نور با سرعتی باور نکردنی حرکت می‌کند، اما چه چیزی در نور است که این‌گونه حرکت می‌کند؟ لازم نیست برای پاسخ به این سؤال تلاش کنید. قرن‌ها معمای نور، ذهن‌های بزرگ را متحیر و سردرگم کرده است؛ اما در ۱۵۰ سال گذشته برخی از معماهای نور را حل کرده‌ایم و کم‌وبیش در مورد نور می‌دانیم. از نور به شکل‌های جدید و خارق‌العاده‌ای استفاده می‌کنیم. همین موضوع یکی از دلایلی بود که سازمان ملل سال ۲۰۱۵ را سال جهانی نور اعلام کرد.

راه‌های زیادی برای تعریف کردن نور وجود دارد؛ اما یک تعریف ساده می‌تواند این باشد: نور شکلی از تابش است. همه می‌دانیم که دریافت زیاد نور خورشید می‌تواند موجب سرطان پوست شود. همچنین می‌دانیم که در معرض تابش بودن، خطر ابتلا به برخی از سرطان‌ها را افزایش می‌دهد. پس آن‌قدرها هم سخت نیست که نور و تابش را در کنار یکدیگر قرار دهیم.

اما تابش شکل‌های مختلفی دارد و تا اواخر قرن ۱۹ طول کشید تا دانشمندان ماهیت آن را کشف کنند. نکته عجیب اینجا است که این کشف از مطالعه نور به دست نیامد؛ بلکه از دهه‌ها مطالعه بر روی طبیعت الکتریسیته و مغناطیس به دست آمد.

به نظر می‌رسد الکتریسیته و مغناطیس کاملا با‌ هم فرق دارند؛ اما دانشمندانی مثل هانس کریستین اورستد (Hans Christian Orsted) و مایکل فارادی (Michael Faraday) ثابت کردند این دو به هم مرتبط هستند.

اورستد دریافت جریان الکتریکی عبوری از درون یک سیم می‌تواند عقربه قطب‌نما را منحرف کند. در همین بین فارادی کشف کرد حرکت یک آهنربا از نزدیک یک سیم، می‌تواند جریان الکتریکی در آن تولید کند.

ریاضی‌دانان آن زمان سعی کردند با استفاده از مشاهدات، برای این پدیده عجیب که الکترومغناطیس نام داشت، نظریه‌ای خلق کنند؛ اما تا زمان جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell) این موضوع محقق نشد.

ماکسول سهم عظیمی در علم دارد. آلبرت اینشتین که از ماکسول الهام می‌گرفت، گفته است ماکسول دنیا را برای همیشه تغییر داد. همچنین در میان بسیاری از موارد دیگر، محاسبات او به تعریف نور نیز کمک کرد.

ماکسول نشان داد میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به‌صورت موج منتشر می‌شوند و با سرعت نور حرکت می‌کنند. همین موضوع به ماکسول اجازه داد پیش‌بینی کند، نور به وسیله امواج الکترومغناطیسی حمل می‌شود؛ یعنی نور شکلی از تابش الکترومغناطیسی است.

در اواخر دهه ۱۸۸۰ میلادی و چند سال بعد از مرگ ماکسول، فیزیک‌دان آلمانی هانریش هرتز (Heinrich Hertz) اولین کسی بود که به‌طور رسمی ثابت کرد مفاهیم نظریه ماکسول در مورد امواج الکترومغناطیسی صحیح است. گراهام هال از دانشگاه ابردین (دانشگاهی که ماکسول در اواخر دهه ۱۸۵۰ در آن کار می‌کرد) انگلستان می‌گوید:

من متقاعد شده‌ام که اگر جایزه نوبل در زمان ماکسول و هرتز بود، حتما از آن سهم می‌بردند. ماکسول در تاریخ علم نور جایگاه دیگری نیز دارد که بیشتر جنبه کاربردی دارد. در سال ۱۸۶۱، وی با استفاده از یک سیستم فیلتر سه رنگی، اولین عکس رنگی پایدار را آشکار کرد. این سیستم هنوز هم اساس بسیاری از عکاسی‌های رنگی است.

هنوز هم ممکن است ایده تابش الکترومغناطیسی بودن نور مبهم باشد؛ اما یک تعریف دیگر کمک می‌کند تا همه بفهمیم: نور، طیفی از رنگ‌ها است.

این تعریف به کار‌های آیزاک نیوتن برمی‌گردد. ما‌ می‌توانیم این طیف رنگ‌ها را در شکوه یک رنگین کمان ببینیم و همه این رنگ‌ها به طور مستقیم با مفاهیم امواج الکترومغناطیسی ماکسول مرتبط هستند.

نور قرمز در لبه رنگین‌کمان، تابش الکترومغناطیسی با طول موج ۶۲۰ تا ۷۵۰ نانومتر است و نور بنفش در لبه مقابل، تابشی با طول موج ۳۸۰ تا ۴۵۰ نانومتر است.

اما تابش الکترومغناطیسی، بیش از رنگ‌هایی است که می‌بینیم. نور با طول موج کمی بیشتر از نور قرمز را فروسرخ می‌نامند و نور با طول موج کمی کمتر از بنفش را فرا‌بنفش می‌نامند.

الفتریوس گولیلماکیس (Eleftherios Goulielmakis) از موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک می‌گوید:

بیشتر حیوانات و تنها تعدادی از انسان‌ها می‌توانند نور فرابنفش را ببینند؛ در شرایطی خاص انسان نیز قادر به دیدن نور فروسرخ است. پس بی‌دلیل نیست که مردم معمولا فرابنفش و فروسرخ را به عنوان شکلی از از نور نمی‌دانند.

طول موج‌های کمتر از ۱۰۰ نانومتر (فراتر از فرابنفش) را اشعه‌های ایکس و گاما می‌نامند. اگر فراتر از فروسرخ بروید، طول موج‌ها از یک سانتی‌متر تا هزاران کیلومتر ادامه می‌یابد که این امواج الکترومغناطیسی، نامِ آشنای امواج مایکروویو و رادیویی را به خود می‌گیرند. ممکن است عجیب به نظر برسد؛ ولی امواج رادیویی که برای پخش برنامه‌های رادیو به کار می‌روند، در واقع نور هستند.

گولیلماکیس می‌گوید:

از نقطه نظر فیزیک، هیچ تفاوت فیزیکی بین نور مرئی و امواج رادیویی وجود ندارد. شما هر دو را با یک نوع معادله و ریاضی توصیف می‌کنید.

در واقع این تنها عادت شما در حرف زدن روزانه است که باعث می‌شود بین آن‌ها تفاوت قائل می‌شوید.

پس یک تعریف دیگر نیز برای نور وجود دارد که تنها بازه محدودی از امواج الکترومغناطیسی را در برمی‌گیرد، بازه‌ای که ما می‌توانیم ببینیم.

شواهد بیشتری نیز وجود دارد که نشان می‌دهد مفهوم نور ذهنی است. به همان رنگین‌کمان فکر کنید؛ بیشتر مردم یاد گرفته‌اند که طیف نور از هفت رنگ قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش تشکیل شده است و حتی برای حفظ این رنگ‌ها شعر و کلماتی را هم برای خود ساخته‌اند. حال به یک رنگین‌کمان نگاه کنید. احتمالا می‌توانید خود را متقاعد کنید که هفت رنگ در آن دیده می‌شود.

اگر چه خود نیوتن هم تقلای بسیاری کرد تا آن‌ها را ببیند. در واقع محققان به این موضوع مشکوک هستند که چون عدد هفت در گذشته بسیار مهم بود، نیوتن نیز رنگین‌کمان را تنها به هفت رنگ تقسیم کرده است.

کار‌های ماکسول روی الکترومغناطیس، نشان داد نور مرئی بخشی از یک طیف تابشی بزرگتر است و در نهایت ماهیت نور را توضیح داد. برای قرن‌ها دانشمندان تلاش کردند تا نحوه انتشار نور، از منبع تا چشم ناظر را توضیح دهند.

برخی فکر می‌کردند نور به صورت امواج و لرزه، درون هوا یا یک شبه ابر به نام «اتر» حرکت می‌کند. دیگران فکر می‌کردند این مدل موجی نادرست است و عقیده داشتند نور جریانی از ذرات کوچک است. نیوتن نیز بعد از یکسری آزمایش‌ها با نور و آینه، نظریه دوم را پذیرفت.

او متوجه شد نور از قوانین هندسی بسیار دقیقی پیروی می‌کند. تابش یک اشعه نور به آینه و بازتاب آن، دقیقا مثل این است که یک توپ را به سمت آینه پرتاب کرده باشید. وی استدلال می‌کرد امواج لزوما در چنین مسیر‌های مستقیم قابل پیش‌بینی حرکت نمی‌کنند؛ بنابراین نور باید به وسیله ذرات کوچک و بدون جرم حمل شود. اما مشکل آنجا بود که شواهد متقاعدکننده دیگری نیز وجود داشت که نشان می‌داد، نور یک موج است. یکی از مهم‌ترین نمود‌های این شواهد در سال ۱۸۰۱ پیش آمد. آزمایش دوشکافی توماس یانگ؛ از جمله آزمایش‌هایی است که هر کسی می‌تواند در خانه خود انجام دهد.

یک ورقه مقوا بردارید و با دقت دو شکاف باریک عمودی در آن درست کنید. سپس از یک چشمه نور «همدوس» استفاده کنید که تنها نورِ با طول موج خاصی را ایجاد می‌کند، برای این کار یک لیزر مناسب است. حال نور را به درون دوشکافی بتابانید و به طرح صفحه پشت آن دقت کنید. ممکن است انتظار داشته باشید در صفحه پشت آن تنها دو خط عمودی روشن را ببینید که حاصل عبور نور از درون دوشکافی است. اما وقتی یانگ این آزمایش را انجام داد، زنجیره‌ای از خطوط روشن و تاریک شبیه بارکد دید.

وقتی نور از درون شکاف‌های باریک می‌گذرد، مثل عبور آب از درون یک سوراخ باریک رفتار می‌کند: امواج به شکل نوسانات نیم‌کره‌ای، پراشیده و پخش می‌شوند.

جایی که موجک‌های نور به صورت ناهمفاز به هم می‌رسند، یکدیگر را حذف می‌کنند و خط‌های تاریک شکل می‌گیرند و جاهایی که موجک‌ها به صورت همفاز با یکدیگر برخورد می‌کنند، با یکدیگر جمع می‌شوند و خط‌های افقی روشن ایجاد می‌کنند.

آزمایش یانگ، گواهی بر مدل موجی نور بود و کارهای ماکسول، این مدل را بر پایه ریاضیات محکمی قرار داد. نور یک موج است.

اما انقلاب کوانتومی از راه رسید.

در نیمه دوم قرن نوزدهم میلادی، فیزیک‌دانان در تلاش بودند بفهمند چرا برخی مواد، تابش الکترومغناطیسی را بهتر جذب و تابش می‌کنند.

در آن زمان توانایی مواد در تابش نور موضوع مهمی بود، چرا که صنعت نور الکتریکی در حال تکوین بود. در اواخر قرن نوزدهم دانشمندان کشف کردند تغییرات تابش الکترومغناطیسی گسیلی از یک جسم، به دمای آن بستگی دارد و آن‌ها این تغییرات را اندازه‌گیری کردند. اما هیچکس نمی‌دانست چرا این اتفاق می‌افتد.

در سال ۱۹۰۰ ماکس پلانک این مسئله را حل کرد. وی متوجه شد محاسبات، در صورتی می‌توانند این تغییرات را توضیح دهند که فرض کنیم تابش الکترومغناطیسی از بسته‌‌های گسسته کوچکی تشکیل شده باشد. پلانک این بسته‌های گسسته کوچک را کوانتا نامید که جمع کلمه کوانتوم است.

چند سال بعد اینشتین از این ایده استفاده کرد تا یک آزمایش متحیر کننده دیگر را توضیح دهد. فیزیک‌دانان متوجه شدند وقتی یک تکه فلز  را تحت تابش مرئی یا فرابنفش قرار دهیم، فلز باردار خواهد شد و بار آن مثبت خواهد بود که این پدیده را اثر فوتوالکتریک نامیدند. تفسیر این پدیده این گونه بود که اتم های درون فلز، الکترون از دست می‌دهند. ظاهرا نور، انرژی کافی برای جدا کردن این الکترون ها را به اتم وارد کرده بود.

اما جزئیات این رفتار الکترون عجیب بود؛ چرا که با تغییر رنگ نور تابشی به فلز، انرژی الکترون‌ها تغییر می‌کرد. به عبارت دیگر اگر نور فرابنفش به فلز تابیده می‌شد، الکترون‌های آزاد شده، انرژی بیشتری نسبت به حالتی که نور قرمز تابیده شده باشد، داشتند. اگر نور موج بود، این پدیده نامفهوم می‌شد.

معمولا انرژی یک موج با افزایش ارتفاع (دامنه) آن افزایش می‌یابد (مثل امواج سونامی که هرچه بلندتر باشند، مخرب‌تر هستند)، نه با درازتر و کوتاه‌تر کردن طول آن. این یعنی بهترین راه برای افزایش انرژی انتقالی از نور به الکترون‌ها ، افزایش دامنه نور (شدت نور) است. پس تغییر طول موج و رنگ نور نمی‌تواند تفاوتی ایجاد کند.

اینشتین متوجه شد درک اثر فوتوالکتریک با فرض کوانتای پلانک ساده‌تر است. وی پیشنهاد کرد که نور توسط بسته‌های کوانتومی کوچکی حمل می‌شود و هر بسته کوانتوم، انرژی گسسته‌ای دارد که به طول موج نور بستگی دارد. یعنی هرچه طول‌موج کوتاه‌تر باشد، انرژی این کوانتوم‌ها بیشتر است. پس مشخص است چرا نور بنفش انرژی بیشتری از نور قرمز دارد، زیرا طول‌موج بنفش کمتر از قرمز است. همچنین مشخص شد چرا با افزایش شدت، برخورد نور با اتم کمتر می‌شود. یک چشمه نور درخشان‌تر و شدیدتر، فقط تعداد بیشتری بسته نور به سمت فلز می‌فرستد؛ ولی تغییری در مقدار انرژی بسته‌های نور ایجاد نمی‌کند. اگر کمی ناشیانه صحبت کنیم می‌توانیم بگوییم، یک بسته نور بنفش در مقایسه با هر تعداد بسته نور قرمز، می‌تواند انرژی بیشتری به یک تک الکترون منتقل کند.

اینشتین این بسته‌های نور را فوتون نامید که امروزه آن را به عنوان ذره بنیادی می‌شناسیم. همه امواج الکترومغناطیسی، از نور مرئی گرفته تا اشعه ایکس و امواج رادیویی، همه توسط فوتون‌ها حمل می‌شوند، یعنی نور ذره است.

در این زمان فیزیک‌دانان تصمیم گرفتند تا بحث درباره‌ی رفتار ذره‌ای یا موجی نور را کنار بگذارند، چون هر دو مدل درست بودند و قابل ردکردن نبودند. از نظر فیزیک‌دانان نور در آن واحد به صورت ذره و موج رفتار می‌کند که ممکن است برای اکثر غیر فیزیک‌دان‌ها گیج کننده به نظر برسد. به عبارت دیگر نور یک پارادوکس است.