سرعة الضوء في الماء

الضوء

إنَّ الضوء هو عبارة عن جزء من الإشعاع الكهرومغناطيسي ؛ حيثُ يمتدّ على مدى مُعيَّن من التردُّدات لهذا الإشعاع، ويستطيع الإنسان أن يراه؛ بعكس معظم الموجات الكهرومغناطيسيّة الأخرى غير المرئيّة للعين البشريّة.

إنَّ رؤية الألوان تعتمد بشكلٍ أساسيّ على طبيعة الضوء المرئي، كما أنّها تعتمد أيضاً على تحليل العين البشريّة والدماغ لهذه الألوان؛ حيثُ إنَّ عين الإنسان تستطيع رؤية الأطوال الموجيّة من 700 نانومتر (اللون الأحمر) إلى 400 نانومتر (اللون البنفسجي). إنَّ الأجسام ليس لها ألوان، وإنّما تعتمد رؤية ألوانها على كيفيّة إنعكاس الضوء عن سطحها.

سرعة الضوء

يسير الضوء بسرعة 1.07 مليار كيلومتراً في الساعة، أي حوالي 299,792,458 متراً في الثانية الواحدة؛ حيثُ يُعدّ الضوء الأسرع من جميع الأشياء في الكون، فلو أنَّ إنساناً يتحرَّك بنفس سرعة الضوء ، لاستطاع أن يدور حول الأرض سبع مرّات ونصف في الثانية الواحدة، فمثلاً: إنّ متوسِّط سُرعة طائرة السّفر هي 800 كيلومتراً في الساعة، أي أنّها تحتاج 50 ساعة لتدور حول الأرض دورةً واحدة، وتُعدّ هذه السُّرعة ثابتة في الفراغ، ويُرمز لها بالرمز C.

يحتاج الضوء لأن ينتقل من كوكب الأرض إلى القمر بحوالي ثانية واحدة، حيثُ تُقدَّر المسافة بينهما بما يُقارب 384398.24 كيلومتر، كما أنّه يحتاج إلى حوالي 8 دقائق لينتقل من الشّمس لكوكب الأرض، حيثُ تُقدَّر المسافة بينهما بما يُقارب 149597886 كيلومتر، ولهذا؛ يتمّ استخدام قيمة سُرعة الضوء في قياس المسافات الفلكيّة ، فعلى سبيل المثال، يبعد نجم قنطور الأقرب (بالإنجليزيّة: Proxima Centaur) عن كوكب الأرض 4.25 سنةً ضوئيّة، أي أنَّه لو تمَّ الإنتقال من كوكب الأرض إلى هذا النجم بنفس سُرعة الضوء، لاستغرق زمن مقداره 4 سنوات و ثلاثة أشهر ليصل إلى هناك.

سرعة الضوء في الماء

إنَّ سُرعة الضوء ليست ثابتة؛ حيثُ يمكن أن تنخفض سرعته اعتماداً على الوسط الذي ينتقل فيه، وفي حال لم يكن هناك أي وسط (في الفراغ) فإنَّ سرعة الضوء في هذه الحالة تكون في أقصاها. يتعرَّض الضوء عند عبوره على منطقة تحتوي على أي مادّة -ولو كانت غُباراً- إلى انكسار؛ وذلك نتيجة تصادمه بجزيئات هذه المواد، وهذا بدوره يؤدّي إلى انخفاض سرعة الضوء.

إنَّ مُعدَّل انخفاض سُرعة الضوء يعتمد على الوسط، ويُسمّى هذا المُعدَّل بدليل انكسار الوسط، وقيمته تكون في معظم الأحيان أعلى من 1؛ حيثُ تمَّ اكتشاف ذلك عن طريق جين فوكو (بالإنجليزيّة: Jean Foucault) عام 1850م، فعلى سبيل المثال، إنَّ دليل انكسار الهواء هو 1.0003، وهو قريب جدّاً من دليل الانكسار في الفراغ الذي يساوي 1. إنَّ دليل انكسار الماء هو 1.33، فلحساب سُرعة الضوء في الماء أو أي وسط، يتم استخدام القانون (السرعة = ثابت سرعة الضوء / دليل انكسار الوسط)، وبذلك؛ فإنَّ سُرعة الضوء في الماء هي:

سرعة الضوء في الماء = 299,792,458 / 1.33 = 225407863.16 متراً في الثانية.

إنَّ اختلاف سُرعة الضوء في الماء عنها في الهواء يؤدّي إلى انكسار ضوء الشمس عند اخراقه لسطح البحر، ويتم امتصاصه وتشتُّته بعد ذلك من قِبَل الجزيئات الصلبة الموجودة في الماء؛ حيثُ يتم امتصاص مُعظم الطيف المرئي للضوء في العشر أمتار الأولى من سطح البحر، ولا يستطيع الضوء أن يصل إلى أبعد من عُمق 150 متر، حتّى في حال كان الماء خالي من الشوائب. إنَّ تشتُّت الضوء في الماء أو امتصاصه يعتمد على الأطوال الموجيّة له؛ حيثُ إنَّ الأطوال الموجيّة الطويلة -كالأحمر (يخترق إلى حد 15 متر)، والأصفر (يخترق إلى حد 30 متراً)، والبرتقالي (يخترق إلى حد 50 متراً)- تخترق البحر إلى عُمُق أقلّ منه للأطوال الموجيّة القصيرة كالبنفسجي، والأزرق، والأخضر، والتي من المُمكن أن تصل إلى أعماق أكثر انخفاضاً في البحر.

طبيعة الضوء

اكتشف العلماء في القرن التاسع عشر طبيعتين للضوء، أوّلها أنَّ الضوء عبارة عن شُعاع، والأخرى أنَّ الضوء عبارة عن موجات؛ حيثُ استطاعت النظريّة أن تُفسِّر معظم خصائص الضوء المعروفة والتي هي: الانعكاس والتشتَّت، والانكسار، ولكن في بداية القرن التاسع عشر الميلادي، قام العالم الفيزيائي الإنجليزي توماس يونغ (بالإنجليزيّة: Thomas Young) بإجراء تجربة سُمّيَت بتجربة شقّي يونغ (بالإنجليزيّة: Double-slit Experiment) تضمّنت تسليط ضوء من خلال ثقب صغير ليسقط على بطاقة رقيقة فيها ثقبين، وخلف هذه البطاقة توجد شاشة؛ حيثُ لاحظ توماس تشكُّل أشرطة ذات لونين على هذه الشاشة، ومن خلال هذه التجربة، تمَّ التوصُّل إلى أنَّ الضوء له طبيعة موجيّة.

في بداية القرن العشرين، توصَّل العالمان بلانك (بالإنجليزيّة: Planck) وألبيرت أينشتاين (بالإنجليزيّة: Albert Einstein) إلى أنَّ الضوء يتكوَّن من حُزَم من الطاقة تُسمّى فوتونات، وباعتبار الضوء كذلك؛ يمكن تفسير الطبيعتين المختلفتين للضوء، وهي أنَّ الضوء عبارة عن موجات، وأنّه عبارة عن جزيئات.

خصائص الضوء

هناك بعض الخصائص للضوء التي تُعبِّر عن كيفيّة تفاعله مع المواد، ومن هذه الخصائص ما يلي:.

• الانعكاس: عند سقوط الضوء على سطح أملس كالمرآة مثلاً، فإنَّ ذلك سيؤدّي إلى ارتداد الضوء عن هذا السطح بنفس الزاوية التي سقط بها الضوء.
• الانتشار: عند سقوط الضوء على سطح غير أملس، فإنَّ هذا سيؤدّي إلى ارتداد الضوء في جميع الاتّجاهات، وتُعدّ هذه الخاصيّة مهمّة جدّاً؛ لأنّها تتيح للشخص أن ينظر إلى الأشياء من مُختلف الزوايا، فعلى سبيل المثال، عند سقوط الضوء على سطح ورقة وانتشاره، فإنَّ الشخص الذي يقرأ الورقة يستطيع أن يفعل ذلك دون الحاجة لتغيير زاوية القراءة.
• الانكسار: يحدث الانكسار عند عبور الضوء من خلال وسطين شفّافين كالهواء والماء، وهذا يؤدّي إلى تغيُّر في سُرعة الضوء، ممّا يتسبَّب في انحنائه باتّجاه الخط العمودي لزاوية السقوط أو بعيداً عنه، ويُسمّى هذا الانحناء بزاوية الانكسار، ويعتمد مقدارها على مقدار الانخفاض في سُرعة الضوء في وسط مُعيَّن.

الإشعاع الكهرومغناطيسي

إنَّ الإشعاع الكهرومغناطيسي (بالإنجليزيّة: Electromagnetic radiation) عبارة عن شكل من أشكال الطاقة، وتُعدّ موجات الراديو ، والموجات الصغريّة (بالإنجليزيّة: Microwaves)، والأشعّة السينيّة (بالإنجليزيّة: X-ray)، وأشعّة الشمس ، وأشعّة غاما، بالإضافة للضوء المرئي، والذي يُمثِّل جزءاً صغيراً منها، جميعها من ضمن الإشعاع الكهرومغناطيسي.