ما هي سرعة الضوء؟

Send

منذ العصور القديمة ، سعى الفلاسفة والعلماء إلى فهم النور. بالإضافة إلى محاولة تمييز خصائصه الأساسية (أي ما يتكون من - جسيم أو موجة ، وما إلى ذلك) ، فقد سعوا أيضًا إلى إجراء قياسات محدودة لسرعة انتقاله. منذ أواخر القرن السابع عشر ، كان العلماء يفعلون ذلك ، وبدقة متزايدة.

وبذلك اكتسبوا فهمًا أفضل لميكانيكا الضوء والدور المهم الذي يلعبه في الفيزياء وعلم الفلك وعلم الكونيات. ببساطة ، يتحرك الضوء بسرعات لا تصدق وهو أسرع شيء يتحرك في الكون. تعتبر سرعته حاجزًا ثابتًا وغير قابل للكسر ، وتستخدم كوسيلة لقياس المسافة. ولكن ما مدى سرعة السفر؟

سرعة الضوء (ج):

ينتقل الضوء بسرعة ثابتة تبلغ 1،079،252،848.8 (1.07 مليار) كيلومتر في الساعة. يصل ذلك إلى 299،792،458 م / ث ، أو حوالي 670،616،629 ميل في الساعة (ميل في الساعة). لوضع هذا في المنظور ، إذا كنت تستطيع السفر بسرعة الضوء ، فستتمكن من الإبحار حول العالم حوالي سبع مرات ونصف في ثانية واحدة. وفي الوقت نفسه ، فإن الشخص الذي يطير بسرعة متوسطة تبلغ حوالي 800 كم / ساعة (500 ميل في الساعة) ، يستغرق أكثر من 50 ساعة ليحيط بالكوكب مرة واحدة فقط.

لوضع ذلك في منظور فلكي ، يبلغ متوسط المسافة من الأرض إلى القمر 384،398.25 كم (238،854 ميل). لذا فإن الضوء يعبر هذه المسافة في حوالي ثانية. وفي الوقت نفسه ، يبلغ متوسط المسافة من الشمس إلى الأرض حوالي 149،597،886 كم (92،955،817 ميل) ، مما يعني أن الضوء يستغرق حوالي 8 دقائق فقط للقيام بهذه الرحلة.

لا عجب إذن لماذا سرعة الضوء هي المقياس المستخدم لتحديد المسافات الفلكية. عندما نقول إن نجمًا مثل Proxima Centauri على بعد 4.25 سنة ضوئية ، فإننا نقول أن الأمر سيستغرق - السفر بسرعة ثابتة تبلغ 1.07 مليار كيلومتر في الساعة (670.616.629 ميل في الساعة) - حوالي 4 سنوات و 3 أشهر للوصول إلى هناك. ولكن كيف نصل إلى هذا القياس المحدد للغاية لـ "السرعة الخفيفة"؟

تاريخ الدراسة:

حتى القرن السابع عشر ، كان العلماء غير متأكدين مما إذا كان الضوء ينتقل بسرعة محدودة أم على الفور. من أيام الإغريق القدماء إلى علماء وعلماء المسلمين في العصور الوسطى في أوائل العصر الحديث ، دار الجدل ذهابًا وإيابًا. لم يتم عمل القياس الكمي الأول حتى عمل الفلكي الدنماركي Øle Rømer (1644-1710).

في عام 1676 ، لاحظ رومر أن فترات أعماق قمر المشتري Io تبدو أقصر عندما تقترب الأرض من المشتري مما كانت عليه عندما كانت تنحسر منه. من هذا ، استنتج أن الضوء ينتقل بسرعة محدودة ، ويقدر أنه يستغرق حوالي 22 دقيقة لعبور قطر مدار الأرض.

استخدم Christiaan Huygens هذا التقدير ودمجه مع تقدير قطر مدار الأرض للحصول على تقدير قدره 220،000 كم / ثانية. تحدث إسحاق نيوتن أيضًا عن حسابات رومر في عمله الأساسي البصريات (1706). بعد ضبط المسافة بين الأرض والشمس ، حسب أنه سيستغرق الانتقال من واحدة إلى أخرى مدة سبع أو ثماني دقائق. في كلتا الحالتين ، تم إيقافهم بهامش صغير نسبيًا.

القياسات اللاحقة التي قام بها الفيزيائيون الفرنسيون هيبوليت فيزو (1819 - 1896) وليون فوكو (1819 - 1868) صقلت هذه القياسات أكثر - مما أدى إلى قيمة 315000 كم / ثانية (192،625 ميل / ثانية). وبحلول النصف الأخير من القرن التاسع عشر ، أدرك العلماء العلاقة بين الضوء والكهرومغناطيسية.

تم تحقيق ذلك من قبل الفيزيائيين الذين قاموا بقياس الشحنات الكهرومغناطيسية والكهروستاتيكية ، والذين وجدوا بعد ذلك أن القيمة العددية قريبة جدًا من سرعة الضوء (وفقًا لقياس Fizeau). بناءً على عمله الخاص ، الذي أظهر أن الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء الخالي ، اقترح الفيزيائي الألماني فيلهلم إدوارد ويبر أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية.

جاء الإنجاز الكبير التالي خلال أوائل القرن العشرين / في ورقته التي صدرت عام 1905 بعنوان "في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة "، أكد ألبرت أينشتاين أن سرعة الضوء في الفراغ ، التي يقاسها مراقب غير متسارع ، هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي ومستقلة عن حركة المصدر أو المراقب.

باستخدام هذا ومبدأ النسبية غاليليو كأساس ، استمد أينشتاين نظرية النسبية الخاصة ، حيث سرعة الضوء في الفراغ (ج) كان ثابتًا أساسيًا. قبل ذلك ، اعتبر إجماع العمل بين العلماء أن الفضاء كان مليئًا بـ "الأثير المضيء" المسؤول عن انتشاره - أي أن الضوء المنتقل عبر وسيط متحرك سيتم جره عبر الوسيط.

وهذا بدوره يعني أن سرعة الضوء المقاسة ستكون مجرد مجموع سرعته عبر المتوسط بالإضافة إلى السرعة من تلك الوسيلة. ومع ذلك ، جعلت نظرية آينشتاين بشكل فعال مفهوم الأثير الثابت عديم الجدوى وأحدثت ثورة في مفاهيم المكان والزمان.

لم تقدم فكرة أن سرعة الضوء هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي فحسب ، بل قدمت أيضًا فكرة أن التغييرات الرئيسية تحدث عندما تقترب الأشياء من سرعة الضوء. وتشمل هذه الإطار الزماني للجسم المتحرك الذي يبدو أنه يتباطأ وينكمش في اتجاه الحركة عند قياسه في إطار المراقب (أي تمدد الوقت ، حيث يتباطأ الوقت مع اقتراب سرعة الضوء).

وتوفرت ملاحظاته أيضًا بين معادلات ماكسويل للكهرباء والمغناطيسية مع قوانين الميكانيكا ، وتبسيط الحسابات الرياضية من خلال التخلص من التفسيرات الدخيلة التي يستخدمها العلماء الآخرون ، وتوافقها مع سرعة الضوء الملحوظة بشكل مباشر.

خلال النصف الثاني من القرن العشرين ، ستؤدي القياسات المتزايدة الدقة باستخدام مقاييس الاستدلال بالليزر وتقنيات رنين التجويف إلى تحسين التقديرات لسرعة الضوء. بحلول عام 1972 ، استخدمت مجموعة في المكتب الوطني الأمريكي للمعايير في بولدر بولاية كولورادو تقنية مقياس الاستدلال بالليزر للحصول على القيمة المعترف بها حاليًا والتي تبلغ 299،792،458 م / ث.

دور في الفيزياء الفلكية الحديثة:

ومنذ ذلك الحين ، أكدت العديد من التجارب باستمرار نظرية أينشتاين بأن سرعة الضوء في الفراغ مستقلة عن حركة المصدر والإطار المرجعي بالقصور الذاتي للمراقب. كما أنه يضع حدًا أعلى للسرعات التي يمكن لجميع الجسيمات والموجات عديمة الكتلة (والتي تشمل الضوء) الانتقال في فراغ.

أحد نتائج هذا هو أن علماء الكون يعاملون المكان والزمان الآن كبنية واحدة موحدة تعرف باسم الزمكان - حيث يمكن استخدام سرعة الضوء لتحديد القيم لكليهما (أي "سنوات الإضاءة" و "دقائق الضوء" و "ثواني ضوئية"). أصبح قياس سرعة الضوء أيضًا عاملاً رئيسيًا عند تحديد معدل التوسع الكوني.

بدءًا من عشرينيات القرن العشرين بملاحظات Lemaitre و Hubble ، أدرك العلماء والفلكيون أن الكون يتوسع من نقطة الأصل. لاحظ هابل أيضًا أنه كلما ابتعدت المجرة ، زادت سرعة تحركها. في ما يشار إليه الآن باسم معلمة هابل ، يتم حساب السرعة التي يتوسع بها الكون إلى 68 كم / ثانية لكل ميجابارسيك.

هذه الظاهرة ، التي تم وضع نظرية لها تعني أن بعض المجرات يمكن أن تتحرك في الواقع أسرع من سرعة الضوء ، قد تضع حدًا لما يمكن ملاحظته في الكون. وبشكل أساسي ، فإن المجرات التي تسير بسرعة أكبر من سرعة الضوء ستعبر "أفق الحدث الكوني" ، حيث لم تعد مرئية لنا.

أيضًا ، بحلول تسعينيات القرن الماضي ، أظهرت قياسات الانزياح الأحمر للمجرات البعيدة أن تمدد الكون يتسارع منذ مليارات السنين القليلة الماضية. وقد أدى ذلك إلى نظريات مثل "الطاقة المظلمة" ، حيث تقود قوة غير مرئية توسع الفضاء نفسه بدلاً من الأجسام التي تتحرك من خلالها (وبالتالي لا تضع قيودًا على سرعة الضوء أو تنتهك النسبية).

جنبا إلى جنب مع النسبية الخاصة والعامة ، استمرت القيمة الحديثة لسرعة الضوء في الفراغ لإبلاغ علم الكونيات ، وفيزياء الكم ، والنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يبقى ثابتًا عند الحديث عن الحد الأعلى الذي يمكن أن تنتقل إليه الجسيمات عديمة الكتلة ، ويظل حاجزًا غير قابل للتحقيق للجسيمات التي لها كتلة.

ربما ، في يوم من الأيام ، سنجد طريقة لتجاوز سرعة الضوء. على الرغم من عدم وجود أفكار عملية لكيفية حدوث ذلك ، يبدو أن الأموال الذكية تعتمد على التقنيات التي تسمح لنا بالتحايل على قوانين الزمكان ، إما عن طريق إنشاء فقاعات الاعوجاج (المعروف أيضًا باسم Alcubierre Warp Drive) ، أو عبر الأنفاق ( المعروف أيضا باسم الثقوب الدودية).

حتى ذلك الوقت ، سيكون علينا فقط أن نكون راضين عن الكون الذي نراه ، وأن نلتزم باستكشاف الجزء منه الذي يمكن الوصول إليه باستخدام الطرق التقليدية.

لقد كتبنا العديد من المقالات حول سرعة الضوء لمجلة الفضاء. إليكم مدى سرعة سرعة الضوء ؟، كيف تتحرك المجرات بعيدًا عن الضوء ؟، كيف يمكن أن يسافر الفضاء أسرع من سرعة الضوء ؟، وكسر سرعة الضوء.

إليك آلة حاسبة رائعة تتيح لك تحويل العديد من الوحدات المختلفة لسرعة الضوء ، وإليك آلة حاسبة للنسبية ، في حالة رغبتك في السفر بسرعة الضوء تقريبًا.

يحتوي Astronomy Cast أيضًا على حلقة تتناول أسئلة حول سرعة الضوء - تظهر الأسئلة: النسبية ، والنسبية ، والمزيد من النسبية.

مصادر: