سرعة الضوء معلومات و حقائق و أسرار

بواسطة :
سرعة الضوء معلومات و حقائق و أسرار

٢ سرعة الضوء معلومات :

سرعة الضوء في الفراغ هي ثابت فيزيائي هام في العديد من مجالات الفيزياء، يرمز له في العادة بالرمز c وتساوي قيمته 299,792,458 متر لكل ثانية. تستخدم سرعة الضوء حاليا لتعريف وحدة المتر باعتبارها ثابتا فيزيائيا ومعيارا دوليا لقياس الوقت. 1  وهو ما يعادل بعد التقريب لثلاثة أرقام معنوية 300,000 كيلومتر في الثانية أو حوالي مليار كيلومتر لكل ساعة.

بموجب النسبية الخاصة، سرعة الضوء (أو الثابت c) هي أقصى سرعة تستطيع أن تسافر بها كل أشكال الطاقة،أو المادة، أو المعلومات في الفضاء. وهي سرعة سفر الجسيمات عديمة الكتلة ومجالاتها المتلازمة (بما في ذلك الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الضوء) عبر الفراغ. وهي أيضا سرعة الجاذبية (الخاصة بأمواج الجاذبية) التي تنبأت بها النظريات الحالية. وتسافر تلك الجسيمات والأمواج بالسرعة c أيا كانت سرعة المصدر والإطار المرجعي العطالي للمراقب. في نظرية النسبية، الثابت c يرابط بين المكان والزمان، ويظهر أيضا في المعادلة الشهيرة لتكافؤ المادة والطاقة E = mc2. 2

ينتشر الضوء في المواد الشفافة مثل الزجاج والهواء بسرعة أقل من c. تدعى النسبة بين c وبين سرعة الضوء في مادة ما v بقرينة الانكسار n لتلك المادة (n=c/v). مثال، تساوي عادة قرينة انكسار الضوء المرئي عند مروره عبر الزجاج حوالي 1,5، معنى ذلك أن الضوء يسير في الزجاج بسرعة v = c/1,5 ≈ 200,000 km/s، وللهواء تساوي قرينة الانكسار 1,0003، وبالتالي تقل سرعة الضوء المرئي في الهواء بحوالي 90 كم/ث عن c.

يظهر انتشار الضوء وغيره من الموجات الكهرومغناطيسية في كثير من الأصداء العملية بشكل آني (أو لحظي)، ولكن للمسافات الطويلة والقياسات الحساسة جدا، فإن السرعات المحدودة لتلك الموجات تكون لها تأثيرات ملحوظة. الاتصال بمسابير الفضاء البعيدة، على سبيل المثال، يمكن أن يستغرق دقائق لساعات وذلك لإيصال رسالة من الأرض إلى المركبة الفضائية، أو العكس. كما أن الضوء الذي يصلنا من النجوم يكون قد رحل عنها منذ سنوات عديدة (آلاف السنين الضوئية)، فالذي يصلنا هو صورة تلك النجوم في زمن سحيق وهو ما يسمح بدراسة تاريخ الكون من خلال النظر في مكوناته البعيدة. كما أن سرعة الضوء المحدود تضع حداً للسرعة القصوى النظرية لأجهزة الحاسب الآلي، حيث تنتقل المعلومات داخل الحاسوب من رقاقة لأخرى. وبما أن سرعة الضوء ثابتة في الأوساط المختلفة يمكن استخدامها مع زمن الطيران لقياس مسافات كبيرة بدقة عالية.

من المعروف أنه لا يوجد شيء أسرع من الضوء ولكن في السنوات الماضية تم إجراء عدة تجارب لاكتشاف ما هو أسرع وقد وجدوا أن الإلكترونات المتجاورة تدور في اتجاهات مخالفة أى أن إلكترونى المستوى الأول أحدهما يدور في إتجاه عقارب الساعة والأخر 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 بحاجة لمصدر مبهم

٣ سرعة الضوء حقائق :

كان الإنسان في الماضي يعتبر أن الضوء ينتقل لحظياً بسبب سرعته العظيمة. ثم أوضح أوول رومر عام 1676 أن للضوء سرعة محدودة بدراسة الحركة الظاهرية لقمر المشتري أيو. في عام 1865 اقترح ماكسويل بأن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية، وبالتالي ظهرت السرعة c في نظريته للكهرومغناطيسية. عام 1905 افترض ألبرت أينشتاين استقلال سرعة الضوء عن حركة المصدر لأي اطار عطالي وأثبت ثباتها، واكتشف كل العواقب المتعلقة باشتقاقه نظرية النسبية الخاصة وأوضح أن c هي ثابت طبيعي ولا تنحصر فقط في سياق الضوء والظواهر الكهرومغناطيسية. بعد قرون من القياسات المتزايدة الدقة عرفت سرعة الضوء عام 1975 بكونها تساوي 299,792,458 م/ث مع ريبة في القياس تساوي 4 أجزاء بالبليون. عام 1983 تم اعادة تعريف المتر في نظام الوحدات الدولي بأنه المسافة التي يقطعها الضوء في الفراغ خلال 1/299792458 ثانية. وبالتالي قيمة c العددية بوحدة م/ث هي الآن قيمة ثابتة بالضبط نسبة إلى تعريف المتر.

سرعة الضوء وقياس المسافات

في معظم الحالات العملية، يمكن اعتبار أن الضوء يتحرك بشكل فوري حيث أن سرعته كبيرة جدا جدا، ولكن عند قياس المسافات الطويلة كقياس بُعد نجم عنا أو في تجارب قياس الزمن الدقيقة فلا بد من أخذ سرعة الضوء في الاعتبار. فمثلا عند الاتصال بمسبار على المريخ تستغرق الإشارة عشر دقائق ويأتينا إشارته خلال 10 دقائق أخرى (بحسب موقعة بالنسبة للأرض).

وقد ابتكر الفيزيائيون والفلكيون طريقة لتسهيل قراءة المسافات بيننا وبين النجوم بسبب بعدها الكبير عنا وهي طريقة قياس المسافات بالسنة الضوئية على أساس أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة دائما وتبلغ نحو 300,000 كيلومتر في الثانية. فيمكننا القول بأن الشمس تبعد عنا 150 مليون كيلومتر أو القول بأن المسافة بينهما تبلغ 8 دقائق. يستغرق الضوء عند خروجه من الشمس حتى يصلنا 8 دقائق.

الضوء الذي نراه من النجوم يكون قد غادرها منذ سنوات عديدة. أي أننا عندما نشاهد نجوما أبعد إلى أبعد فإننا نشاهدها على حالها في الماضي. أقرب المجرات إلينا مجرة المرأة المسلسلة (مجرة) وهي تبعد عنا نحو 2,5 مليون سنة ضوئية.

لا يوجد في الطبيعة سرعة أكبر من سرعة الضوء، هذا ما اكتشفته النظرية النسبية لأينشتاين التي صاغها في عام 1905.

وهذه السرعة أيضا تحدد السرعة النظرية لعمل الحواسيب ، حيث أن المعلومات تنتقل داخل الحاسوب كتيارات كهربية من رقاقة لأخرى. وتنتقل جميع الموجات الكهرومغناطيسية أيضا بسرعة الضوء، إذ أن الضوء نفسه عبارة عن موجات كهرومغناطيسية.

قيمة الثابت

قيمة c الدقيقة هي 299,792,458 متر في الثانية(1,079,252,848,8 كيلومتر في الساعة) في الفراغ. 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.

عند عبور الضوء خلال مواد شفافة مثل الزجاج أو الهواء تقل سرعته. النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته خلال مادة تسمى معامل الانكسار - Index Of Refraction. على سبيل المثال، معامل انكسار الزجاج يساوي تقريبا 1,5 , وهذا يعني أن الضوء يمر عبر الزجاج بسرعة c/1,5 ≈ 200,000 km/s. معامل انكسار الهواء هو 1,0003 , إذا فإن سرعة الضوء في الهواء أبطأ من سرعته في الفراغ c بنحو 90 km/s.

كذلك تتغير سرعة الضوء بتأثير الجاذبية ما يولد ظاهرة عدسات الجاذبية - Gravitational Lensing.

في أغلب الحالات العملية يمكن اعتبار سرعة الضوء على أنها سرعة لحظية حيث أن سرعة الضوء كبيرة جدا جدا، ولكن حين نأتي لقياس مسافات طويلة مثل بُعد النجوم عنا أو القياسات الزمنية الدقيقة فلا بد من أخذ سرعة الضوء في الاعتبار. في الاختبارات والتجارب التي تجريها مركبات فضائية على مسافات بعيدة في الفضاء الخارجي، فإن إرسال رسالة ما إلى إحدى هذه المركبات أو استقبال أشاراتها يأخذ عدة دقائق إلى ساعات بحسب بعدها عنا. فمثلا إرسال إشارة لاسلكية لتشغيل مسبار على سطح المريخ قد يستغرق نحو 10 دقائق (بحسب موقعه بالنسبة للأرض حيث يتغير باستمرار) ، وتصلنا إشارة المسبار هي الأخرى بعد نحو 10 دقائق أخرى.

ونظرا لأن المسافات بين الأرض والنجوم مسافات كبيرة جدا فقد ابتكر الفيزيائيون والفلكيون طريقة لتسهيل قراءة تلك المسافات وهي قياس المسافة بالسنة الضوئية. وطبقا لذلك فنستطيع القول أن المسافة بين الأرض والشمس هي 150 مليون كيلومتر أو أن المسافة بينهما 8 دقائق.

كان اولي رومر أول من برهن أن الضوء يسير بسرعة ثابتة، وذلك في عام 1676. حيث قام بدراسة التحركات الجليه لإحدى اقمار كوكب المشتري. في عام 1865 , افترض جيمس ماكسويل أن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية Electromagnetic waves.

إحدى نتائج قوانين الكهرومغناطيسية (مثل معادلات ماكسويل) هي أن c هي سرعة الأمواج الكهرومغناطيسية، وهي لا تتعلق بسرعة الجسم الذي يطلقها، أي أن سرعة موجة ضوئية منبعثة من جسم متحرك لا تختلف باختلاف سرعة المصدر. ستكون سرعة الضوء ثابتة (مع أن لون شعاع الضوء ستختلف، إذ سيختلف طول موجته، وهذا ما يسمى بتأثير دوبلر).

كانت استنتاجات ماكسويل المذهلة هي الصيغة التالية التي تمثل سرعة الضوء:/

{displaystyle c={frac {1}{sqrt {mu _{0}varepsilon _{0}}}} }{displaystyle c={frac {1}{sqrt {mu _{0}varepsilon _{0}}}} }

حيث:/

c - سرعة الضوء أو الموجة الكهرومغناطيسية:/μ0 - معامل النفاذية وقيمته 4π × 10-7 H/m (هنريمتر)

ε0 - معامل السماحية وقيمته 8,854187817 × 10-12 F/m (فارادمتر)

إذا ما أضفنا إلى ذلك الاستنتاجات من النظرية النسبية يقودنا ذلك إلى أن جميع المتفرجين سوف يقيسوا سرعة الضوء بالفراغ متساوية باختلاف سرعتهم وسرعة الأجسام التي تطلق الضوء. هذا ما قد يقودنا إلى رؤية c كقيمة كونية ثابتة وأساساً للنظرية النسبية. من الجدير بالذكر أن القيمة c هي القيمة الكونية وليس سرعة الضوء، فإذا 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/نانو ثانية.

٤ سرعة الضوء أسرار :

تأثر سرعة الضوء بسرعة المصدر

نظراً لان المجرة تسير بسرعة عالية جداً ومن ضمنها الأرض والرقم الذي حسبته 5000 كيلومتر في الثانية فلو كان الضوء مستقل على الطاقة الحركية لمصدر الضوء فإن هذا يعني أن سرعة الضوء النسبية لحركة الأرض في المجرة سوف تختلف مما يعني ظهور صورة لجسم ساكن وبعيد سوف يختلف مع دوران الأرض حول نفسها وذلك لان السرعة النسبية سوف تختلف ولكن ظهور صورة الجسم في نفس المكان يعني أن الضوء يسير متأثر بسرعة المصدر.

المراجع

    ١ موسوعات عربية مختلفة
   
X
Loading........