سرعة الضوء

لمعلومات عن aspects of light other than its speed, see specific topics: for example, for light from the sun، انظر Sunlight وSolar variation.
هنا، ضوء الليزر ينتقل بسرعة قدرها 99.97% من سرعة الضوء في الفراغ.[1]
اندماج ديوتريوم مع تريتيوم يخلق هليوم-4، محرراً نيوترون، ومطلقاً 17.59 MeV من الطاقة بتحويل كتلة طبقاً لقانون E=mc2.[2]

سرعة الضوء في الفراغ هو ثابت فيزيائي مهم يرمَز له بالحرف c للدلالة على الثبوت(Constant) أو الكلمة اللاتينية celeritas.

قيمة c الدقيقة هي 299,792,458 متر في الثانية (1,079,252,848.8 كيلومتر في الساعة). لاحظ أن هذه السرعة هي تعريف وليس قياس منذ أن تم توحيد الوحدات العالمية، تم تعريف المتر على أنه المسافة التي يقطعها الضوء في الفراغ خلال 1/299,792,458 من الثانية.

سرعة الضوء تتغير بحسب الوسط الذي يتحرك الضوء فيه. عند عبور الضوء خلال مواد شفافة مثل الزجاج أو الهواء تقل سرعته. النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعتة خلال مادة تسمى معامل الإنكسار Index Of Refraction. كذلك تتغير سرعة الضوء بتأثير الجاذبية ما يولد ظاهرة عدسات الجاذبية Gravitational Lensing.

إحدى نتائج قوانين الكهرومغناطيسية (مثل معادلات ماكسويل) هي أن c، سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية لا تتعلق بسرعة الجسم الذي يطلقها، أي أن سرعة الأمواج المنبعثة من جسم متحرك وجسم ساكن ستكون متساوية(مع أن اللون، ذبذبة وطاقة الضوئين ستختلف، هذا ما يسمى بتأثير دوپلر النسبي). إذا ما أضفنا إلى ذلك الاستنتاجات من النظرية النسبية يقودنا ذلك إلى أن جميع المتفرجين سوف يقيسوا سرعة الضوء بالفراغ متساوية باختلاف سرعتهم وسرعة الاجسام التي تطلق الضوء. هذا ما قاد يقودنا إلى رؤية c كقيمة كونية ثابتة واساساً للنظرية النسبية. من الجدير بالذكر ان القيمة c هي القيمة الكونية وليس سرعة الضوء، فاذا تم التلاعب بسرعة الضوء بطريقة أيٍ كانت لن تتأثر النظرية النسبية بذلك.

حسب التعريف الدارج الذي تم وضعه سنة 1983 سرعة الضوء هي بالضبط 299,792,458 متر في الثانية، تقريباً 3 × 10^8 متر في الثانية، أو 30 سنتيمتر في النانو ثانية.

التاريخ

يعود تاريخ أول محاولة لقياس سرعة الضوء إلى عهد العالم الإيطالي جاليليو Galileo. ففي مطلع عام 1600 استعان بأحد مساعديه وأوعز إليه أن يصعد إحدى هضبتين وصعد هو هضبة أخرى، قاس غاليليو المسافة بين الهضبتين وحاول أن يقيس الزمن الذي يستغرقه الضوء كي يقطع المسافة بينهما، ولأنه كان يفتقر إلى وسائل لقياس الزمن بدقة، كشفت تجربته أن الضوء ينتشر بسرعة لانهائية.

طريقة فيزو لقياس سرعة الضوء L1 وL2 وL3 وL4 ٍعدسات مقربة m مرآة ثابتة، E راصد، S منبع مضيء، T دولاب مسنن .


يعود الفضل إلى الفلكي الدنيماركي أولاوس رومر O.Römer عام 1676 في إجراء أول محاولة جادة لقياس سرعة الضوء. فقد لاحظ فرقاً بين لحظة خسوف أحد أقمار المشتري، حين تكون الأرض في وضعها القريب من الشمس، ولحظة خسوفه، حين تكون الأرض في الوضع البعيد عن الشمس. وباستخدامه المعلومات الفلكية الشائعة في حينه عن المسافة بين وضعي الأرض هذين توصل إلى أن سرعة الضوء محدودة وتساوي 286000 كيلو متر في الثانية. وفي العام 1850 استخدم العالم الفرنسي أرماند فيزو Armand Fizeau لقياس سرعة الضوء. فقد مرّر حزمة ضيقة من الضوء، من فتحة في دولاب مسنن دوَّار، فقطعت الحزمة مسافة طويلة حتى بلغت مرآة وارتدت منها إلى الدولاب المسنن. وإذا ضبطت سرعة دوران الدولاب المسنن والمرآة وسرعة دوران الدولاب التي تحقق ذلك توصل فيزو إلى أن سرعة الضوء هي:

c = 315 300 ±500 km/s

واستخدم العالم الفرنسي جان فوكو Jean Foucault مرايا دوّارة، لقياس سرعة الضوء، وتوصل إلى نتائج أكثر دقة، بسبب زيادة المسافة التي يقطعها الضوء إلى 92 كيلو متر وتوصل عام 1902 إلى أن:

c = 299 880 ±84 km/s

كما قاس فيزو وفوكو سرعة الضوء في الماء فوجدا أن سرعة الضوء في الماء أخفض من سرعته في الهواء خلافاً لما تتنبأ به النظرية الجسيمية التي تقدم بها اسحق نيوتن Issac Newton حول طبيعة الضوء وانتشاره والتي كانت ترى أن الضوء ينتشر بفضل جسيمات تنطلق من الجسم المنير، وتنتقل عبر وسط يسمى الأثير ether.

وقد بيّن جيمس كلارك ماكسويل J.C.Maxwell نظرياً أن الأمواج الكهرمغنطيسية تنتشر بسرعة تساوي سرعة الضوء، واستنتج أن الضوء ليس إلا جزءاً من طيف الأمواج الكهرمغنطيسية، وأن سرعة انتشاره ترتبط بسماحية الفضاء ε0 وبنفوذيته المغنطيسية μ0 بالعلاقة:

ارتباط سرعة الضوء بالأمواج الكهرومغناطيسية.


يلعب قياس سرعة الضوء دوراً مهماً في النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين Albert Einstein، إذ تقرر هذه النظرية أن سرعة الضوء في الخلاء هي أعلى سرعة في الطبيعة. كما تنص على أن هذه السرعة هي ذاتها بالنسبة لجميع المراقبين، بمعنى أن سرعة الضوء c ثابت مطلق. وهي تدخل في معادلة أينشتاين التي تنص على تكافؤ الكتلة والطاقة وهي:

E = mc2

يعتمد أحدث قياس لسرعة الضوء على طريقة ابتكرها العالم البريطاني لويس إيسن Louis Essen عام 1950. وفيها يتم قياس تواتر ضوء مرئي f حبيس في تجويف ليزري تتولد فيه أمواج مستقرة طولها lλ، إذ تعطى عندها سرعة الضوء c بالعلاقة:

c = f lλ

للقياس الدقيق لسرعة الضوء تطبيقات عدة منها: قائس المسافة الليزري laser range finder، قياس انزياح القارات، وإنجاز القياسات الفلكية بدقة اعتماداً على طريقة التثليث triangulation method دونما حاجة إلى ضلع كبير في المثلث[3]

التأثير العملي لسرعة الضوء المحدودة

بينما الضوء ينساب في التلسكوب، فإن حركات التلسكوب لتحقيق ميل تعتمد على سرعة الضوء. الزاوية الظاهرية لنجم φ تختلف عن الزاوية الحقيقية θ، وهي ظاهرة تسمى stellar aberration



فيزياء

سرعة الضوء بمختلف الوحدات
متر في الثانية 299,792,458 (بالضبط)
كيلومتر في الساعة 1,079,252,848.8 (بالضبط)
ميل في الساعة ≈ 670,616,629.4
ميل في الثانية ≈ 186,282.397
طول الوقت الذي يستغرقة الضوء في الانتقال مسافة ...
واحد قدم 1.0 نانو ثانية
واحد متر 3.3 نانو ثانية
واحد كيلومتر 3.3 ميكرو ثانية
واحد ميل 5.4 ميكرو ثانية
حول خط الإستواء الأرضي 0.13 ثانية
من الأرض إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض والعودة 0.24 ثانية
من الأرض إلى القمر 1.3 ثانية
من الأرض إلى الشمس 8.3 دقيقة
إلى الأرض من Alpha Centauri 4.4 سنة
بين طرفي درب التبانة 100,000 سنة


التأشير والوحدات: استخدام الرمز c

جمع السرعات القريبة من سرعة الضوء

{\mathbf u} = \frac{{\mathbf v}_1 + {\mathbf v}_2}{1 + ({\mathbf v}_1\cdot {\mathbf v}_2)/{c^2}} \,\!

حيث v1 and v2 are the velocities of the spaceships as measured by the third observer, and u is the measured velocity of either space ship as observed by the other. This reduces to u = v1 + v2 for sufficiently small values of v1 and v2 (such as those typically encountered in common daily experiences), as the term (v1·v2)/c2 approaches zero, reducing the denominator to 1.


تحويل دوپلر Doppler Shift

زمن الفضاء

المقالة الرئيسية: زمن الفضاء
Although at speeds small compared to c a runner in a train appears to a ground observer to travel at a speed that is the sum of the train and the runner speeds, a moving light source propagates light that travels the same speed whether observed from the train or from the ground. The light frequency changes, however.


السببية ونقل المعلومات

A light cone defines locations that are in causal contact and those that are not.


الضوء في وسط شفاف

The refractive index of a transparent material indicates how much slower light propagates in that medium than in a vacuum. This slowing causes refraction. Classically, when an electromagnetic wave meets the surface of a dielectric material at an angle, the leading edge is slowed while the trailing edge continues normally. This causes the wave to change direction, as demonstrated by this prism (in the case of a prism splitting white light into a spectrum of colours, the refraction is known as dispersion).

سرعة الضوء في علم الفلك

The relative sizes and separation of the Earth–Moon system are shown to scale above. The beam of light is depicted traveling between the Earth and the Moon in the same time it actually takes light to scale the real distance between them: 1.255 seconds at its mean orbital distance (surface to surface). The light beam helps provide the sense of scale of the Earth-Moon system relative to the Sun, which is 8.28 light-minutes away (photosphere to Earth surface).


المشاهدات والتجارب الأسرع من الضوء

المقالة الرئيسية: أسرع من الضوء
The blue glow in this "swimming pool" nuclear reactor is Čerenkov radiation, emitted as a result of electrons traveling faster than the speed of light in water.


سرعات الموجات والأحداث المتزامنة
ميكانيكا الكم


التاريخ القديم والوسيط والمطلع الحديث

حتى وقت قريب نسبياً، كانت سرعة الضوء إلى حد كبير محل تخمين. فقد أصر إمپدوقليس أن الضوء حركة، ولذلك فكان لزاماً أن يستغرق وقتاً في انتقاله. وعلى العكس من ذلك، دفع أرسطو بأن "الضوء هو بسبب وجود شيء ما، إلا أنه ليس حركة".[4]

اقترح إقليدس نظرية الإشعاع في الابصار، (والتي روج لها كذلك بطليموس) القائلة بأن الضوء ينبعث من العين، بدلاً من دخوله العين من مصدر آخر. وباستخدام هذه النظرية، طور هيرون السكندري مقولة أن سرعة الضوء هي حتماً غير محدودة، لأن الأجرام البعيدة كالنجوم تظهر فوراً بمجرد أن نفتح أعيننا.

في البداية وافق الفلاسفة المسلمون المبكرون على وجهة نظر أرسطو في أن سرعة الضوء غير محدودة. إلا أنه في عام 1021، نشر الفيزيائي العراقي، ابن الهيثم، كتاب البصريات، وفيه استخدم تجارب لدعم نظرية الولوج في الإبصار، حيث ينتقل الضوء من جرم إلى العين، مستخدماً آلات مثل كاميرا اوبسكيورا (صندوق مظلم).[5] الأمر الذي أدى بابن الهيثم لأن يقترح أن الضوء، لذلك، حتماً له سرعة محددة،[4][6][7] وأن سرعة الضوء تتغير، إذ تنقص في الأحسام الأكثر كثافة.[7][8] وقد جادل بأن الضوء هو “مادة محسوسة”، يتطلب انتشارها وقتاً "حتى لو كان مخفياً عن حواسنا".[9] وقد استمر هذا الجدل في اوروبا والعالم الإسلامي طوال العصور الوسطى.

في القرن الحادي عشر، وافق أبو الريحان البيروني على أن الضوء له سرعة محددة ولاحظ أن سرعة الضوء تكون أعلى من سرعة الصوت.[10] وفي عقد 1270، أخذ ويتلو في الاعتبار احتمال أن ينتقل الضوء بسرعة غير محدودة في الفراغ وأن يبطئ في الأجسام الكثيفة.[11] وفي تعليق على آية في ريگڤـِدا في القرن الرابع عشر، من الباحث الهندي سايانا[12] يمكن تفسيره على أنه تقدير لسرعة الضوء في اتفاق كبير مع السرعة الفعلية. وفي عام 1574، وافق الفلكي العثماني والفيزيائي تقي الدين بن معروف مع ابن الهيثم على أن سرعة الضوء ثابتة، ولكنها تتغير في الأجسام الأكثف، واقترح أن الضوء سيستغرق وقتاً طويلاً للوصول من النجوم التي تبعد ملايين الكيلومترات ليصل الأرض.[13]

في مطلع القرن السابع عشر، آمن يوهانس كپلر أن سرعة الضوء غير محدودة لأن الفراغ ليس فيه معوقات للضوء. وجادل فرانسيس بيكون أن سرعة الضوء لم تكن بالضرورة غير محدودة، إذ أن شيئاً يمكنه السفر بسرعة أعلى من أن ندركها. وقد جادل رينيه ديكارت بأنه لو كانت سرعة الضوء محدودة، فإن الشمس والأرض والقمر سيظهرون على غير خط واحد أثناء الخسوف القمري. ولما كنا لا نشاهد عدم الإتساق هذا ، فقد استنتج ديكارت أن سرعة الضوء غير محدودة. وقد خمن ديكارت بأنه لو وُجـِد أن سرعة الضوء محدودة، فإن ذلك سيقوض كل نظام فلسفته![4]

طالع أيضاً

المصادر

الهامش

  1. ^ Michael De Podesta (2002). Understanding the Properites of Matter. CRC Press. p. 131. ISBN 0415257883. 
  2. ^ J. Kenneth Shultis, Richard E. Faw (2002). Fundamentals of nuclear science and engineering. CRC Press. p. 151. ISBN 0824708342. 
  3. ^ سرعة الضوء, الموسوعة العربية
  4. ^ أ ب ت R.J. MacKay, R.W. Oldford (2000). "Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light". Statistical Science. 15 (3): 254–278. doi:10.1214/ss/1009212817. 
  5. ^ B. Steffens (2006). "Chapter Five – The Scholar of Cairo". Ibn al-Haytham: First Scientist. Morgan Reynolds. ISBN 1599350246. 
  6. ^ S. Hamarneh (1972). "Review: Hakim Mohammed Said, Ibn al-Haitham". Isis. 63 (1): 119. doi:10.1086/350861. 
  7. ^ أ ب P.M. Lester (2005). Visual Communication: Images With Messages. Thomson Wadsworth. pp. 10–11. ISBN 0534637205. 
  8. ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham", MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews .
  9. ^ P. Lauginie (2005). "Measuring: Why? How? What?" (PDF). Eighth International History, Philosophy, Sociology & Science Teaching Conference. Retrieved 2008-07-18. 
  10. ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Abu Arrayhan Muhammad ibn Ahmad al-Biruni", MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews .
  11. ^ P. Marshall (1981). "Nicole Oresme on the Nature, Reflection, and Speed of Light". Isis. 72 (3): 357–374 [367–74]. doi:10.1086/352787. 
  12. ^ Sayana-commentary on Rigveda 1.50, see: M. Müller (ed.) (1890), Rig-Veda-Samhita, together with the Commentary of Sayana, London: Oxford University Press 
  13. ^ H.G. Topdemir (1999), Takîyüddîn'in Optik Kitabi, Ankara: Ministry of Culture Press  (cf. H.G. Topdemir (2008), Taqi al-Din ibn Ma‘ruf and the Science of Optics: The Nature of Light and the Mechanism of Vision, FSTC, http://muslimheritage.com/topics/default.cfm?ArticleID=951, retrieved on 2007-07-04 )

مراجع تاريخية

</dl>

مراجع معاصرة

</dl>

وصلات خارجية

هناك كتاب ، Special Relativity، في معرفة الكتب.