ما هي سرعة الضوء؟

السرعة الضوئية ليست ثابتة، حيث يمكن تقليل سرعته حسب البيئة التي يسافر فيها، وإذا لم يكن هناك وسط (في الفراغ)، فإن السرعة تكون هي الأعلى، وعندما يمر الضوء عبر منطقة تحتوي على أي مادة (بما في ذلك الغبار)، فإنه ينكسر ويبطأ ويحدث هذا نتيجة الاصطدام بجزيئات هذه المواد، مما يؤدي إلى انخفاض السرعة.

للنشر

واتس اب شارك غرد شارك

جدول المحتويات

• سرعة الضوء
• كيفية قياس سرعة الضوء عبر التاريخ
• سرعة الضوء في الصوت
• السرعة الضوئية في الزجاج
• السرعة الضوئية في الماء

سرعة الضوء

• عادةً ما تُستخدم كلمة (ضوء) للإشارة إلى الضوء المرئي، وهو جزء ضيق من الطيف الكهرومغناطيسي، وهذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي هو النطاق المرئي للعين البشرية، ويتراوح طوله الموجي من 700 نانومتر إلى أطوال موجية.

• تم التعامل مع الطيف الكهرومغناطيسي أحيانًا عبر التاريخ، على أنه موجة وأحيانًا كجسيم، لكن الحقيقة، هي أنه ليس تيار متردد أو موجة، ويمثل سرعة كل شيء، فإن السرعة للضوء هي المسافة التي يقطعها الضوء في وقت معين، ويبلغ الضوء مسافة 299.792.457.4 مترًا في ثانية واحدة (في الفراغ)، أو حوالي ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية، إنها سرعة كبيرة جدًا، وهي أعظم سرعة في الطبيعة، ولا شيء يمكن أن يتحرك أسرع من السرعة الضوئية.

كيفية قياس سرعة الضوء عبر التاريخ

كانت هناك محاولات عديدة لقياس السرعة، لذلك كان من المنطقي اعتبار قانون السرعة مساويًا للمسافة مقسومة على الوقت، لكن المشكلة مع الضوء ليست بهذه البساطة، لأنه سريع جدًا، وهناك بعض المحاولات لقياس السرعة كالآتي:

محاولة جاليليو

• محاولة العالم جاليليو جاليلي كانت بالوقوف على جبلين على بعد 10 كم من مساعديه، وإعطاء كل منهما فانوسًا مغلقًا، وعندما يرى الفانوس الضوء من الفانوس الأول، ويكشف عن الوقت عند الفانوس الأول، والفانوس الثاني، فسيكون الوقت الذي يستغرقه الضوء في عبور المسافة بين الجبلين ومع ذلك، كان ذلك لحظيًا، ولم يتمكن من تسجيل الوقت، مما جعل جاليليو يدرك أنه من المستحيل قياس السرعة بهذه الطريقة.

طريقة رومر

• في عام 1675، كان عالم الفلك الدنماركي رومر أول من قام بقياس السرعة الضوئية باستخدام الملاحظات الفلكية لقمر المشتري (Io)، حيث يحتاج Io إلى 42.5 ساعة لإكمال دوران كامل حول كوكب المشتري، وكانت المحاولة ناجحة، حيث يحتاج المدار حول الشمس إلى اثنتي عشرة سنة أرضية، مما يعني أنه عندما تتحرك الأرض بزاوية 90 درجة، فإن كوكب المشتري يسافر بزاوية 7.5 درجة.

• ويجب أن يكون لديه دوران ثابت، والتغيير في الوقت المطلوب لإكمال هذه الدورة، يعني أن القمر إما يتباطأ أو يتسارع، وإذا كان يتباطأ فسوف يسقط على المشتري، وإذا كان يتسارع فسوف يهرب منه وهو سيكون خاليًا في الفضاء، ولكن لم يحدث أي من ذلك يعني فترة زمنية ثابتة.

• بعد عام جمع فيه القمر Io ملاحظات منتظمة، لاحظ رومر اختلافًا عن المتوسط في توقيت دورة Io، كما أظهرت الملاحظات أن الدورة تصبح أقصر مع اقتراب الأرض من كوكب المشتري، بينما تحتاج دورة Io إلى فترة أطول، عندما تكون الأرض بعيدة عن المشتري.

• مع ذلك، نظرًا لأن Io لديه دورة ثابتة، كان من المفترض أن يرى رومر خسوفًا للقمر كلما دخل منطقة ظل المشتري، (على سبيل المثال، عندما لا يصل ضوء الشمس لعكسه لأنه خلف المشتري، مما يعني أنه لن يكون هناك ضوء الشمس وغير ممكن الوصول إليه)

• نظرًا لأن الدورة ثابتة، كان يجب أن يكون قادرًا على التنبؤ بالكسوف التالي لـ Io، ولكن نظرًا لتأخر الخسوف، حيث تتحرك الأرض بعيدًا عن المشتري، وإذا أخذنا الوقت بين ملاحظتين للقمر، فلن يتمكن من فعل ذلك لأن الكسوف تأخر إذا كان الكسوف 3 أشهر، فإن وقت تأخير الكسوف سيكون 600 في الثانية.

• يرجع هذا التأخير إلى الاختلاف بين الأرض وIo في الملاحظة الأولى من الملاحظة الثانية كان قادرًا على تقدير السرعة الضوئية باستخدام ملاحظات رومر.

• وحقيقة أنه 2.3 × 108 م / ث، وهو أمر مهم للغاية، تثبت أن السرعة الضوئية محدودة (أي ليست لانهائية).

القياس باستخدام الليزر

• بعد عام 1970، تطور الليزر والساعات الذرية التي شجعت على إعادة محاولات قياس السرعة الضوئية بشكل أكثر دقة، وفي عام 1973 قام العالم إيفانسون وفريقه بقياس السرعة، وكانت دقيقة للغاية حتى 299،792،457.4 م، كانت قيمة / S. والخطأ عند هذه القيمة ± 1 م / ث هذا معدل خطأ صغير جدًا مقارنة بمعدل الخطأ في المحاولات السابقة لقياس السرعة الضوئية.

• بعد ذلك، كان لابد من إعطاء السرعة قيمة ثابتة ومطلقة، ولهذا الغرض تم استخدام الليزر والساعات الذرية عالية الدقة، بالإضافة إلى تعريفنا للعدادات، وفقًا لتعريفها المطلق والمقبول دوليًا، وكانت هي المسافة التي يقطعها متر من الضوء في وقت مثل 1 / 299،792،458 من الثانية وبالتالي، يمكن القول أن السرعة الضوئية (وبإجماع المجتمع العلمي الدولي) هي 299،792،458 م / ث، وهي ثابتة ولا تتغير أبدًا في الفراغ، ولا شيء يمكن أن يتحرك أسرع من تلك السرعة في فراغ (أي أعلى سرعة على الإطلاق).

سرعة الضوء في الصوت

• تختلف سرعة الصوت باختلاف الوسط الذي تنتقل فيه الموجات، كما أن عوامل الكثافة والحجم هي التي تحدد سرعة الصوت، وتكون سرعة الصوت في الأجسام الصلبة أكبر منها في السوائل وأكبر منها في الغازات، وذلك لأن الجزيئات في الغازات بعيدة عن بعضها البعض، ولكنها قريبة جدًا من بعضها في السوائل والمواد الصلبة، وتتأثر السرعة أيضًا بالحرارة والعلاقة بينهما إيجابية وعادية وجافة.

• عند درجة حرارة معتدلة (20 درجة مئوية 68 درجة فهرنهايت) تقدر السرعة بحوالي 343 مترًا في الثانية، أو 1224 كيلومترًا في الساعة.

• واكتشفت نظرية النسبية لأينشتاين، أنه لا توجد سرعة أكبر من الضوء، وهذه السرعة تحدد السرعة النظرية لتشغيل أجهزة الكمبيوتر، لأن المعلومات تنتقل داخل الكمبيوتر كتيارات كهربائية من شريحة إلى أخرى، وجميع الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل بنفس السرعة، لأن الضوء نفسه موجات كهرومغناطيسية.

السرعة الضوئية في الزجاج

• نعلم جميعًا أن الضوء ينحني عند مروره عبر الزجاج والماء والمواد الشفافة الأخرى وهذه هي الطريقة التي يعمل بها المجهر والمنارة، والنظارات، وقد تعلم أيضًا أن الضوء ينحني في الزجاج والماء، لأنه يتحرك أبطأ مما يتحرك في الهواء.

لكن لماذا يتباطأ الضوء؟ وكيف يتسارع مرة أخرى عندما تخرج من الجانب الآخر مع أن لا شيء يدفعه!

• إذا كنت تعتقد أن الضوء عبارة عن موجة، فمن السهل شرح ذلك، حيث تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية في الماء بشكل أبطأ من الهواء أي أن قمم الأمواج تتقارب، لكنها لا تزال تتأرجح بالتساوي كل ثانية، وبالتالي تظل بنفس اللون، وعندما يدخل الهواء مرة أخرى، يظل لونه كما هو، لكن تنتشر قمم الأمواج وتعود إلى السرعة الضوئية.

• والتفسير المبسط هو أن طاقة الموجة تتحدد بترددها أو لونها، وهذا لا يتغير، لذلك لا تحتاج إلى التدخل للتسريع مرة أخرى عندما تمر إلى الجانب الآخر، وهكذا يبدو أن الضوء ينتقل بنفس السرعة في جميع المجموعات المرجعية، ولكن ما زلنا لم نتحدث عن كيفية تباطؤ الضوء!"

• حسنًا، لنفكر في الضوء كجسيم الآن، فعندما يمر الضوء عبر الزجاج، فإنه يضرب اليسار واليمين، ويلتصق بجميع أنواع الجزيئات والإلكترونات، فعندما يتحرك، فإنه يتحرك بسرعة، لكنه لا يأخذ أقصر طريق يمكن أن يمر به من خلال الزجاج، حيث يتفاعل مع أشياء كثيرة في طريقه وينثرها إذا كانت الغرفة فارغة، فيمكنه المضي قدمًا مباشرة.

السرعة الضوئية في الماء

• معدل النقص في السرعة يعتمد على البيئة، وهذا المعدل يسمى معامل الانكسار للوسط، وقيمته أكبر من 1 في معظم الحالات هذا كما اكتشفه جان فوكو في عام 1850 م، على سبيل المثال، معامل انكسار الهواء هو 1.0003، وهو قريب جدًا من معامل الانكسار في فراغ يساوي 1 ومعامل انكسار الماء 1.33.

• حساب السرعة الضوئية يتم باستخدام قانون الماء أو أي وسيط (السرعة = ثابت السرعة / معامل الانكسار للوسط)، بحيث أن السرعة الضوئية في الماء = 299،792،458 / 1.33 = 225407863.16 ثانية.

• يؤدي الاختلاف في السرعة الضوئية في الماء والهواء إلى انكسار ضوء الشمس عند دخوله إلى سطح البحر، وبعد ذلك يتم امتصاصه وتناثره بواسطة الجزيئات الصلبة في الماء، كما يُمتص معظم طيف الضوء المرئي خلال العشرة أمتار الأولى من سطح البحر، ولا يمكن أن يصل الضوء إلى عمق 150 مترًا، حتى لو كانت المياه لا تحتوي على أي تلوث.