جهان بسیار بزرگی در برابر ما قرار دارد و دانشمندان تنها میتوانند بخش بسیار کوچکی از آن را بهطور مستقیم بررسی کنند. بنابراین، بیشتر دانستههای ما از جهان از طریق نور و دیگر بخشهای طیف الکترومغناطیسی به دست میآید. طول موجهای نوری که از اجرام دوردست دریافت میکنیم، اطلاعات بسیار بیشتری از آنچه یک قرن پیش تصور میشد در اختیار ما قرار میدهند. اما نکته جالب این است که نوری که دریافت میکنیم میتواند از راههای دیگری نیز اطلاعات حمل کند؛ بهویژه از طریق قطبش.
برای مثال، سال گذشته گزارش کردیم که «دنبالهدار میانستارهای 3I/ATLAS قطبش منفی شدید نشان میدهد» و سه سال پیش نیز قطبش به دانشمندان کمک کرد شکل نوع جدیدی از ستارههای در حال انفجار را آشکار کنند. قطبش گاهی در پژوهشهای دیگر نیز اهمیت دارد، برای مثال در بررسی نحوه مسیریابی خفاشها، اما ستارهشناسان بیش از همه از آن استفاده میکنند.
بنابراین، قطبش نور و دیگر تابشهای الکترومغناطیسی چیست و چرا اهمیت دارد؟
نظریه کوانتومی به ما میگوید که نور هم ویژگیهای ذرهای دارد و هم ویژگیهای موجی. ماهیت موجی نور بیشتر شبیه یک موج عرضی است؛ مانند لرزش یک طناب یا موج روی سطح اقیانوس، نه یک موج فشاری مانند صدا. این بدان معناست که نور در جهتی عمود بر مسیر حرکت خود بالا و پایین میشود.
در یک موج آب، نوسان فقط میتواند در جهت بالا و پایین رخ دهد، اما موجی که در امتداد یک طناب حرکت میکند، گزینههای بسیار بیشتری دارد. اگر یک سر طناب را دوستتان بگیرد و شما سر دیگر آن را در دست داشته باشید، میتوانید با حرکت دادن دست خود، طناب را به سمت بالا و پایین، چپ و راست یا هر زاویهای بین این دو حرکت دهید. از این نظر، نور بیشتر شبیه طناب است تا آب.
هر فوتون مشخصی از نور را میتوان بهگونهای تصور کرد که هنگام نزدیک شدن به ابزارهایی که قرار است آن را دریافت کنند، به سمت بالا و پایین، چپ و راست یا در زاویهای دیگر ارتعاش میکند. توضیح علمیتر این است که هر فوتون دارای یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی است که همیشه نسبت به یکدیگر و همچنین نسبت به جهت حرکت، زاویه قائمه دارند. میدان الکتریکی میتواند در جهت عمودی و میدان مغناطیسی در جهت افقی قرار داشته باشد یا برعکس.
بیشتر نور موجود در جهان در ابتدا از فوتونهای غیرقطبیده یا ناهماهنگ تشکیل شده است؛ یعنی جهتهای ارتعاش آنها کاملاً تصادفی است. اگر ابزار اندازهگیری را به سمت خورشید بگیرید و فقط هر بار یک فوتون را دریافت کنید و جهت میدان الکتریکی هرکدام را اندازه بگیرید، فوتونها از هر جهت ممکن به دستگاه میرسند. از جهت یک فوتون نمیتوانستید پیشبینی کنید فوتون بعدی چه جهتی خواهد داشت.
اما زمانی که نور کاملاً قطبیده باشد، همه فوتونها به یک شکل ارتعاش میکنند؛ یعنی میدانهای الکتریکی و مغناطیسی یک فوتون در همان جهتی قرار دارند که فوتون بعدی قرار گرفته است.
البته طبیعت بهندرت با حالتهای کاملاً مطلق سروکار دارد، بنابراین نادر است که نور قطبیده طبیعی، هماهنگی ۱۰۰ درصدی میان فوتونها داشته باشد. در قطبش ضعیف، تنها یک گرایش قابل تشخیص وجود دارد که فوتونهای بیشتری در یک جهت خاص قرار گرفتهاند، اما تعداد آنها فقط کمی بیشتر از یک توزیع کاملاً تصادفی است.
این وضعیت در نوری که از دنبالهدارها بازتاب میشود، بسیار رایج است. برای مثال، 3I/ATLAS قطبش بسیار بیشتری از حد معمول نشان داد؛ یعنی نسبت بیشتری از فوتونها در یک جهت خاص قرار گرفته بودند و همین موضوع باعث هیجان برخی افراد شد که علاقه دارند خیلی سریع به نتیجهگیری برسند.
قطبش دایروی
تصور کردن نور دارای قطبش خطی، دستکم برای افرادی که قدرت تجسم ذهنی دارند، نسبتاً آسان است. اما قطبش دایروی چالشبرانگیزتر است.
قطبش دایروی زمانی رخ میدهد که میدانهای الکتریکی و مغناطیسی بهجای حفظ یک جهت ثابت، بهصورت دایرهای بچرخند. در نتیجه، فوتونهایی که در فاصله زمانی کمی از یکدیگر به ما میرسند، احتمالاً جهت میدان مشابهی دارند، اما این جهت بهطور مداوم تغییر میکند.
این چرخش میتواند در جهت عقربههای ساعت یا خلاف جهت عقربههای ساعت باشد که گاهی به آن قطبش راستگرد و چپگرد گفته میشود.
با کنار هم گذاشتن همه این موارد، گفته میشود نور به شش شکل قطبیده میشود: چهار قطبش خطی که بر اساس جهت میدان الکتریکی به سمت بالا، پایین، چپ یا راست تعریف میشوند و دو قطبش دایروی، یعنی چرخش در جهت عقربههای ساعت یا خلاف آن.
برخی حیوانات توانایی تشخیص نور قطبیده را دارند و بعضی از گونههای میگوی آخوندکی حتی میتوانند نور دارای قطبش دایروی را از قطبش خطی تشخیص دهند.
قطبش چگونه جهان را برای ما آشکار میکند؟
در آزمایشگاه، نور قطبیده با تاباندن نور ناهماهنگ به فیلتری تولید میشود که فقط اجازه عبور فوتونهایی را میدهد که میدان مغناطیسی آنها در محدوده خاصی از جهتها قرار دارد. از این روش میتوان برای شناسایی مواد معدنی و اندازهگیری فشار و تنش در مواد مهندسی استفاده کرد.
برخی حیوانات نیز از قطبش برای برقراری ارتباط استفاده میکنند. برای مثال، وقتی نور از فلسهای بدن آنها بازتاب میشود، دستکم تا حدی قطبیده میشود. تنها تعداد محدودی از حیوانات دیگر، که اغلب جفتهای احتمالی یا رقبای همگونه آنها هستند، میتوانند این ویژگی را تشخیص دهند.
نور اجرام نجومی نیز میتواند قطبیده باشد؛ چه به دلیل فرایندی که در خود منبع نور رخ میدهد و چه به دلیل وجود یک فیلتر طبیعی بین آن منبع و زمین. بنابراین، شناسایی قطبش و اندازهگیری شدت آن میتواند ستارهشناسان را از وجود پدیدههایی آگاه کند که احتمالاً از راههای دیگر قابل شناسایی نیستند.
برای مثال، هنگامی که نور از منطقهای غنی از غبار عبور میکند، بخشی از آن مسدود میشود. این اثر در طول موجهای مرئی بیشتر از نور فروسرخ است که یکی از مزیتهای بزرگ تلسکوپ فضایی جیمز وب محسوب میشود. اگر غبار در یک میدان مغناطیسی قرار داشته باشد، ذرات آن در راستای میدان مغناطیسی مرتب میشوند. این وضعیت باعث میشود برخی فوتونها بیشتر از سایر فوتونها مسدود شوند و نور عبوری قطبیده شود.
ما میدانیم که کهکشان دارای میدان مغناطیسی است و میتوانیم با اندازهگیری میزان قطبیده شدن نور، بسته به بخشهایی از کهکشان که نور برای رسیدن به ما از آنها عبور کرده است، این میدان را نقشهبرداری کنیم.
همچنین میتوانیم فاصله برخی منابع نوری را که در شرایط دیگر اندازهگیری آنها دشوار است، از طریق اندازهگیری میزان قطبیده شدن نور تخمین بزنیم. هرچه منبع نور، دستکم در داخل کهکشان، دورتر باشد، نور آن از غبار مغناطیسی بیشتری عبور کرده و در نتیجه قطبش بیشتری پیدا میکند.
برخی ستارگان و بهویژه مگنتارها دارای میدانهای مغناطیسی بسیار قدرتمندی هستند که پیش از رسیدن تابش به فضای میانستارهای، آن را قطبیده میکنند. اگر این میدان در حال چرخش باشد، تابش حاصل بهصورت دایروی قطبیده خواهد شد.
برای مثال، تپاخترها نور بسیار قطبیدهای منتشر میکنند. قطبش شدید مشاهدهشده در تمام گذراهای رادیویی با دوره طولانی، به ستارهشناسان نشان داد که منبع این سیگنالهای مرموز، هرچه که باشد، باید با میدانهای مغناطیسی قدرتمندی همراه باشد.
بدون اینکه بتوانیم در فضا حضور داشته باشیم و یک قطبنما را به اطراف حرکت دهیم، قطبش نور، امواج رادیویی یا دیگر بخشهای طیف الکترومغناطیسی گاهی تنها راهی است که از طریق آن میتوانیم بفهمیم یک میدان مغناطیسی در اعماق فضا وجود دارد.
گاهی قطبش میتواند اطلاعات بسیار جزئیتری نیز در اختیار ما قرار دهد. برای مثال، اگرچه سیگنالهای تپاخترها بهطور مکرر تکرار میشوند، هیچگاه کاملاً یکسان نیستند؛ برخلاف تشبیه رایجی که آنها را به پرتو چرخان نور یک فانوس دریایی تشبیه میکند. ما نهتنها تغییراتی در شدت سیگنالها مشاهده میکنیم، بلکه میزان قطبش آنها نیز از یک قله سیگنال تا قله دیگر تغییر میکند.
