خصائص الضوء و كيفية قياس سرعته
خصائص الضوء و كيفية قياس سرعته
خصائص الضوء و كيفية قياس سرعته
خصائص الضوء و كيفية قياس سرعته
خصائص الضوء و كيفية قياس سرعته
خصائص الضوء و كيفية قياس سرعته
الضوء
قديماً، قبل القرن التاسع عشر، كان التفكير في الضوء على أنه سيل من الجسيمات التي إما تصدر من العين، او من الجسم الذي ننظر إليه. قاد فكرة أن الضوء عبارة عن جسيمات تنطلق من الأجسام التي نراها العالم إسحاق نيوتن، واستخدم هذه الفكرة لتفسير ظاهرتي الانعكاس والانكسار.[١]
بقي القبول لدى العلماء لفرض نيوتن سيد الموقف حتى عام 1678 حيث اقترح الفيزيائي والفلكي الهولندي كرستيان هويجنس (بالإنجليزية: Christian Huygens) أن الضوء عبارة ن نوع من الأمواج، وتمكنت النظرية الموجية لهوغينس من تفسير ظاهرتي الانعكاس والانكسار للضوء. وفي عام 1801 تمكن العالم ثوماس يونغ (بالإنجليزية: Thomas Young) من إثبات أن الضوء موجة، عن طريق جعل الضوء يتداخل، الأمر الذي سوف يؤدي إلى انخفاض شدة الضوء (أو اختفائه بالكامل)، أو زيادة شدة الضوء (أو تضاعف شدته) هاتين الظاهرتين يعرفان بالتداخل الهدام والتداخل البناء على الترتيب. ثم لحق ذلك نشر ماكسويل (بالإنجليزية: Maxwell) لعمله في الكهرباء والمغناطيسية في عام 1873 الذي دعم أيضاً النظرية الموجية للضوء.[١]
تمكنت النظرية الموجية للضوء من تفسير معظم الظواهر الضوئية، إلا أنها فشلت في تفسير بعض الظواهر مثل الظاهرة الكهروضوئية (بالإنجليزية: Photoelectric Effect)، الظاهرة التي نرى من خلالها إنطلاق إلكترون من سطح المعدن عند تسلييط ضوء عليه، وكان فشل النظرية الموجية للضوء يكمن في أن الطاقة الحركية لكل إلكترون لا تعتمد على شدة الضوء الساقط، وإنما على تردده، بينما يعتمد عدد الإلكترونات المنبعثة من سطح المعدن على شدة الضوء الساقط على هذا المعدن. تمكن العالم الشهير ألبرت آينشتاين (بالإنجليزية: Albert Einstein) من تفسير هذه الظاهرة في عام 1905 مستعيناً بمفهوم تكميم الطاقة الذي وضعه العالم ماكس بلانك، وكنتيجة لتفسيره لهذه الظاهرة حاز على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1921، إلا أنه تسلّمها في عام 1922م. وللإجابة عن ماهية الضوء، فيمكن القول إنّ الضوء يظهر سلوكاً موجياً في بعض الأحيان، وفي بعض الأحيان الأخرى يُظهر سلوكاً خاصاً بالأجسام.[١][٢]
تعريف الضوء
عادةً ما تستخدم كلمة “ضوء” للتعبير عن الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمثل جزءاً ضيقاً من كامل الطيف الكهرومفناطيسي. هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي هو الجزء الذي يمكن للعين البشرية أن تدركه وهو يتراوح ما بين الطول الموجي 700 نانومتر للضوء الأحمر والطول الموجي 400 نانومتر للضوء البنفسجي، وكل ما ينطبق على الطيف الكهرومغناطيسي من قوانين ينطبق أيضاً على هذا الجزء. وعلى الأرض تعتبر الشمس أكبر مصدر للطيف الكهرومغناطيسي كاملاً، فبهذا يمكننا أن نستغل ضوء الشمس في العديد من نشاطات حياتنا اليومية.[٣]
خصائص الضوء
خصائص الضوء جميعها تنتطبق على كامل الطيف الكهرومغناطيسي، سواء أكانت خصائص بصرية (مثل الانعكاس والانكسار والحيود والاستقطاب والإنتشاء وغيرها)،[٣] أو إذا كانت خصائص للأمواج، حيث إن الضوء هو عبارة عن موجة كهربائية وموجة مغناطيسية متراكبتين، لذلك فإنه يمتلك خصائص الموجات، بحيث أن الضوء يمتلك تردداً، والتردد هو عدد مرات تكرار الموجة لنفسها في وحدة الزمن، وهو يمتلك أيضاً طولاً موجياً، والطول الموجي هو المسافة بين قمتين متتاليتن أو قاعين متتاليين، بالإضافة إلى السعة، وسعة الموجة هي تعبير يدل على إرتفاع الموجة، أو بكلماتٍ علمية أكثر إزاحتها عن نقطة الإتزان (فمثلاً إرتفاع موجة التسونامي هو نفسه سعة موجة تسونامي).[٤]
يمكن تعريف انكسار الضوء على أنه تغير سرعة الضوء عند إنتقاله من وسط إلى آخر شريطة أن يكون الوسطين يمتلكان معاملي انكسار مختلفين بحيث أن سرعة الضوء سوف تقل لو إنتقل الضوء من وسط يمتلك معامل انكسار أقل إلى وسط يمتلك معامل انكسار أعلى، الأمر الذي سيؤدي إلى إقتراب شعاع الضوء من الخط الإفتراضي العامودي على السطحين، والعكس بالعكس.[٥] عندما يسقط الضوء على سطحٍ فاصلٍ بين وسطين مختلفين فإن جزءاً منه ينكسر، والجزء الآخر ينعكس، ويحدد مقدار الانكسار والانعكاس وفقاً لنوع المادة التي تشكل الوسط الثاني. يُعرف انعكاس الضوء على أنه شعاع الضوء المرتد عن السطح الفاصل بين وسطين لديهما معاملا انكسار مختلفين، وتكون الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والخط العامودي الوهمي على السطح مساوية للزاوية بين الخط نفسه والشعاع المنعكس (أي زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس).[٦]
وتُعرف عملية التشتت أيضاً من خلال حقيقة أنه لكل طول موجي (لكل لون) معامل انكسار خاص به، هذا الأمر الذي يؤدي إلى تحلل الضوء وظهور ألوان الطيف السبعة، أما عملية الاستقطاب فهي عملية تخفيف شدة الضوء من خلال السماح لمركبة موجة الضوء التي هي بزاوية مساوية للزاوية التي ضُبط المُستقطب عليها؛ حيث أن موجة الشوء القادمة من المصدر تكون تهتز في جميع الإتجاهات، لكن عند الاستقطاب فإن المُستقطب يسمح للموجة التي تهتز بزاوية محددة بالعبور بينما يعكس باقي الموجة، الأمر المهم جداً في العلوم، لكن يمكن القول بكلماتٍ بسيطة أنه يُخفف شدة الضوء.[٦]
كيفية قياس سرعة الضوء
على مر التاريخ كان يوجد العديد من المحاولات لقياس سرعة الضوء، وكأي شيءٍ آخر، من المنطقي التفكير بقانون السرعة تساوي المسافة مقسومةً على الزمن، لكن مع الضوء، الأمر ليس بهذه البساطة، فهو سريعٌ جداً، وفي ما يلي بعض المحاولات لقياس سرعة الضوء. منها محاولة جاليلو، ومحاولة رومر وغيرهم، لكن أفضل النتائج وأكثرها دقةً كانت تلك التي تمت عند قياس سرعة الضوء باستخدام الليزر والساعات الذرية فبعد عام 1970 تطوّر الليزر والساعات الذرية، الأمر الذي شجع على إعادة قياس سرعة الضوء بدقة أكبر، حيث إنه في عام 1973 قام العالم إيفانسون (بالإنجليزية: Evanson) وآخرون بقياس سرعة الضوء وحصلوا على قيمية دقيقة جداً وهي 299,792,457.4 م/ث، وكانت الخطأ في هذه القيمة ±1 م/ث.[٧][٨]
بعد ذلك كان لا بد من إعطاء سرعة الضوء قيمة ثابتة ومطلقة، ولهذا الغرض استعنا بالليزر والساعات الذرية عالية الدقة، بالإضافة لتعريفنا للمتر، حيث إن تعريفه المُطلق والمُتفق عليه دولياً هو أن المتر عبارة عن المسافة التي يقطعها الضوء في زمن مقداره 1/299,792,458 من الثانية، وبهذا يمكن القول إن سرعة الضوء (وبإجماع المجتمع العلمي الدولي) هي 299,792,458م/ث، وهذه السرعة ثابتة في الفراغ ولا تتغير أبداً ولا يوجد شيء يستطيع التحرك بسرعة أكبر من هذه السرعة في الفراغ (أي أنها أعلى سرعة على الإطلاق).[٧]
سرعة الضوء في الأوساط الأخرى
يمكن إيجاد سرعة الضوء في الأوساط الأخرى عن طريق قياسها، أو عن طريق الاستعانة بمعامل الانكسار، ومعامل الانكسار (هو تعبير عن مقدار انحراف الضوء عند انتقاله من وسط إلى آخر)، حيث إن:[٩]
معامل الانكسار = (سرعة الضوء في الفراغ)/(سرعة الضوء في الوسط)
ومن الواضح من العلاقة السابقة أن معامل الانكسار لن يمتلك قيمة أقل من 1 (القيمة 1 سوف تكون في حالة تحرك الضوء في الفراغ)، وهذا بسبب أن الضوء يصبح أبطأ في الأوساط . أيضاً يجدر الإشارة إلى أنه لا يوجد وحدة لمعامل الانكسار. ويمكن إيجاد سرعة الضوء في الأوساط الأخرى عن طريقة قياس سرعة الضوء كما فعلنا باستخدام الليزر ولكن بوضع المادة المراد قياس سرعة الضوء فيها في طريق الليزر.[٨]
السنة الضوئية
السنة الضوئية هي وحدة مسافة، ولكن لربما يبدو الأمر مُضللاً بعض الشي وذلك بسبب استخدامنا لكلمة “سنة” فيُظن أنها وحدة زمن. إن وحدة المسافة المعروفة بالسنة الضوئية تستخدم ضمن نطاق المجرة، وفي حال أردنا الحديث عن مسافات أكبر من المجرة فيمكن استخدام وحدة مسافة أخرى وهي الفرسخ الفلكي.[١٠]
السنة الضوئية الواحدة تساوي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة جوليانية واحدة في الفراغ، وفي هذا المقال قمنا بتعريف سرعة الضوء في الفراغ سابقاً، أما السنة الجوليانية فهي تساوي 365.25 يوم (هي نفس السنة الأرضية المستخدمة في التقويم الشمسي). وبكلماتٍ أبسط، إن السنة الضوئية الواحدة تساوي 9,460,730,472,580.8 كم، أو -تقريباً- 9.46×1015م.[١٠]
