لماذا يسير الضوء في خطوط مستقيمة

سبب انتقال الضوء في خطوط مستقيمة

تتنقل أشعة الضوء وتسير في الفراغ من نقطة إلى نقطة أخرى على شكل خطوط مستقيمة كما هو معروف، ما لم يتعرض الضوء لِعوائق تؤدي إلى تغيير مساره، ويعود السبب في ذلك لطبيعة الضوء الموجية؛ إذ يعتبر الضوء عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية تتميز بخصائص الموجات، وبشكل عام يمكن للضوء أن يغير من مساره عن الخط المستقيم عندما يتعرض لعائق في طريقه، ليحصل عند ذلك ما يُعرف بظاهرة انحراف أو حيود الضوء، والتي تؤثر بشكل ضئيل على مساره.^[١]

تعريف الضوء

الضوء هو عبارة عن شعاع كهرومغناطيسي يمكن إدراكه بالعين البشرية، ويتراوح الطول الموجي للضوء المرئي ما بين 400 نانوميتر إلى 700 نانوميتر، وهو يسير في الفراغ بسرعة ثابتة مقدارها 300 ألف كيلومتر في الثانية الواحدة وتسمى هذه السرعة بسرعة الضوء، التي تعد أكبر سرعة في الكون، وهو المسؤول عن حاسة الإبصار؛ حيث تتمكن الكائنات الحية من الرؤية عند انتقال الأشعة الضوئية من الجسم إلى العين.^[٢]

تمتاز أشعة الضوء الكهرومغناطيسية بطبيعة مزدوجة، فالضوء يمتلك خصائص الموجات والجسيمات في آن واحد، وهذه الطبيعة المزدوجة للضوء تفسر خصائص وظواهر الضوء المتضادة.^[٣]

خصائص فوتونات الضوء

الفوتون هو الوحدة الأساسية المكونة للضوء، وهو يعد حزمة ضوئية من الطاقة الكهرومغناطيسية ومن أهم الخصائص التي يتسم بها الفوتون: ^[٤]

• فوتون الضوء له طبيعة مزدوجة فهو يعتبر جسيم وموجة في آن واحد.
• يسير بسرعة ثابتة تسمى سرعة الضوء.
• ليس له كتلة.
• يحمل طاقة وزخم مرتبط بالتردد وطول الموجة الكهرومغناطيسية.
• يمكن تدميره وإنشائه عند انبعاث وامتصاص الإشعاع.
• يمكن أن يكون له تفاعلات شبيهة بالجسيمات مع الإلكترونات والجسيمات الأخرى (كتفاعل التصادم).

الضوء والبصريات الهندسية

تعتبر البصريات الهندسية فرعاً من علم البصريات الذي يتعامل مع الضوء كشعاع فقط، إذ تعتبر أشعة الضوء وفقاً لهذا العلم عبارة عن خطوط هندسية تنشأ من مصدر الضوء وتتدفق على طول مسار الضوء باتجاه معين، ويرتبط مسار الضوء وفقها بمعامل الانكسار للوسط الذي ينتقل فيه (معامل الانكسار هو النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وفي ذلك الوسط).^[٥]

إذا كان معامل الانكسار ثابتاً فإن الأشعة هي خطوط مستقيمة، وهنا تغلب الطبيعة الشعاعية الخاصة بفوتونات الضوء ولا تسلك سلوك الموجات فتسير في خط مستقيم، أما في حال اختلاف معامل الانكسار فإن الضوء بسبب اختلاف الوسط الذي ينتقل فيه يواجه ما يعرف بظاهرة انكسار الضوء التي تنحرف فيها أشعة الضوء بشكل مفاجئ عن مسارها الأصلي.^[٦][٥]

ومن الجدير بالذكر هنا أن مسار الضوء لا ينحني ولا يتأثر بالمجال المغناطيسي لأن الضوء مكون من فوتونات غير مشحونة؛ بينما يؤثر المجال المغناطيسي فقط على الجسيمات المشحونة كالإلكترونات والبروتونات.^[٧]

ظاهرة انعكاس الضوء وظاهرة انكساره

هناك قانونان يحكمان طريقة تغيير الضوء لاتجاهه عند تفاعله مع المواد التي ينتقل فيها، وهما قانون الانعكاس المختص بالحالات التي يرتد فيها الضوء عن المادة، وقانون الانكسار المختص بالحالات التي يمر فيها الضوء عبر المادة،^[٥] وكما هو معلوم فإنّ الضوء يسير في الفراغ دائماَ في خطوط مستقيمة وفي اتجاه واحد، ولكن هناك بعض الظواهر الضوئية التي يغيّر فيها الضوء مساره واتجاهه، ومنها:^[٨]

• الانعكاس: وهي الظاهرة التي تصف تغيير أشعة الضوء لمسارها عند ارتطامها بسطح أملس كالمرآة، لترتد عنه على شكل خط مستقيم.
• الانكسار: يحصل انكسار الضوء عندما يعبر الضوء من وسط إلى وسط آخر كأن ينتقل من الهواء إلى الزجاج، فعند تغيّر الوسط فإن معامل الانكسار يتغير ويؤدي إلى انحراف مفاجئ في مسار الشعاع الضوئي.