كم هي سرعة الضوء

ما هو الضوء

حتى نقوم بتوضيح ماهية الضوء حقاً يجب علينا أن نشكر العالم ماكسويل (بالإنجليزية: Maxwell) الذي كان له الفضل في جمع الأعمال العظيمة لعلماء آخرين شرحوا لنا الكثير عن المجال الكهربائي وعن المجال المغناطيسي وعن العلاقة بينهما، مثل فاراداي (بالإنجليزية: Faraday) الذي أخبرنا عن نشوء مجالٍ كهربائي عند تغير المجال المغناطيسي -العلاقة ما بين المجال الكهربائي والمغناطيسي-، وغاوس (بالإنجليزية: Gauss) الذي شرح لنا عن المجال الكهربائي ، وأمبير (بالإنجليزية: Ampere) الذي شرح لنا عن المجال المغناطيسي ، وبعد تعديل ماكسويل لقانون أمبير استطعنا معرفة أن التغيير في المجال الكهربائي يولد لنا مجالاً مغناطيسياً.

الأمر العظيم في هذا أننا سندخل في دوامةٍ لا نهائية من المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتولدة عن بعضها البعض، عند توليد مجال أحدهما وتغييره، وهذه المجالات تولّد ما يُعرف بالأمواج الكهرومغناطيسية التي تنتشر بسرعة الضوء. ومن الجدير بالذكر أن الضوء المرئي هو جزء من الطيف الكهرومغناطيسي الممتد من الطول الموجي 700 نانومتر، وحتى الطول الموجي 400 نانومتر، بكلماتٍ أُخرى الضوء المرئي هو جزء من الموجة الكهرومغناطيسية التي تتولد ويكون لديها جميع الأطوال الموجية .

كيفية قياس سرعة الضوء

كان يوجد العديد من المحاولات لقياس سرعة الضوء على مر التاريخ، ومن البديهي والمنطقي التفكير بقانون السرعة، الذي ينص على أنها تساوي المسافة مقسومةً على الزمن، لكن مع الضوء، الأمر ليس بهذه البساطة، حيث إنه سريعٌ جداً، وقد تم التوصل إلى آخر قيمةٍ لسرعة الضوء والتي تساوي (299,792,458م/ث). وفيما يأتي بعض المحاولات التاريخية المشهورة لقياس سرعة الضوء. 

محاولة جاليليو

طلب العالم جاليليو جاليلي (بالإنجليزية: Galileo Galilei) من اثنين من مساعديه الوقوف على جبلين يفصل بينهما مسافة 10كم، وأعطى كلاً منهما فانوساً مُغطّى، فإذا فتح أحدهما الفانوس، فعلى الآخر فتح الفانوس عندما يرى الضوء من الفانوس الأول، ويُسجل الزمن الواقع بين الكشف عن الفانوس الأول والكشف عن الفانوس الثاني، وسيكون الزمن اللازم للضوء حتى يقطع المسافة بين الجبلين. لكن الأمر كان لحظياً، ولم يتمكن من تسجيل الزمن، الأمر الذي جعل جاليليو يدرك استحالة قياس سرعة الضوء بهذه الطريقة.

طريقة رومر

في عام 1675م قام الفلكي الدانماركي آولي رومر (بالإنجليزية: Ole Roemer) بما يُعتبر أول محاولة ناجحة لقياس سرعة الضوء عن طريق رصد قمر كوكب المشتري أيو (بالإنجليزية: Io)، حيث إن أيو يحتاج ل 42.5 ساعة حتى يُتم دورةً كاملةً حول كوكب المشتري ، بينما دورة المشتري حول الشمس تحتاج لاثنتي عشرة سنة أرضية، الأمر الذي يعني أنه عندما تتحرك الأرض مسافة زاوية مقدارها 90 درجة، فإن المشتري سيقطع مسافة زاوية قدرها 7.5 درجة. يجب أن يكون لأيو دورة ثابتة، وتغير الوقت اللازم لإتمام هذه الدورة يعني أن القمر إما أنه يتباطأ أو أنه يتسارع، فإذا كان يتباطأ فإنه سوف يسقط على المشتري، وإن كان يتسارع فسوف يُفلت منه وسيصبح حراً في الفضاء. لكن أياً من هذا لم يحدث، الأمر الذي يعني أن أيو يمتلك دورة ثابتة، ذات وقت ثابت ومنتظم.

بعد سنة قام خلالها رومر بجمع الأرصاد المنتظمة للقمر أيو، ولاحظ أن هناك اختلافاً في توقيت دورة أيو عن المتوسط المتوقع! حيث كانت الأرصاد تُشير إلى أن دورة أيو تحتاج لوقتٍ أطول عندما تكون الأرض مبتعدة عن المشتري، أما عندما تكون الأرض مقتربة من المشتري تكون الدورة أقصر. لكن وبما أن أيو لديه دورة ثابتة فكان يجب أن يرى رومر خسوفاً للقمر أيو عندما يدخل في منطقة ظل المشتري، أي عندما لا يصله ضوء من الشمس حتى يعكسه، بسبب أنه أصبح خلف المشتري، الأمر الذي يعني أنه لن يصله أي ضوء من الشمس، وبما أن دورته ثابتة كان يجب أن يكون بمقدوره التنبؤ بالخسوف التالي لأيو، ولكنه لم يستطِع ذلك، حيث إنه عندما كانت الأرض مبتعدة عن المشتري كان الخسوف متأخراً، ولو أخذنا الفترة بين رصدين متتاليين لخسوف القمر ستكون 3 أشهر، وعليه فإن زمن تأخر الخسوف سيكون 600 ثانية. وسبب هذا التأخر أن المسافة بين الأرض وأيو قد تغيرت في الرصد الثاني عنها في الرصد الأول.

وباستخدام أرصاد رومر تمكن هويجنس من تقدير سرعة الضوء، حيث إنه قدر مقدار سرعة الضوء لتكون 2.3×10م/ث، وتكمن أهمية هذا الاكتشاف بكونه أثبت أن سرعة الضوء محدودة (أي إنها ليست لا نهائية).

قياس سرعة الضوء باستخدام الليزر

بعد عام 1970 تطوّرت تقنية الليزر والساعات الذرية، الأمر الذي شجع على إعادة قياس سرعة الضوء بدقة أكبر، حيث إنه في عام 1973 قام العالم إيفانسون (بالإنجليزية: Evanson) وفريقه بقياس سرعة الضوء وحصلوا على قيمة دقيقة جداً وهي 299,792,457.4 م/ث، وكانت نسبة الخطأ في هذه القيمة ±1 م/ث.

بعد ذلك كان لابد من إعطاء سرعة الضوء قيمة ثابتة ومطلقة، ولهذا الغرض تمت الاستعانة بالليزر والساعات الذرية عالية الدقة، بالإضافة لتعريفنا للمتر، حيث إن تعريفه المُطلق والمُتفق عليه دولياً وهو أن المتر عبارة عن المسافة التي يقطعها الضوء في زمن مقداره 1/299,792,458 من الثانية، وبهذا يمكن القول إن سرعة الضوء (وبإجماع 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 إنها أعلى سرعة على الإطلاق).

سرعة الضوء في الأوساط الأخرى

يمكن إيجاد سرعة الضوء في الأوساط الأخرى عن طريق قياسها، أو عن طريق الاستعانة بمعامل الانكسار، حيث إن:

معامل الانكسار = (سرعة الضوء في الفراغ)/(سرعة الضوء في الوسط)

ومن الواضح من العلاقة السابقة أن معامل الانكسار لن يمتلك قيمةً أقل من 1 (القيمة 1 سوف تكون في حالة تحرك الضوء في الفراغ)، وهذا بسبب أن الضوء يُصبح أبطأ في الأوساط. أيضاً يجدر الإشارة إلى أنه لا يوجد وحدة لمعامل الانكسار. ويمكن إيجاد سرعة الضوء في الأوساط الأخرى عن طريق قياس سرعة الضوء كما فعلنا باستخدام الليزر ولكن بوضع المادة المُراد قياس سرعة الضوء فيها عن طريق الليزر.

بعض معاملات انكسار الضوء

في الجدول الآتي يمكن إيجاد بعض معاملات الانكسار لبعض المواد، الأمر الذي سوف يساعد القارئ على حساب سرعة الضوء في تلك المادة عند استعانته بالجدول وبالقيمة المطلقة لسرعة الضوء في الفراغ المذكور في البند السابق.