فیبر نوری را در خانه بسازید

تا حالا چند بار به دوستی که از قاره‌ای دیگر به شما تلفن کرده، گفته‌اید چقدر صدایت نزدیک است؟ این سرعت انتقال به خاطر چیزی است که به آن فیبر نوری می‌گویند. اسمش کمی عجیب و غریب است؛ انگار مال دانشمندها و از ما بهتران باشد اما به راحتی می‌توانید آن را ببینید و بفهمید و این دانش را به سادگی به بچه‌ها هم انتقال دهید. امیدوارم خیلی سریع‌تر از ما حرکت کنند؛ درست مثل فیبر نوری!

فیبر نوری چی هست؟
فیبر نوری، محیطی است که از طریق آن می‌توان اطلاعات و داده‌ها را با سرعت خیلی زیادی انتقال داد و از این خاصیت استثنایی‌اش در شبکه‌های تلفن، کامپیوتر و اینترنت استفاده کرد. هر فیبر نوری، رشته‌ای از تارهای شیشه‌ای است که هرکدام از آن تارها هم باریک‌تر از موی انسان است. این تارها با شکل خاصی کنار هم قرار گرفته‌اند و می‌توانند اطلاعات را با سیگنال‌های نوری در مسافت‌های خیلی طولانی انتقال دهند.

عملکرد یک قهرمان
با چیزهایی که گفتیم، می‌شود گفت که فیبر نوری در زمینه انتقال داده، قهرمان است. کشور ما هم در زمینه این فناوری یکی از پیشتازهاست. همین الان میلیون‌ها کیلومتر فیبر نوری باعث می‌شوند که به خاله‌تان زنگ بزنید، در چند ثانیه با کشورهای خارجی تماس بگیرید یا حتی شاید این مقاله را در سایت اینترنتی همشهری بخوانید. اما رمز کار این قهرمان چیست؟ برای یاد گرفتن‌اش بهتر است همین حالا بروید و آزمایش را انجام بدهید و بعد برگردید تا درباره فیزیک این ماجرا بیشتر بخوانید.

چه خبر است؟
خب، برای شروع بهتر است یک کمی عقب‌تر برویم و با یک آزمایش ساده دیگر شروع کنیم. یک ظرف شفاف را پر از آب کنید و آن را روی لبه یک میز یا کابینت بگذارید. توی ظرف یک قاشق بیندازید. حالا از بالا به آن نگاه کنید. طبیعتا می‌بینید که قاشق ته ظرف است. حالا خم شوید و از پایین به ظرف نگاه کنید...
به نظر می‌رسد که قاشق روی آب است! شما می‌دانید که ممکن نیست قاشق آنجا باشد. پس این بازتاب تصویر قاشق است که روی سطح آب افتاده؛ در حقیقت آب مثل یک آینه عمل کرده است.

آب آینه‌ای
این اتفاق وقتی روی می‌دهد که نور با زاویه‌ای کوچک به سطح آب برخورد کند. در قسمت‌های قبلی علم در خانه، یاد گرفتیم که نور در عبور از یک محیط به محیط دیگر تغییر سرعت می‌دهد و  در اثر این تغییر سرعت مسیرش را خم می‌کند یا به اصطلاح می‌شکند.

وقتی نور از محیطی که در آن کند است - مثل آب- به محیطی که در آن سریع است - مثل هوا - می‌رود، به سمت سطح آب منحرف می‌شود. اگر نور با زاویه‌ای از سطح آب خارج شود، به سمت سطح آب خم می‌شود و مقدار خیلی کمی از نور هم به درون آب بازتاب می‌کند.

هرچقدر زاویه بیرون آمدن نور کوچک‌تر شود، مقدار تغییر زاویه بیشتر می‌شود و نور بیشتر و بیشتر به سطح آب نزدیک می‌شود. در یک نقطه خاص، نور خم شده درست به سطح آب می‌رسد و وارد آن می‌شود. برای اینکه نور بتواند بشکند، باید توی هوا باشد و این ممکن نیست! برای همین نور چاره‌ای ندارد جز اینکه بازتاب کند؛ به این پدیده بازتاب کلی می‌گوییم.

لوله‌ای پر از نور
پس نور می‌تواند از روی آب در زاویه‌های خاص کوچک بازتاب کند. معنی این حرف این است که اگر به درون لوله‌ای از جنس آب نور بتابانید، هر بار که نور به دیواره این لوله برسد و بخواهد از آن بیرون برود، بازتاب کلی می‌کند و به درون لوله برمی‌گردد. در آزمایش این شماره ما هم دقیقا این اتفاق می‌افتد تا اینکه شما مسیر نور را با دست‌تان سد می‌کنید و لکه نور را می‌بینید.
 
فیبر آبی یا ...؟
اینها چه ربطی به فیبر نوری داشت؟ آها! طبیعتا نمی‌شود لوله‌ای از آب ساخت. به جایش با کشیدن شیشه مذاب خیلی خالص، از آن تارهای بسیار باریک و انعطاف پذیری می‌سازند که درست همین خاصیت نوری آب را دارند؛ یعنی اگر به یک سرشان نور بتابانید، نورش آن طرف ظاهر می‌شود. اگر این تارها را به شکل خوب و مهندسی ساز بسازند، می‌توانند نور را تا فواصل دور ببرند و با روشن و خاموش‌کردن نور می‌توان مثل کدهای تلگرافی مورس، اطلاعات رد و بدل کرد.

امروزه این تارها را از پلیمرها می‌سازند که گرچه مثل شیشه نیستند اما سبک‌تر، نرم‌تر و البته ارزان‌تر هستند و به کمک آنها الان تمام دنیا در کلافی از تارهای فیبر نوری پیچیده شده است. راستی دیدید پیچیده نبود؟

فیبرنوری یا آبی؟ 

چی لازم دارم؟

1. یک بطری پلاستیکی نوشابه
2. یک چراغ قوه
3. وسیله‌ای برای سوراخ کردن
4. مقداری آب

چه کار کنم؟

1. یک سوراخ کوچک حدودا 5 میلی متری در دیواره بطری - نزدیک به انتهای آن- ایجاد کنید. بهترین وسیله برای انجام این کار، دریل است.
2. دست‌تان را روی سوراخ بگذارید و بطری را پر از آب کنید.
3. با چراغ قوه درست از پشت سوراخ به آن نور بتابانید.
4. دست‌تان را از روی سوراخ بردارید و در مسیر آب به سمت پایین ببرید. چه می‌بینید؟

چه اتفاقی می‌افتد؟
اگر همه چیز را درست انجام داده باشید، وقتی دست‌تان را در مسیر آب حرکت می‌دهید، یک لکه نور کف آن خواهید دید. ولی این خیلی عجیب است! مگر قبلا نمی‌گفتیم که نور در مسیر مستقیم حرکت می‌کند؟ این رشته نور انگار که کاملا خم شده است! اگر آب به آهستگی بیرون بیاید، این پدیده را حتی بهتر هم می‌بینید. برای فهمیدن اینکه چه اتفاقی افتاده است، حتما مقاله را بخوانید.

اگر از این آزمایش خوشتان آمده و دلتان می‌خواهد کارهای بیشتری با آن انجام دهید، می‌توانید از مقداری ژلاتین یا ژله بی‌رنگ استفاده کنید.  آن را در آب داغ حل کنید و در ظرف صافی تا عمق یک سانتی‌متر بریزید.
وقتی ژلاتین خودش را گرفت، با چاقوی تیزی آن را به صورت رشته‌های بلند ببرید. این رشته‌های شفاف هم می‌توانند نقش فیبر نوری را بازی کنند. آنها را به شکل‌های مختلف تا کنید و به یک سرش نور بتابانید تا نور را در سر دیگر ببینید. یک کنجکاوی دیگر! بعضی از شکل‌هایی که می‌سازید، نور را انتقال نمی‌دهند. اگر گفتید چرا؟