الضوء في الفيزياء
عادةً ما تُستخدَم كلمة ضوء للتعبير عن الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمثل جزءاً ضيقاً من كامل الطيف الكهرومغناطيسي ؛ هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي هو الجزء الذي يمكن للعين البشرية أن تدركه، وهو يتراوح بين الطول الموجي 700 نانومتر للضوء الأحمر والطول الموجي 400 نانومتر للضوء البنفسجيّ، وكل ما ينطبق على الطيف الكهرومغناطيسي من قوانين ينطبق أيضاً على هذا الجزء، وعلى الأرض تُعدّ الشمس أكبر مصدر للطيف الكهرومغناطيسي كاملاً، وبهذا يمكن استغلال ضوء الشمس في العديد من نشاطات الحياة اليومية.
مراحل اكتشاف الضوء
وفيما يأتي مراحل اكتشاف الضوء:
مرحلة ما قبل القرن التاسع عشر
قديماً، قبل القرن التاسع عشر، كان التفكير في الضوء على أنه سيل من الجسيمات التي إما تصدر من العين، أو من الجسم الذي ننظر إليه. قاد فكرة أن الضوء عبارة عن جسيمات تنطلق من الأجسام التي نراها العالم إسحاق نيوتن، واستخدم هذه الفكرة لتفسير ظاهرتي الانعكاس والانكسار.
النظرية الموجية لهوغينس
بقي القبول لدى العلماء لفرض نيوتن سيد الموقف حتى عام 1678م؛ حيث اقترح الفيزيائي والفلكي الهولندي كرستيان هويجنس (بالإنجليزية: Christian Huygens) أن الضوء عبارة عن نوع من الأمواج، وتمكنت النظرية الموجية لهوغينس من تفسير ظاهرتي الانعكاس والانكسار للضوء.
إثبات ثوماس النظرية الموجية
وفي عام 1801 تمكن العالم ثوماس يونغ (بالإنجليزية: Thomas Young) من إثبات أن الضوء موجة، عن طريق جعل الضوء يتداخل، الأمر الذي سوف يؤدي إلى انخفاض شدة الضوء (أو اختفائه بالكامل)، أو زيادة شدة الضوء (أو تضاعف شدته) هاتين الظاهرتين يعرفان بالتداخل الهدام والتداخل البناء على الترتيب. ثم لحق ذلك نشر ماكسويل (بالإنجليزية: Maxwell) لعمله في الكهرباء والمغناطيسية في عام 1873 الذي دعم أيضاً النظرية الموجية للضوء.
إثبات آينشتاين الظاهرة الكهروضوئية
تمكنت النظرية الموجية للضوء من تفسير معظم الظواهر الضوئية، إلا أنها فشلت في تفسير بعض الظواهر، مثل: الظاهرة الكهروضوئية (بالإنجليزية: Photoelectric Effect)، الظاهرة التي نرى من خلالها انطلاق إلكترون من سطح المعدن عند تسليط ضوء عليه، وكان فشل النظرية الموجية للضوء يكمن في أن الطاقة الحركية لكل إلكترون لا تعتمد على شدة الضوء الساقط، وإنما على تردده، بينما يعتمد عدد الإلكترونات المنبعثة من سطح المعدن على شدة الضوء الساقط على هذا المعدن.
تمكن العالم الشهير ألبرت آينشتاين (بالإنجليزية: Albert Einstein) من تفسير هذه الظاهرة عام 1905م مستعيناً بمفهوم تكميم الطاقة الذي وضعه العالم ماكس بلانك، وكنتيجة لتفسيره لهذه الظاهرة حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1921م، إلا أنه تسلّمها في عام 1922م. وللإجابة عن ماهية الضوء، يمكن القول إنّ الضوء يُظهر سلوكاً موجياً في بعض الأحيان، وفي أحيان أخرى يُظهر سلوكاً خاصاً بالأجسام.
خصائص الضوء
خصائص الضوء جميعها تنطبق على كامل الطيف الكهرومغناطيسي؛ و تقسم خصائص الضوء إلى كل من :
- خصائص بصرية: مثل: الانعكاس، والانكسار، والحيود، والاستقطاب، والانتشار، وغيرها.
- خصائص موجيّة: حيث إن الضوء عبارة عن موجتين كهربائية ومغناطيسية متراكبتين، لذلك فإنه يمتلك خصائص الموجات، فللضوء تردّد، والتردد هو عدد مرات تكرار الموجة لنفسها في وحدة الزمن، وله أيضاً طول موجي، والطول الموجي هو المسافة بين قمّتين متتاليتن أو قاعين متتاليين، بالإضافة إلى السعة، وسعة الموجة هي تعبير يدل على ارتفاع الموجة، أو بكلماتٍ علمية أكثر إزاحتها عن نقطة الاتزان؛ فمثلاً ارتفاع موجة التسونامي هو نفسه سعتها.
وفيما يأتي تعريفات بعض الخصائص البصرية:
تعريف انكسار الضوء
يمكن تعريف انكسار الضوء على أنه تغير سرعة الضوء عند انتقاله من وسط إلى آخر شريطة أن يمتلك الوسطان مُعامِلَي انكسار مختلفين؛ بحيث تقلّ سرعة الضوء لو انتقل من وسط يمتلك معامل انكسار أقل إلى وسط يمتلك معامل انكسار أعلى، الأمر الذي سيؤدي إلى اقتراب شعاع الضوء من الخط الافتراضي العمودي على السطحين، والعكس بالعكس.
تعريف انعكاس الضوء
عندما يسقط الضوء على سطحٍ فاصلٍ بين وسطين مختلفين فإن جزءاً منه ينكسر، والجزء الآخر ينعكس، ويُحدّد مقدار الانكسار والانعكاس وفقاً لنوع المادة التي تشكل الوسط الثاني، و يُعرف انعكاس الضوء على أنه شعاع الضوء المرتد عن السطح الفاصل بين وسطين لديهما معاملا انكسار مختلفان ، وتكون الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والخط العمودي الوهمي على السطح مساويةً للزاوية بين الخط نفسه والشعاع المنعكس؛ أي أنّ زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس.
تعريف تشتت الضوء
تُعرَّف عملية التشتت أيضاً من خلال حقيقة أنه لكل طول موجي -لكلّ لون- معامل انكسار خاص به، هذا الأمر الذي يؤدي إلى تحلل الضوء وظهور ألوان الطيف السبعة، أمّا عملية الاستقطاب فهي عملية تخفيف شدة الضوء من خلال السماح لمركبة موجة الضوء التي هي بزاوية مساوية للزاوية التي ضُبط المُستقطب عليها؛ حيث إنّ موجة الضوء القادمة من المصدر تكون في حالة اهتزاز في جميع الاتجاهات، لكن عند الاستقطاب فإن المُستقطب يسمح للموجة التي تهتز بزاوية محددة بالعبور بينما يعكس باقي الموجة، ويمكن القول بكلماتٍ بسيطة إنه يُخفف شدة الضوء.
كيفية قياس سرعة الضوء
على مر التاريخ، كانت هناك العديد من المحاولات لقياس سرعة الضوء، وكأيّ شيءٍ آخر، من المنطقيّ التفكير في قانون السرعة، وهو أنّ السّرعة تساوي المسافة مقسومةً على الزمن، لكن مع الضوء الأمر ليس بهذه البساطة، فهو سريعٌ جداً، وفيما يأتي بعض المحاولات لقياس سرعة الضوء:
- محاولة جاليلو.
- محاولة رومر.
- محاولة إيفانسون؛ فأفضل النتائج وأكثرها دقةً كانت تلك التي تمت عند قياس سرعة الضوء باستخدام الليزر والساعات الذرية؛ فبعد عام 1970م تطوّر الليزر والساعات الذرية، الأمر الذي شجع على إعادة قياس سرعة الضوء بدقة أكبر، ففي عام 1973م قاس العالم إيفانسون (بالإنجليزية: Evanson) وآخرون سرعة الضوء وحصلوا على قيمة دقيقة جداً وهي 299,792,457.4م/ث، وكان الخطأ في هذه القيمة يعادل ±1م/ث.
بعد ذلك كان لا بُدّ من إعطاء سرعة الضوء قيمةً ثابتةً ومطلقةً، ولهذا الغرض تمّت الاستعانة بالليزر والساعات الذرية عالية الدقة، وتمّ إعطاء تعريف للمتر، فتعريفه المُطلق والمُتفق عليه دولياً هو أن المتر عبارة عن المسافة التي يقطعها الضوء في زمن مقداره 299,792,458/1 من الثانية، وبهذا يمكن القول إن سرعة الضوء -بإجماع المجتمع العلمي الدولي- هي 299,792,458م/ث، وهذه السرعة ثابتة في الفراغ ولا تتغير أبداً ولا يوجد شيء يستطيع التحرك بسرعة أكبر من هذه السرعة في الفراغ؛ أي أنها أعلى سرعة على الإطلاق.
سرعة الضوء في الأوساط المختلفة
يمكن إيجاد سرعة الضوء في الأوساط الأخرى عن طريق قياسها، أو الاستعانة بمعامل الانكسار، ومعامل الانكسار (هو تعبير عن مقدار انحراف الضوء عند انتقاله من وسط إلى آخر)، حيث إنّ:
معامل الانكسار=(سرعة الضوء في الفراغ)/(سرعة الضوء في الوسط)
ومن الواضح من العلاقة السابقة أن معامل الانكسار لن يمتلك قيمة أقل من 1، والقيمة 1 ستكون في حالة تحرك الضوء في الفراغ، وهذا بسبب أن الضوء يصبح أبطأ في الأوساط، وتجدر الإشارة إلى أنّه لا توجد وحدة لمعامل الانكسار، ويمكن إيجاد سرعة الضوء في الأوساط الأخرى عن طريقة قياس سرعة الضوء كما حدث باستخدام الليزر، ولكن بوضع المادة المراد قياس سرعة الضوء فيها في طريق الليزر.
تُستخدَم كلمة ضوء للتعبير عن الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمثل جزءاً ضيقاً من كامل الطيف الكهرومغناطيسي، وقد مر اكتشاف الضوء في العديد من المراحل، ويتميز الضوء بالعديد من الخصائص؛ منها ما هو بصري ومنها ما هو موجي، ومن أبرز خصائص الضوء البصرية؛ الانكسار، والانعكاس، والتشتت، ويمكن إيجاد سرعة الضوء في الأوساط الأخرى عن طريق قياسها، أو الاستعانة بمعامل الانكسار، ومعامل الانكسار هو تعبير عن مقدار انحراف الضوء عند انتقاله من وسط إلى آخر.
