه ی درک زیاد ، میتوانست در دهه ی ۱۸۶۰ متوجه شود که معادلات ماکسول موجب بروز اختلالاتی در فاصله و زمان میشود. معادلات او ، به علت نحوه ی تشریح مکان و زمان ، از پایه با نظریات نیوتون متفاوت بوده است.
از نظر نیوتون ، زمان به طور یکنواخت در تمام جهان ، می تپید. یک ساعت در روی کره زمین با همان آهنگی پیش میرفت که یک ساعت در روی کره ماه ، پیش میرفت. اما معادلات ماکسول پیش بینی میکردند که در شرایط خاصی ، ساعتها ممکن است کندتر بشوند.
دانشمندان متوجه این موضوع نشدند که طبق نظریه ی ماکسول ، یک ساعت که با یک فضاپیما در حرکت است ، از ساعتی که در در روی زمین قرار دارد ، کندتر جلو میرود. در ابتدا این موضوع کاملا بی معنی به نظر می آمد.
یکنواختی گذشت زمان ، یکی از پایه های دستگاه نیوتونی بود. با وجود این ، معادلات ماکسول ، به این انحراف عجیب زمان منتهی میشدند.
در طول یک نیم قرن ، دانشمندان متوجه این پیش بینی عجیب معادلات ماکسول نشدن. بالا خره در سال ۱۹۰۵ ، یک فیزیکدان ، این اختلال عمیق مکان و زمان را که از معادلات ماکسول ناشی می شود ، درک کرد. این فیزیکدان آلبرت اینشتین بود و نظریه ای که به وجود آورد ، نظریه ی نسبیت خاص نامگذاری شد که مسیر تاریخ بشر را تغییر داد.
نویسنده: میکیو کاکو و جنیفر تامسون(دانشمندان رشته فیزیک نظری در عصر حاضر)
تایید شده توسط: دانشگاه آکسفورد
مترجم: دکتر رضا خزانه