تعريف سرعة الضوء
تعرّف سرعة الضوء (بالإنجليزية: speed of light) بأنها السرعة التي تنتشر فيها الموجات الضوئية في المواد المختلفة، وتعتبر سرعة الضوء من الثوابت الفيزيائية المهمة، ويرمز لسرعة الضوء في الفراغ بالرمز (c)، وهي تساوي 3×10^8 م/ث، حيث تكون سرعة الضوء ثابتة دائمًا بغض النظر عن الطريقة التي يتم قياسها بها، أو كيفية قياسها، كما أنها لا تتأثر بثبات أو حركة مصدر الضوء، وإنما تحافظ على قيمتها الثابتة دائمًا.[١]
سرعة الضوء وتجارب قياسها عبر التاريخ
كانت سرعة الضوء من المواضيع التي أُعير لها اهتماماً منذ القدم، وذلك لربط الناس الضوء بالبصريات، حيث كان يُعتقد بأن الضوء ينتشر بسرعة غير محدودة (فورًا) في فترة ما قبل القرن السابع عشر، ودُعم هذا الافتراض من خلال ملاحظة عدم تأخر موضع ظل الأرض على القمر أثناء خسوف القمر، ثم انتقل تفكير الناس إلى أن سرعة الضوء محدودة لكنها كبيرة جداً، إذ إنه لا يمكن قياسها بالطرق التقليدية، ومن أهم تجارب قياس سرعة الضوء عبر التاريخ ما يأتي:[٢]
تجربة غاليلو
يعد عالم الفلك غاليلو غاليلي (Galileo Galilei) أول من جرب قياس سرعة الضوء، حيث شك في صحة فرضية أن سرعة الضوء لا محدودة، وفكر في عمل تجربة لقياس سرعة الضوء من خلال تغطية وكشف الفوانيس التي يفصل بينها ميلٌ واحد (1.61 كم)، حيث استعان بمساعدين يحمل كل واحدٍ منهما فانوسٌ مضيء ومغطى، ثم طلب من المساعد الأول رفع الغطاء عن الفانوس، وعلى المساعد الثاني أن يرفع غطائه عن فانوسه بمجرد رؤيته لضوء الفانوس الأول، كإشارة منه، لكن هذه التجربة فشلت لأن سرعة الضوء عالية جداً ولم يتمكن من حسابها.[٢]
تجربة أوول رومر
أول تجربة ناجحة لقياس سرعة الضوء أجراها عالم الفلك الدنماركي أوول رومر (Olaus Roemer) في عام 1676م، وذلك بالاعتماد على هندسة الأرض والشمس والمشتري، إذ لاحظ الفرق في الزمن بين الحسابات المتوقعة والوقت الفعلي لخسوف أقمار المشتري، حيث كان موعد الخسوف الفعلي متأخرًا قليلًا عن الموعد المحسوب، وذلك بسبب المسافة الكبيرة التي يحتاجها الضوء للانتقال من المشتري إلى الأرض، ومن هذه التجربة حسب رومر سرعة الضوء، وكانت تعادل 214000 كم/ثانية، حيث كانت هذه القيمة تقريبية لأن المسافات بين الكواكب لم تكن محسوبة بشكلٍ دقيق.[٣]
تجربة جيمس برادلي
في عام 1728م، قدم جيمس برادلي تقديرًا آخر لقيمة سرعة الضوء من خلال ملاحظة الانحراف النجمي، وهو الإزاحة الظاهرة للنجوم بسبب حركة الأرض حول الشمس، وبعد دراسته لهذا الموضوع قدر قيمة سرعة الضوء بحوالي 301000 كم/ثانية.[٣]
كيفية حساب سرعة الضوء رياضيًا
فيما يأتي العلاقة التي تربط بين سرعة الضوء، والطول الموجي، والتردد:[٤]
سرعة الضوء= الطول الموجي × التردد
c=λf
حيث إن:
c: سرعة الضوء في الفراغ، وتساوي 3×10^8 م/ث.
λ: الطول الموجي للضوء، ويقاس بوحدة المتر، أو الأنغستروم.
f: تردد الضوء، ويقاس بوحدة الهيرتز، الهيرتز=1/ث.
من هذه المعادلة يتبين أن أي تغير في الطول الموجي للضوء (λ) سيتبعه تغير في التردد (f) حتى تبقى المعادلة متساوية، وذلك لأن سرعة الضوء ثابتة دائمًا، فعند زيادة الطول الموجي يقل التردد حتى تبقى العلاقة صحيحة، وتحقق سرعة الضوء، والتي تساوي 3×10^8 م/ث.[٤]
أمثلة ومسائل محلولة على سرعة الضوء
فيما يأتي بعض الأمثلة التي توضح كيفية استخدام قانون سرعة الضوء:
احسب تردد شعاع ضوئي طوله الموجي يساوي 6430 أنغستروم:[٤]
تحويل قيمة λ من أنغستروم إلى متر، وذلك بضرب القيمة بـ 10-^10:
λ= 6430×10^-10
بالتعويض في قانون سرعة الضوء:
c=λf
f= c/λ
f= 3×10^8/ 430×10^-10
هيرتز f=4.67 ×10^14
إذا ازداد الطول الموجي للضوء بمعدل 10 مرات، كيف يتغير تردده؟[٤]
نظرًا لأن سرعة الضوء (c) ثابتة، فإن تغير جزء واحد من الصيغة، يغير الجزء الآخر، حسب العلاقة c = λf، ولذلك عند تغير الطول الموجي (λ) وزيادته بمقدار 10 مرات، يجب أن يصبح التردد (f) أصغر بمقدار 10 مرات.
وتصبح العلاقة رياضيًا على النحو الآتي:
c = (10 x λ) x (1/10) f
سرعة الضوء في الأوساط المختلفة
السؤال الآن، هل سرعة الضوء ثابتة في جميع الأوساط؟ والإجابة على هذا السؤال هي لا، فسرعة الضوء في الفراغ ثابتة ولا شيء يسافر أسرع من الضوء في الفراغ، وعليه فإن سرعة الضوء في المواد المختلفة ستكون أقل من سرعته في الفراغ، حيث إن الضوء عندما ينتقل عبر الأوساط يتشتت بسبب جزيئات المادة ويتباطأ، ويتم وصف تباطؤ الضوء في مادة معينة بواسطة معامل الانكسار (Index of Refraction)، ويعرف معامل الانكسار للمادة (n): بأنه سرعة الضوء في الفراغ (c) مقسوماً على سرعة الضوء في الوسط (v)، كالآتي:[٥]
معامل الانكسار= سرعة الضوء في الفراغ/سرعة الضوء في الوسط
n=c/v
من الملاحظ أنه لا يوجد وحدة قياس لمعامل الانكسار، لأنه عبارة عن نسبة بين سرعتين، ويعتبر معامل الانكسار من الخصائص المميزة للمادة، ويشار إلى أن معامل انكسار الهواء يختلف عن معامل انكسار الفراغ بمقدارٍ ضئيلٍ جدًا، فعلى الرغم من تباطؤ الضوء عند عبوره في المادة، إلا أنه لا يزال يسافر بسرعةٍ كبيرةٍ جداً، حتى عند انتقاله داخل مواد كثيفة مثل الرصاص.[٥]
ما هي سرعة الضوء في الماء، علمًا بأن معامل انكسار الضوء في الماء يساوي 1.33؟[٦]
سرعة الضوء في الماء= سرعة الضوء في الفراغ/معامل الانكسار
v=c/n
v=3×10^8/1.33
م/ث v=2.25 ×10^8
المراجع
- ↑ "speed of light", britannica, 3/2/2009, Retrieved 11/7/2021. Edited.
- ^ أ ب Philip Gibbs (1/7/1997), "How is the speed of light measured? ", THE UNIVERSITY OF CALIFORNIA, Retrieved 5/7/2021. Edited.
- ^ أ ب "Speed of Light", spie, Retrieved 5/7/2021. Edited.
- ^ أ ب ت ث "Formula - Light", University of Northern Iowa, Retrieved 5/7/2021. Edited.
- ^ أ ب "The Speed of Light and the Index of Refraction", Rensselaer Polytechnic Institute, Retrieved 5/7/2021. Edited.
- ↑ "The Law of Refraction", libretexts, Retrieved 11/7/2021. Edited.
