ما هي سرعة الضوء ،وكيف تم قياسها ؟

يعد الضوء احد الأساسيات الكونية الهامة المسؤول عن حاسة الإبصار عند جميع الكائنات الحية ،كما يعد مصدر الحياة لجميع النباتات بسبب عملية البناء الضوئي.وبالرغم من أن الضوء شيئ ظاهراً ومرئى للعين المجردة في الكون الا أن البعض قد يتسائل هل هناك سرعة محددة للضوء،أم ينتشر الضوء لحظياً ؟ وإن كانت الإجابة بنعم حيث أن هناك بالفعل سرعة ثابتة للضوء،فما هي سرعة الضوء؟ وكيف تم قياسها.

مفهوم سرعة الضوء

تعتبر سرعة الضوء من الثوابت الأساسية للطبيعة،و هي أقصى سرعة يستطيع من خلالها الضوء أن يسافر الى مسافات بعيدة عبر الفراغ من لحظة انطلاقه،بما في ذلك الإشعاع الكهرومغناطيسي.وبموجب النسبية الخاصة قي الفيزياء الحديثة ،تعرف سرعة الضوء بالثابت الفيزيائي ( c) .وتعتبر سرعة الضوء هي أقصى سرعة تستطيع أن تسافر بها كل أشكال الطاقة، أو المادة، أو المعلومات في الفضاء.

القيمة الثابتة لسرعة الضوء

سرعة الضوء في الفراغ التي ينتشر بها الإشعاع هي ثابت فيزيائي هام في العديد من مجالات الفيزياء، يرمز له في العادة بالرمز c،وله قيمة محددة وفقًا للاتفاقية الدولية، وتساوي قيمته 299,792,458 متر لكل ثانية.وهو ما يعادل بعد التقريب لثلاثة أرقام معنوية 300,000 كيلومتر في الثانية أو حوالي مليار كيلومتر لكل ساعة.تستخدم سرعة الضوء حاليا لتعريف وحدة المتر باعتبارها ثابتا فيزيائيا ومعيارا دوليا لقياس الوقت.

التاريخ

كانت وجهة النظر السائدة عند جميع العلماء لعلم الفيزياء والبصريات منذ وقت قريب أن سرعة الضوء إما أن تكون أسرع من أن تُقاس أو لا نهائية ويمكن أن يسافر لأي مسافة على الفور.ومع ذالك تحدى العديد من العلماء منذ قرون في قياس سرعة الضوء.في عام 1676  أصبح عالم الفلك الدنماركي اولي رومر”Ole Roemer” أول شخص يثبت أن الضوء ينتقل بسرعة محدودة،عن طريق مقارنته لتوقيت الخسوف على اقمار المشترى والأرض ولاحظ فرق التوقيت بسبب المسافة والتي اثبت من خلالها ان للضوء سرعة محدودة.((Who determined the speed of light? – HISTORY))

كان الفيزيائي الإيطالي جاليليو جاليلي من بين أول من حاول قياس سرعة الضوء في أوائل القرن السابع عشر ،ولكنه لم ينجح.((The Speed of Light- Las Cumbres Observatory)) قدم العالم هيبوليت لويس فيزو “Fizeau” في عام 1848 شرحًا للتحول في الطول الموجي للضوء القادم من النجوم وأظهر كيف يمكن استخدامها لقياس السرعات النسبية للنجوم التي تقع في نفس خط الرؤية. وفي عام 1849 ، وجد فيزو أول قيمة دقيقة بشكل معقول لسرعة الضوء التي تم الحصول عليها في تجربة غير فلكية، حيث أرسل شعاعًا ضوئيًا بطول 17.3 كم ذهابًا وإيابًا.(( Fizeau publishes results of speed of light experiment-aps.org))

في القرون التالية ، عمل عدد من العلماء الآخرين على تحديد سرعة الضوء ، وباستخدام تقنيات محسنة ، توصلوا إلى حسابات دقيقة بشكل متزايد. حتى حددت لجنة دولية للأوزان والمقاييس في عام 1983 أن سرعة الضوء في الفراغ هي: 299،792،458 مترًا في الثانية (186،282 ميلًا في الثانية) .

كيف تم قياسها

• بواسطة اقمار المشترى: هذه الطريقة هي التي اعتمد عليها العالم أولي رومر ،من خلال مشاهدة المدة التي يستغرقها مدار أيو ( ثالث أكبر قمر لكوكب المشتري) المرور حول الكوكب،على مدى سنوات عديدة.ومن خلال دراسة الفاصل الزمني بين الكسوف المتتالي للقمر والذي أصبح أقصر بشكل مطرد،تمكن من حساب قيمة تقريبية ليست دقيقة لسرعة الضوء.
• العجلة المسننة الدوارة: هي عجلة بها مربعات صغيرة تخرج منها تشبه الأسنان.تقوم بإعداد العجلة بحيث تكون عمودية ومن ثم جعلها تدور.ثم يتم تسليط الضوء على احد جوانبها ،وتوجيهه الى مرأة بعيدة اخرى حتى يعود مرة اخرى الى الجانب الأخر من العجلة.يمكنك ضبط سرعة العجلة لتقارن بين سرعة الأنعكاسات في الضوء.((How to Measure the Speed of Light With Lanterns, Wheels, and Planets-wired.com))
• التقنيات الحديثة: بالطبع هذه الطرق السابقة بها الكثير من الأخطاء ولا يمكن أن تمكنك من قياس سرعة الضوء بدقة.لذالك بعد دراسة العديد من العلماء لخصائص الضوء واهتمامهم بقياس سرعته.تم تطوير العديد من الأجهزة والتقنيات تساعد في تحديد سرعة الضوء بدقة عالية،والتي تم الإعتماد عليها لفي تحديد القيمة الثابتة لسرعة الضوء الآن.

اختلاف السرعة للضوء

سرعة الضوء ليست ثابتة بإستمرار ،حيث تختلف سرعته في الفراغ عن سرعته في المواد الأخرى.يعتمد ذالك على كثافة المادة ،حيث يتنشر الضوء في المواد الشفافة مثل الزجاج والهواء بسرعة أكبر من انتشاره في الماء بسبب اختلاف الكثافة.كما تختلف سرعة الضوء خلال مروره في المواد حسب طبيعة شفافيتها حيث تصبح اقل من تلك المحسوبة في الفراغ .وتعرف النسبة بين (c) سرعة الضوء الأساسية وبين (v) سرعة الضوء في مادة ما بقرينة الانكسار (n ) لتلك المادة (n=c/v).

هل هناك ما هو اسرع من الضوء ؟

 يخبرنا أينشتاين من خلال النظرية النسبية أنه لا يوجد شيء يمكن أن يكون أسرع من سرعة الضوء .كما يمكننا تسريع جسيمات المادة بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء في الفراغ ، لكن لا يمكننا أبدًا الوصول إليها أو تجاوزها.((Can Some Objects Travel Faster Than Light?-thegreatcoursesdaily.com))

طبقاً لنظرية التمدد الكوني فأن الأجسام لا يمكنها التحرك عبر الفضاء أسرع من الضوء ، إلا أن الفضاء نفسه يمكن أن يتحرك أسرع من الضوء.

وبالفعل من المعروف أنه لا يوجد شيء أسرع من الضوء ولكن في السنوات الماضية تم إجراء عدة تجارب لاكتشاف ما هو أسرع من ذالك .وقد وجدوا أن الإلكترونات المتجاورة تدور في اتجاهات مخالفة أي أن إلكتروني المستوى الأول أحدهما يدور في إتجاه عقارب الساعة والآخر في عكس إتجاه عقارب الساعة ولو تم عكس اتجاه أحدهما فيتم عكس التالي مباشرة وفي نفس اللحظة حتى إن كان أحدهما على كوكب الأرض والآخر خارج المجرة.