سرعة الضوء
سرعة الضوء في الفراغ هوثابت فيزيائي مهم يرمَز له بالحرف c للدلالة على الثبوت(Constant) أوالحدثة اللاتينية celeritas.
قيمة c الدقيقة هي 299,792,458 متر في الثانية (1,079,252,848.8 كيلومتر في الساعة). لاحظ حتى هذه السرعة هي تعريف وليس قياس منذ حتى تم توحيد الوحدات العالمية، تم تعريف المتر على أنه المسافة التي يبترها الضوء في الفراغ خلال 1/299,792,458 من الثانية.
سرعة الضوء تتغير بحسب الوسط الذي يتحرك الضوء فيه. عند اجتياز الضوء خلال مواد شفافة مثل الزجاج أوالهواء 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 حتى c، سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية لا تتعلق بسرعة الجسم الذي يطلقها، أي حتى سرعة الأمواج المنبعثة من جسم متحرك وجسم ساكن ستكون متساوية(مع حتى اللون، ذبذبة وطاقة الضوئين ستختلف، هذا ما يسمى بتأثير دوپلر النسبي). إذا ما أضفنا إلى ذلك الاستنتاجات من النظرية النسبية يقودنا ذلك إلى حتى جميع المتفرجين يفترض أن 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 ثلاثة × 10^8 متر في الثانية، أو30 سنتيمتر في النانوثانية.
التاريخ
يعود تاريخ أول محاولة لقياس سرعة الضوء إلى عهد العالم الإيطالي جاليليوGalileo. ففي مطلع عام 1600 استعان بأحد مساعديه وأوعز إليه حتى يصعد إحدى هضبتين وصعد هوهضبة أخرى، قاس غاليليوالمسافة بين الهضبتين وحاول حتى يقيس الزمن الذي يستغرقه الضوء كي يبتر المسافة بينهما، ولأنه كان يفتقر إلى وسائل لقياس الزمن بدقة، كشفت تجربته حتى الضوء ينتشر بسرعة لانهائية.
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 حتى سرعة الضوء محدودة وتساوي 286000 كيلومتر في الثانية. وفي العام 1850 استخدم العالم الفرنسي أرماند فيزوArmand Fizeau لقياس سرعة الضوء. فقد مرّر حزمة ضيقة من الضوء، من فتحة في دولاب مسنن دوَّار، فبترت 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 فيزوإلى حتى سرعة الضوء هي:
c = 315 300 ±500 km/s
واستخدم العالم الفرنسي جان فوكوJean Foucault مرايا دوّارة، لقياس سرعة الضوء، وتوصل إلى نتائج أكثر دقة، بسبب زيادة المسافة التي يبترها الضوء إلى 92 كيلومتر وتوصل عام 1902 إلى أن:
c = 299 880 ±84 km/s
كما قاس فيزووفوكوسرعة الضوء في الماء فوجدا حتى 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 حتى الضوء ينتشر بفضل جسيمات تنطلق من الجسم المنير، وتنتقل عبر وسط يسمى الأثير ether.
وقد بيّن جيمس كلارك ماكسويل J.C.Maxwell نظرياً حتى الأمواج الكهرمغنطيسية تنتشر بسرعة تساوي سرعة الضوء، واستنتج حتى الضوء ليس إلا جزءاً من طيف الأمواج الكهرمغنطيسية، وأن سرعة انتشاره ترتبط بسماحية الفضاء ε0 وبنفوذيته المغنطيسية μ0 بالعلاقة:
يلعب قياس سرعة الضوء دوراً مهماً في النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين Albert Einstein، إذ تقرر هذه النظرية حتى سرعة الضوء في الخلاء هي أعلى سرعة في الطبيعة. كما تنص على حتى هذه السرعة هي ذاتها بالنسبة لجميع المراقبين، بمعنى حتى 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 كيفية التثليث triangulation method دونما حاجة إلى ضلع كبير في المثلث
التأثير العملي لسرعة الضوء المحدودة
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 الانتنطق مسافة ... | |
| واحد قدم | 1.0 نانوثانية |
| واحد متر | 3.3 نانوثانية |
| واحد كيلومتر | 3.3 ميكروثانية |
| واحد ميل | 5.4 ميكروثانية |
| 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
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
السببية ونقل المعلومات
الضوء في وسط شفاف
سرعة الضوء في فهم الفلك
المشاهدات والتجارب الأسرع من الضوء
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 حتى الضوء حركة، ولذلك فكان لزاماً حتى يستغرق وقتاً في انتنطقه. وعلى العكس من ذلك، دفع أرسطوبأن "الضوء هوبسبب وجود شيء ما، إلا أنه ليس حركة".
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 حتى سرعة الضوء هي حتماً غير محدودة، لأن الأجرام البعيدة كالنجوم تظهر فوراً بمجرد حتى نفتح أعيننا.
في البداية وافق الفلاسفة المسلمون المبكرون على وجهة نظر أرسطوفي حتى 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). الأمر الذي أدى بابن الهيثم لأن يقترح حتى الضوء، لذلك، حتماً له سرعة محددة، وأن سرعة الضوء تتغير، إذ تنقص في الأحسام الأكثر كثافة. وقد جادل بأن الضوء هو“مادة محسوسة”، يحتاج انتشارها وقتاً "حتى لوكان مخفياً عن حواسنا". وقد استمر هذا الجدل في اوروبا والعالم الإسلامي طوال العصور الوسطى.
في القرن الحادي عشر، وافق أبوالريحان البيروني على حتى الضوء له سرعة محددة ولاحظ حتى سرعة الضوء تكون أعلى من سرعة الصوت. وفي عقد 1270، أخذ ويتلوفي الاعتبار احتمال حتى ينتقل الضوء بسرعة غير محدودة في الفراغ وأن يبطئ في الأجسام الكثيفة. وفي تعليق على آية في ريگڤـِدا في القرن الرابع عشر، من الباحث الهندي سايانا يمكن تفسيره على أنه تقدير لسرعة الضوء في اتفاق كبير مع السرعة العملية. وفي عام 1574، وافق الفلكي العثماني والفيزيائي تقي الدين بن معروف مع ابن الهيثم على حتى سرعة الضوء ثابتة، ولكنها تتغير في الأجسام الأكثف، واقترح حتى الضوء سيستغرق وقتاً طويلاً للوصول من النجوم التي تبعد ملايين الكيلومترات ليصل الأرض.
في مطلع القرن السابع عشر، آمن يوهانس كپلر حتى سرعة الضوء غير محدودة لأن الفراغ ليس فيه معوقات للضوء. وجادل فرانسيس بيكون حتى سرعة الضوء لم تكن بالضرورة غير محدودة، إذ حتى شيئاً يمكنه السفر بسرعة أعلى من حتى ندركها. وقد جادل رينيه ديكارت بأنه لوكانت 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 حتى سرعة الضوء غير محدودة. وقد خمن ديكارت بأنه لووُجـِد حتى سرعة الضوء محدودة، فإن ذلك سيقوض جميع نظام فلسفته!
طالع أيضاً
|
|
المصادر
الهامش
- ^ Michael De Podesta (2002). . CRC Press. p. 131. ISBN .
- ^ J. Kenneth Shultis, Richard E. Faw (2002). . CRC Press. p. 151. ISBN .
- ^ سرعة الضوء, الموسوعة العربية
- ^ 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.
- ^ B. Steffens (2006). "Chapter Five – The Scholar of Cairo". . Morgan Reynolds. ISBN .
- ^ S. Hamarneh (1972). "Review: Hakim Mohammed Said, Ibn al-Haitham". Isis. 63 (1): 119. doi:10.1086/350861.
- ^ P.M. Lester (2005). Visual Communication: Images With Messages. Thomson Wadsworth. pp. 10–11. ISBN .
- ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham", MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews.
- ^ P. Lauginie (2005). "Measuring: Why? How? What?" (PDF). Eighth International History, Philosophy, Sociology & Science Teaching Conference. Retrieved 2008-07-18.
- ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Abu Arrayhan Muhammad ibn Ahmad al-Biruni", MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews.
- ^ P. Marshall (1981). "Nicole Oresme on the Nature, Reflection, and Speed of Light". Isis. 72 (3): 357–374 [367–74]. doi:10.1086/352787.
- ^ Sayana-commentary on Rigveda 1.50, see: M. Müller (ed.) (1890), Rig-Veda-Samhita, together with the Commentary of Sayana, London: Oxford University Press
- ^ 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
- Rømer, Ole (1676). "Démonstration touchant le mouvement de la lumière". Journal des sçavans: 223–236. (بالفرنسية). Translated as "A Demonstration concerning the Motion of Light". Philosophical Transactions of the Royal Society (136): 893–894. 1677.
- Halley, Edmund (1694). "Monsieur Cassini, his New and Exact Tables for the Eclipses of the First Satellite of Jupiter, reduced to the Julian Stile and Meridian of London". Philosophical Transactions of the Royal Society. 18 (214): 237–256.
- Fizeau, H. L. (1849). "Sur une expérience relative à la vitesse de propagation de la lumière". 29: 90–92, 132. (بالفرنسية)
- Foucault, J. L. (1862). "Détermination expérimentale de la vitesse de la lumière: parallaxe du Soleil". 55: 501–503, 792–796.
- Michelson, A. A. (1878). "Experimental Determination of the Velocity of Light". 27: 71–77.
- Newcomb, Simon (1886), "The Velocity of Light", Nature: 29–32
- Perrotin, Joseph (1900), "Sur la vitesse de la lumière", C. R. Acad. Sci. Paris 131: 731–734 (بالفرنسية)
- Michelson, A. A.; Pease, F. G.; Pearson, F. (1935), "Measurement Of The Velocity Of Light In A Partial Vacuum", Astrophys. J. 82: 26–61, doi:
مراجع معاصرة
- Brillouin, Léon (1960), Wave propagation and group velocity, Academic Press
- Jackson, John David (1975), Classical electrodynamics (2nd ed.), John Wiley & Sons, ISBN 0-471-30932-X
- MacKay, R. J.; Oldford, R. W. (2000), "Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light", Statistical Science 15 (3): 254–278, doi:, http://www.stats.uwaterloo.ca/~rwoldfor/papers/sci-method/paperrev
- Keiser, Gerd (2000), Optical Fiber Communications (3rd ed.), McGraw-Hill, p. 32, ISBN 0072321016
- Y Jack Ng (2004). "Quantum Foam and Quantum Gravity Phenomenology". In Giovanni Amelino-Camelia & Jerzy Kowalski-Glikman (editors) (ed.). . Springer. pp. 321ff. ISBN .CS1 maint: extra text: editors list (link)
وصلات خارجية
- Speed of light in vacuum (at NIST)
- Definition of the metre (BIPM)
- Data Gallery: Michelson Speed of Light (Univariate Location Estimation) (download data gathered by A.A. Michelson)
- Subluminal (Java applet demonstrating group velocity information limits)
- De Mora Luminis at MathPages
- Light discussion on adding velocities
- Speed of Light (University of Colorado Department of Physics)
- How is the speed of light measured?
- The Fizeau "Rapidly Rotating Toothed Wheel" Method
