مفهوم سرعة الضوء

مفهوم سرعة الضوء…افترض العلماء بأن سرعة الضوء هي أقصى حد للسرعة الكونية، بحيث لا يمكن لأي شيء أن يسافر بسرعة أكبر منها في الفراغ، كما افترضوا أيضًا أن سرعته ثابتة في الفراغ دومًا. أما النظرية النسبية الخاصة، التي وضعها ألبرت أينشتاين، فقد افترضت بأن المكان والزمان نسبيان، وأن سرعة الضوء هي الثابت الذي يربط بينهما.

نعلم جميعًا أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية تمتلك طول موجة محدد، لذا فإن الضوء الذي ينتقل عبر أي وسط آخر غير الفراغ، سوف يتشتت وتقل سرعته. من هنا نجح العلماء في وضع قانون لحساب سرعة الضوء بالإعتماد على الطول الموجي.

تعريف سرعة الضوء (c)

سرعة الضوء في الفيزياء هي ثابت فيزيائي يعبر عن السرعة التي يسافر فيها الضوء في الفراغ (حيز من الفضاء فارغ من المادة، ضغطه أقل بكثير من الضغط الجوي).

يرمز لها بالرمز (c) وتبلغ قيمته (299،792،458) مترًا في الثانية أي ما يقارب 300000 كم/ثا في الفراغ. وتعد معيارًا دوليًا لقياس الوقت، كما تستخدم لتعريف وحدة المتر باعتبارها ثابت فيزيائي.

قانون سرعة الضوء

يتم حساب سرعة الضوء بالإعتماد على طول الموجة باعتباره موجة كهرومغناطيسية، كما يمكن حساب سرعة مختلف أنواع الموجات الأخرى باستخدام قانون سرعة الضوء، سواء كانت أمواج راديوية أو أشعة سينية أو أشعة غاما … كالتالي:

c = λ* f

حيث:

c: سرعة الضوء في الفراغ، وتقدر بـ م/ثا.

λ: طول الموجة (المسافة بين قمتي موجتين متتاليتين)، وتقدر بـ م.

f: تردد الموجة، هو تكرار الموجة في واحدة الزمن، f= (1/T)، واحدته الـ هرتز.

مفهوم سرعة الضوء (c) في النسبية الخاصة

افترض أينشتاين، في نظريته النسبية الخاصة، أن للكون سرعة قصوى هي سرعة الضوء، وأن تجاوز هذه السرعة سوف يسبب انهيار القوانين التي تصف آلية عمل الكون.

وقد عرّفها أينشتاين، بأنها السرعة القصوى التي تسافر فيها جميع أشكال الطاقة أو المعلومات عبر الفضاء. أي أنها سرعة انتقال الجسيمات عديمة الكتلة، بما فيها الإشعاع الكهرومغناطيسي، مثل الضوء، عبر الفراغ.

في معادلة النسبية الشهيرة (E = m*c^2) تعمل هذه السرعة (c) كثابت تناسب، حيث تربط بين المفاهيم المتباينة للكتلة (m) والطاقة (E). وبشكل مبسط وضحت هذه المعادلة أن الطاقة الحركية لجسم متحرك تساوي حاصل ضرب كتلته في مربع سرعة الضوء، وذلك عندما يتم تحويل كتلته إلى طاقة، وبمعنى آخر فإن المادة والطاقة شيء واحد.

كيف قاس العلماء سرعة الضوء عبر التاريخ؟

جرب العلماء عدة طرق لقياس سرعة الضوء منذ القرن السابع عشر، بعضها كان بسيطًا وبعضها الآخر كان أكثر تعقيدًا، منها:

• استخدم غاليليو في القرن السابع عشر مصدر ساطع للضوء، حيث وقف هو ومساعده على تلتين متباعدتين، يحمل كل منهما فانوس بحيث يستطيع تغطيته وكشفه. وببساطة، طلب غاليليو من مساعده الكشف عن مصدر الضوء الذي يحمله وعندما رأى غاليليو الضوء فعل الشيء نفسه. ثم قام بحساب سرعة الضوء، بقياس الزمن الذي استغرقه لرؤية الضوء الذي كشفه مساعده وتقسيم هذا الزمن على المسافة بين نقطتي وقوفهما على التلتين والتي سبق وقاسها.
• تمكن العالم رومر (Olaus Roemer) لأول مرة في عام 1675 م من قياس سرعة الضوء من خلال دراسة الحركة الظاهرية لأقمار المشتري، حيث لاحظ أنه يمكن أن يكون الفرق بين الأوقات المتوقعة لخسوف أقمار المشتري والأوقات الفعلية التي لوحظت فيها بحدود 1000 ثانية، وقد حصل على قيمة تقريبية لـ (c) تعادل 214000 كم/ ثانية. هذا يرجع إلى طول الوقت المتفاوت الذي يستغرقه الضوء للانتقال من كوكب المشتري إلى الأرض حيث تختلف المسافة بين هذين الكوكبين.
• قدم العالم جيمس برادلي في عام 1728 م، تقريرًا عن الانحراف النجمي، وهو الإزاحة الظاهرة للنجوم بسبب تغير سرعة الأرض نتيجة دورانها حول الشمس. حيث استخدم انحراف الضوء ولاحظ أن الموقع الظاهري لنجم رصده في دراكو قد تغير على مدار العام. تتأثر جميع المواقع النجمية بالتساوي بهذه الطريقة. حيث قام برادلي بقياس هذه الزاوية لضوء النجوم، وبمعرفة سرعة دوران الأرض حول الشمس، وجد أن قيمة سرعة الضوء تبلغ 301000 كم/ثانية.
• استخدم العالم الفرنسي أرماند فيزو (Armand Fizeau) في عام 1849 م المرايا لحسابها، حيث وجه شعاع ضوئي منعكس من مرآة إلى عجلة مسننة دوارة تبعد عنه مسافة 8 كم، ثم عكسها مرة أخرى بمرآة تقع على مسافة بعيدة. وقد أعطى هذا قيمة لسرعة الضوء تعادل 315000 كم/ ثانية. وذلك بمعرفة المسافة بين العجلة والمرآة، وعدد الأسنان الموجودة على العجلة، ومعدل الدوران.

• قام لاحقًا العالم ليون فوكو بتحسين النتيجة التي حصل عليها أرماند فيزو بعد عام واحد وذلك باستبدال العجلة المسننة بالمرايا الدوارة. استخدم فوكو هذا الجهاز لقياس سرعة الضوء في الهواء مقابل الماء، وقد أعطت هذه المرايا قيمة أكثر دقة تبلغ تقريبًا 298000 كم/ ثانية. حيث أكدت تقنية ليون أن الضوء ينتقل في الماء أبطأ منه في الهواء.
• اقترح جيمس كلارك ماكسويل في ورقة بحثية نُشرت عام 1865 م أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية، وبالتالي تمكن من حساب (c) بشكل غير مباشر عن طريق قياس النفاذية المغناطيسية والسماحية الكهربائية للوسط الخالي.
• لاحقًا تم تنفيذ طريقة ماكسويل لأول مرة من قبل ويبر وكولراوش عام 1857 م، وفي عام 1907 م حصلت روزا ودورسي، بهذه الطريقة، على قيمة لسرعة الضوء تساوي 299،788 كم/ ثانية. حيث كانت القيمة الأكثر دقة في ذلك الوقت.
• بعد عام 1970 م أدى تطوير الليزv مع الاستقرار الطيفي العالي للغاية، واستخدام ساعات السيزيوم الدقيقة، إلى تحقيق قياسات أفضل عن طريق إرسال نبضات ضوء الليزر وقياس المدة التي تستغرقها للسفر، باستخدام ساعة السيزيوم. والفيديو التالي يوضح التفاصيل:

أهمية قياس سرعة الضوء

تعد هذه السرعة من الثوابت الأساسية في الطبيعة، فهي تشكل حجر الأساس لـ النظرية النسبية لأينشتاين، حيث اعتبرها الحد الأقصى لسرعة انتشار الجسيمات والإشارات في الفراغ، بالإضافة إلى أنها تساعد في:

• قياس المسافات بين الأجرام السماوية.
• قياس تغيرات سرعة الأجسام المتحركة.
• قياس تغيرات درجات حرارة المواد.
• قياس تغيرات أطوال الموجات.
• قياس تغيرات التردد.
• تحديد السرعة النظرية لإنتقال المعلومات داخل الحواسيب، باعتبار أن المعلومات تنتقل كتيارات كهربائية من رقاقة إلى أخرى.

قياس سرعة الضوء في الأوساط المختلفة

عند انتقال الضوء عبر مواد مختلفة يتشتت جزء منه، بسبب الجزيئات المكونة للمادة، وتتباطأ سرعته، ويعبّر عن مقدار هذا التباطؤ في السرعة بواسطة مؤشر الانكسار أو قرينة الإنكسار، ويرمز لها بالرمز (n). ويمكن حسابه كمايلي:

مؤشر الانكسار للمادة (n) = سرعة الضوء في الفراغ c / سرعة الضوء عبر الوسط v.

ويبيّن الجدول التالي معامل الانكسار لبعض المواد كالزجاج مثلًا، حيث قرينة الإنكسار له تساوي (1.5). ومعنى ذلك أن الضوء يمر عبر الزجاج بسرعة تساوي (c /1.5)=  v أي:

(300000/1.5)=  v

v = 200000(km/sec)

المادة	قرينة الإنكسار (n)
الماء	1.33
الزجاج	1.5
الهواء	1.0003
الملح	1.54
كحول الإيثيل	1.36
زجاج صوان ثقيل	1.65
الماس	2.42

أمثلة تدريبية على حساب سرعة الضوء

1 – حساب قيمة الطول الموجي

احسب الطول الموجي لإشعاع تردده (12)^10*4 = f هرتز، إذا علمت أن الضوء يسير بسرعة (c)

( 8^10)* 3 م/ثا.

الحل:

تعطى سرعة الضوء بالعلاقة التالية:

c = λ* f

λ= (c / f)

(12^10)* 3 /λ= 4*(10^8)

(4-)^10 * 1.33 =λ

0.000133m =

2 – حساب سرعة الضوء (c)

احسب سرعة الضوء (c) لشعاع طوله الموجي يساوي λ= 540*10^(-6) m، استغرق زمن قدره 3 دقائق ليصل من الشمس إلى سطح الأرض.

الحل:

c = λ* f

• نحسب التردد f ويساوي مقلوب الزمن T:

f = 1/T

• نحول الزمن من الدقيقة إلى الثانية:

T= 3*60 = 180 sec

1/180=   f

c = λ* f

c = 540*(10^-6) /180= 3 *10^(-6) m/sec

أسئلة شائعة عن سرعة الضوء

يوجد الكثير من الأسئلة التي يتم طرحها حول هذه السرعة، إليك الأجوبة عن بعضها:

1 – هل سرعة الضوء ثابتة في كل مكان؟

لا… فسرعة الضوء ثابتة فقط في الفراغ وتساوي (299،792،458) مترًا في الثانية، أما عند عبوره عبر الأوساط الشفافة مثل الهواء والماء والزجاج فإنها تتباطأ بنسبة تسمى معامل الإنكسار للوسط، وعادة ما تكون هذه النسبة أكبر من واحد. وقد اكتشف هذا من قبل جان فوكو في عام 1850.

2 – هل هناك ما هو أكبر من سرعة الضوء؟

لا … فقد أثبتت النظرية النسبية لأينشتاين أنه لا يوجد في الطبيعة ما هو أسرع من الضوء.

3 – من اكتشف سرعة الضوء؟

يعد البيروني أول من اكتشف أن سرعة الضوء محدودة وأنها أكبر بكثير من سرعة الصوت. إلا أن العالم رومر هو أول من حاول قياسها.

4 – لماذا لا نستطيع أن نصل إلى سرعة الضوء؟

بحسب نظرية النسبية الخاصة، تعد الكتلة هي السبب الرئيس لعدم قدرتنا للوصول إلى هذه السرعة (c)، فعندما تقترب سرعة الأجسام من (c) فإنها تتطلب المزيد من الطاقة لزيادة هذه السرعة، حيث تسبب الزيادة في الكتلة النسبية الناتجة عن زيادة السرعة ضعف في فعالية الطاقة المبذولة بهدف تسريع الجسم ليصل إلى سرعة الضوء، وبالتالي يصبح هذا الأمرغير ممكن.

بالنتيجة… لا يمكن لأي جسم أن يصل أبدًا إلى (c) ما لم يكن عديم الكتلة، لأنه سيحتاج إلى طاقة غير محدودة للقيام بذلك.

5 – ماذا يحدث إذا تم تجاوز سرعة الضوء؟

لا يمكن تجاوزهذه السرعة، لأننا سنحتاج إلى طاقة لا نهائية لتحقيق ذلك، حيث سيتوقف الزمن عندئذ وهذا غير ممكن. والفيديو التالي سيجيب على سؤالك:

6 – ما الفرق بين طرق قياس سرعة الضوء؟

تتضمن كل الطرق، التي استخدمها العلماء لقياس (c)، قياس الزمن أو المسافة التي يقطعها الضوء في وسط أو فراغ معين، ثم تطبيق الصيغة c = d / t، و d هي المسافة المقطوعة و t هي الزمن.

7 – ما العلاقة بين موجات الجاذبية وسرعة الضوء؟

عرّفت نظرية النسبية العامة موجات الجاذبية بأنها موجات عديمة الكتلة تنتج عن تشوه في الزمان والمكان (نسيج الزمكان) بسبب حركة الأجسام الضخمة، مثل الكواكب والنجوم والثقوب السوداء، حيث تحمل هذه الموجات الطاقة بعيدًا عن المصدر، وتنتشر في الفضاء الخارجي بسرعة يمكن أن تصل إلى (c)، أي يمكنها من الناحية النظرية الاقتراب منها، ولكن ليس أسرع.

 

 

 

فضلا لا أمرا إدعمنا بمتابعة 

https://t.me/eduschool40