سرعة الضوء هي الثابت المسلم به حاليًا في الفيزياء، من تعريف للوحدات القياسية حتى اسس ومبادئ الفيزياء الحديثة. وهي أقصى سرعة يمكن أن يصل لها أي شئ. فما هي طبيعة الضوء؟ وهل يمكن تجاوز سرعة الضوء في الفراغ؟
محتويات المقال :
قياس سرعة الضوء
قد يبدو قياس سرعة الضوء قديمًا في القرن السابع عشر أمر مستحيلًا حتى أنه لم يكن محل اهتمام لعلماء ذلك الوقت. فكانت الإمكانيات المتاحة قديمًا لا تقيس مثل تلك السرعات وكانت سرعة الضوء بالنسبة لها سرعة لانهائية. ولكن عام 1676 استطاع عالم الفلك الدنماركي «أولى رومر – Ole Roemer» قياس سرعة الضوء. ولم يَكن قياس سرعة الضوء هو ما يَسعى إليه رومر حينها، ولكن كان يعمل رومر على دراسة أحد مدارات كوكب المشترى مدار «آيو – IO».
وكان قياس معدل دوران أقمار ذلك المدار حول المشترى سيساعد المسافرين في تحديد الوقت بدقة، ولذلك أهتم رومر بدراسة ذلك المدار. ولكنه اكتشف وجود تأخر في ذلك المعدل عندما تكون الأرض بعيدة عن المشترى والذي من خلاله استنتج سرعة الضوء. وتطورت قياسات سرعة الضوء بعدها حتى أصبحت لا تقتصر على القياسات الفلكية، بل بأجهزة معملية. كتجربة مقياس التداخل للعالمين الأمريكيين «ألبرت ميكلسون – Albert Michelson» و«إدوارد مورلي – Edward Morley».
معادلات ماكسويل
يعتبر العالم «جيمس كلارك ماكسويل – James Clerk Maxwell» واحد من أهم العلماء في تاريخ الفيزياء. حيث غَير ماكسويل مَجرى الفيزياء تمامًا باستنتاج معدلاته الاربعة الشهيرة ب “معدلات ماكسويل”. وتنص معادلات ماكسويل الأربعة على:
- الشحنة الكهربية الخارجة من سطح مغلق تساوي مجموع الشحنات الكهربية داخل ذلك السطح. وهو قانون جاوس للمجال الكهربية.
- لا يوجد مغناطيس أحادي القطب، أي أن المغناطيس دائمًا يحتوي على قطب شمالي وجنوبي وليس واحد فقط. وذلك هو قانون جاوس للمجال المغناطيسي.
- نتيجة للتغير في المجال المغناطيسي ينشأ تيار كهربي مستحث ليقاوم ذلك التغير. ويسمى ذلك بقانون فارادي.
- وأما القانون الرابع هو قانون أمبير والذي ينص على العلاقة بين المجال الكهربي الثابت والمجال المغناطيسي. ولكن عدل ماكسويل في تلك المعادلة ليجعلها تصف المجال الكهربي المتغير أيضا. وساعدت المعادلة لاحقًا في استنتاج حركة الضوء في الفراغ.
وحد ماكسويل المجال الكهربي والمجال المغناطيسي لأول مرة بتلك المعادلات في مجال موحد إسمه “المجال الكهرومغناطيسي”. ويتحرك المجال الكهرومغناطيسي في الفضاء بسرعة ثابتة تساوى 299792458 متر في الثانية والتي تقترب من سرعة الضوء المقاسة حينها. ومن خلال نموذج ماكسويل للكهرومغناطيسية، فإن الضوء ما هو إلا موجة كهرومغناطيسية تسير بسرعة ثابتة “سرعة الضوء”.
الضوء كموجة وكجسيم
والضوء كما استنتج ماكسويل هو موجة كهرومغناطيسية. والموجات الكهرومغناطيسية لا تقتصر فقط على الضوء، ولكنها طيف كامل يبدأ من موجات الراديو حتى يصل لأشعة جاما. وكل نطاق في ذلك الطيف له تردد معين وطول موجي معين يناظرهم طاقهم معينة. وفي ظل عدم احتياج الضوء (أو الموجات الكهرومغناطيسية عمومًا) لوسط لتنتقل من خلاله فهي تكون في أقصي سرعة لها في الفراغ.
وأفترض العالم «ماكس بلانك – Max Planck» أن الموجات الكهرومغناطيسية هي عبارة عن كمات صغيرة من الطاقة. وإذا خصصنا ذلك فقط على الضوء، فيمكننا أن نقول إن الضوء عبارة عن كم صغير من الطاقة يسمى “فوتون”. وبالتالي فالضوء هو جسيم (فوتون) وموجة تسمى (الموجة الكهرومغناطيسية).
واستنتجت النسبية الخاصة لأينشتاين تكافؤ الطاقة والكتلة في معادلتها الشهيرة (الطاقة = الكتلة X مربع سرعة الضوء) أن ليصل جسم لسرعة الضوء يجب أن تقترب كتلته منه الصفر. وحتى معمليًا، فإن توصيل جسيم ما لسرعة الضوء هو أمر مستحيل. أما عن سفر الإنسان بسرعة الضوء فكما ذكرت يجب أن تقترب كتلته للصفر. وتوفر فرضية الثقوب الدودية فرصة للسفر بسرعة أكبر من سرعة الضوء، ولكن ليس بالسفر بسرعة عالية، بل من خلال مسافة أقصر. وبالتالي “هل يمكن تجاوز سرعة الضوء في الفراغ؟” لا.
المصادر
[1] Roemer’s Speed of Light
[2] On the relative motion of the Earth and the luminiferous ether
[3] Maxwell’s equations
[4] What is wormhole theory?
سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك
موقع الأكاديمية بوست
ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.