كيف يسافر لايت؟

منذ أن جادل ديموقريطس - الفيلسوف اليوناني الذي عاش بين القرنين الخامس والرابع قبل الميلاد - بأن الوجود كله يتكون من ذرات صغيرة غير قابلة للتجزئة ، كان العلماء يتكهنون بالطبيعة الحقيقية للضوء. في حين غامر العلماء ذهابًا وإيابًا بين فكرة أن الضوء كان جسيمًا أو موجة حتى العصر الحديث ، أدى القرن العشرين إلى اختراقات أظهرت لنا أنه يتصرف على حد سواء.

وشملت هذه اكتشاف الإلكترون ، وتطوير نظرية الكم ، وآينشتاين نظرية النسبية . ومع ذلك ، لا يزال هناك العديد من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها حول الضوء ، والتي ينشأ الكثير منها من طبيعته المزدوجة. على سبيل المثال ، كيف يمكن للضوء أن يكون على ما يبدو بدون كتلة ، ولكن لا يزال يتصرف كجسيم؟ وكيف يمكن أن تتصرف مثل الموجة وتمر عبر الفراغ ، بينما كل الموجات الأخرى تتطلب وسيطًا لتنتشر؟

نظرية النور للقرن التاسع عشر:

خلال الثورة العلمية ، بدأ العلماء في الابتعاد عن النظريات العلمية الأرسطية التي كان يُنظر إليها على أنها شريعة مقبولة لعدة قرون. وشمل ذلك رفض نظرية أرسطو للضوء ، التي اعتبرتها اضطرابًا في الهواء (أحد 'العناصر' الأربعة التي تتكون منها المادة) ، واعتناق وجهة النظر الآلية القائلة بأن الضوء يتكون من ذرات غير قابلة للتجزئة.

من نواحٍ عديدة ، تمت معاينة هذه النظرية من قبل علماء الذرات في العصور الكلاسيكية القديمة - مثل ديموقريطوس ولوكريتيوس - وكلاهما كان ينظر إلى الضوء على أنه وحدة من المادة تنبعث من الشمس. بحلول القرن السابع عشر ، ظهر العديد من العلماء الذين قبلوا هذا الرأي ، قائلين أن الضوء يتكون من جسيمات منفصلة (أو 'جسيمات'). وشمل ذلك بيير جاسندي ، المعاصر لرينيه ديكارت ، وتوماس هوبز ، وروبرت بويل ، والأكثر شهرة ، السير اسحق نيوتن .

الطبعة الأولى من نيوتن البصريات: أو ، أطروحة من الانعكاسات ، والانكسارات ، وانعكاسات وألوان الضوء (1704). الائتمان: المجال العام.

كانت نظرية نيوتن الجسدية بمثابة تفصيل لوجهة نظره للواقع كتفاعل بين النقاط المادية من خلال القوى. ستبقى هذه النظرية وجهة النظر العلمية المقبولة لأكثر من 100 عام ، وقد تم شرح مبادئها في أطروحته عام 1704 ' البصريات ، أو أطروحة لانعكاسات وانعكاسات وانعكاسات وألوان الضوء '. وفقًا لنيوتن ، يمكن تلخيص مبادئ الضوء على النحو التالي:

• يصدر كل مصدر من مصادر الضوء أعدادًا كبيرة من الجسيمات الدقيقة المعروفة باسم الجسيمات في وسط يحيط بالمصدر.
• هذه الكريات مرنة وصلبة وعديمة الوزن تمامًا.

يمثل هذا تحديًا لـ 'نظرية الموجة' ، التي دعا إليها عالم الفلك الهولندي في القرن السابع عشر كريستيان هيغنز . . تم نقل هذه النظريات لأول مرة في عام 1678 إلى أكاديمية باريس للعلوم ونشرت في عام 1690 في كتابه' رسالة في الضوء '('رسالة في الضوء'). في ذلك ، ناقش نسخة منقحة من آراء ديكارت ، حيث تكون سرعة الضوء غير محدودة وتنتشر عن طريق الموجات الكروية المنبعثة على طول مقدمة الموجة.

تجربة الشق المزدوج:

بحلول أوائل القرن التاسع عشر ، بدأ العلماء في قطع نظرية الجسيمات. كان هذا يرجع جزئيًا إلى حقيقة أن نظرية الجسيمات فشلت في تفسير الانعراج والتداخل والاستقطاب للضوء بشكل كافٍ ، ولكن كان أيضًا بسبب التجارب المختلفة التي بدا أنها تؤكد وجهة النظر التي لا تزال متنافسة بأن الضوء يتصرف كموجة.

أشهرها كان يمكن القول إن تجربة الشق المزدوج ، التي أجراها في الأصل عالم اللغة الإنجليزية توماس يونغ في عام 1801 (على الرغم من أنه يعتقد أن السير إسحاق نيوتن قد أجرى شيئًا مشابهًا في عصره). في نسخة يونغ من التجربة ، استخدم قصاصة ورق مقطوعة فيها شقوق ، ثم وجه مصدر ضوء إليهم لقياس كيفية مرور الضوء عبرها.

وفقًا لنظرية الجسيمات الكلاسيكية (أي النيوتونية) ، يجب أن تتوافق نتائج التجربة مع الشقوق ، وتظهر التأثيرات على الشاشة في خطين عموديين. بدلاً من ذلك ، أظهرت النتائج أن حزم الضوء المتماسكة تتداخل ، مما يخلق نمطًا من النطاقات الساطعة والمظلمة على الشاشة. يتناقض هذا مع نظرية الجسيمات الكلاسيكية ، التي لا تتداخل فيها الجسيمات مع بعضها البعض ، ولكنها تصطدم فقط.

كان التفسير الوحيد الممكن لهذا النمط من التداخل هو أن الحزم الضوئية كانت في الواقع تتصرف كموجات. وهكذا ، دحضت هذه التجربة فكرة أن الضوء يتكون من جسيمات ولعب دورًا حيويًا في قبول نظرية موجات الضوء. ومع ذلك ، فإن البحث اللاحق ، الذي يتضمن اكتشاف الإلكترون والإشعاع الكهرومغناطيسي ، من شأنه أن يقود العلماء إلى التفكير مرة أخرى في أن الضوء يتصرف كجسيم أيضًا ، مما أدى إلى ظهور نظرية ازدواجية الموجة والجسيم.

الكهرومغناطيسية والنسبية الخاصة:

قبل القرنين التاسع عشر والعشرين ، كانت سرعة الضوء محددة بالفعل. تم إجراء القياسات الأولى المسجلة بواسطة عالم الفلك الدنماركي أولي رومر ، الذي أظهر في عام 1676 باستخدام قياسات الضوء من قمر المشتري Io لإظهار أن الضوء ينتقل بسرعة محدودة (وليس على الفور).

البروفيسور ألبرت أينشتاين يلقي محاضرة يوشيا ويلارد جيبس ​​الحادية عشرة في اجتماع الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم في 28 ديسمبر 1934. Credit: AP Photo

بحلول أواخر القرن التاسع عشر ، اقترح جيمس كلارك ماكسويل أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية ، وابتكر عدة معادلات (تُعرف باسم معادلات ماكسويل ) لوصف كيفية توليد المجالات الكهربائية والمغناطيسية وتغييرها بواسطة الشحنات والتيارات. من خلال إجراء قياسات لأنواع مختلفة من الإشعاع (المجالات المغناطيسية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء) ، تمكن من حساب سرعة الضوء في الفراغ (ممثلة كـج).

في عام 1905 ، البرت اينشتاين نشرت 'في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة'، والذي قدم فيه إحدى أشهر نظرياته وقلب قرونًا من المفاهيم والأرثوذكسية المقبولة. في ورقته ، افترض أن سرعة الضوء كانت هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي ، بغض النظر عن حركة مصدر الضوء أو موضع المراقب.

إن استكشاف عواقب هذه النظرية هو ما دفعه إلى اقتراح نظريته عن النسبية الخاصة ، والتي التوفيق بين معادلات ماكسويل للكهرباء والمغناطيسية مع قوانين الميكانيكا ، وتبسيط الحسابات الرياضية ، وتوافق مع سرعة الضوء المرصودة مباشرة وتفسير الانحرافات المرصودة. كما أظهر أن سرعة الضوء لها صلة خارج سياق الضوء والكهرومغناطيسية.

أولاً ، قدم فكرة أن التغييرات الرئيسية تحدث عندما تتحرك الأشياء بالقرب من سرعة الضوء ، بما في ذلك الإطار الزمني والمكان لجسم متحرك يبدو أنه يتباطأ وينكمش في اتجاه الحركة عند قياسه في إطار المراقب. بعد قرون من القياسات المتزايدة الدقة ، تم تحديد سرعة الضوء لتكون 299،792،458 م / ث في عام 1975.

أينشتاين والفوتون:

في عام 1905 ، ساعد أينشتاين أيضًا في حل قدر كبير من الالتباس المحيط بسلوك الإشعاع الكهرومغناطيسي عندما اقترح أن تنبعث الإلكترونات من الذرات عندما تمتص الطاقة من الضوء. معروف ب التأثير الكهروضوئي ، بنى أينشتاين فكرته على عمل بلانك السابق مع 'الأجسام السوداء' - المواد التي تمتص الطاقة الكهرومغناطيسية بدلاً من عكسها (أي الأجسام البيضاء).

في ذلك الوقت ، كان التأثير الكهروضوئي لأينشتاين يحاول شرح 'مشكلة الجسم الأسود' ، حيث يُصدر الجسم الأسود إشعاعًا كهرومغناطيسيًا بسبب حرارة الجسم. كانت هذه مشكلة مستمرة في عالم الفيزياء ، نشأت عن اكتشاف الإلكترون ، والذي حدث قبل ثماني سنوات فقط (بفضل الفيزيائيين البريطانيين بقيادة ج. طومسون وأجرى التجارب باستخدام أنابيب الأشعة المهبطية ).

في ذلك الوقت ، كان العلماء لا يزالون يعتقدون أن الطاقة الكهرومغناطيسية تتصرف كموجة ، وبالتالي كانوا يأملون في أن يكونوا قادرين على تفسيرها من حيث الفيزياء الكلاسيكية. يمثل تفسير أينشتاين قطيعة مع هذا ، مؤكداً أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يتصرف بطرق تتوافق مع الجسيم - وهو شكل كمي من الضوء أطلق عليه اسم 'الفوتونات'. لهذا الاكتشاف ، حصل أينشتاين على جائزة نوبل في عام 1921.

ازدواجية موجة - جسيم:

ستزيد النظريات اللاحقة عن سلوك الضوء من تحسين هذه الفكرة ، والتي تضمنت الفيزيائي الفرنسي لويس فيكتور دي برولي بحساب الطول الموجي الذي يعمل عنده الضوء. تبع ذلك 'مبدأ عدم اليقين' لهيزنبرغ (الذي نص على أن قياس موضع الفوتون بدقة من شأنه أن يزعج قياسات زخمه والعكس صحيح) ، ومفارقة شرودنغر التي ادعت أن جميع الجسيمات لها 'وظيفة موجية'.

وفقًا لتفسير ميكانيكا الكم ، اقترح شرودنجر أن يتم تشفير جميع المعلومات حول الجسيم (في هذه الحالة ، الفوتون) فيوظيفة الموجة، دالة ذات قيمة معقدة تشبه تقريبًا سعة الموجة عند كل نقطة في الفضاء. في بعض المواقع ، فإن قياس الدالة الموجية سوف 'ينهار' بشكل عشوائي ، أو بالأحرى 'ينهار' ، إلى وظيفة ذروة حادة. وقد تم توضيح ذلك في مفارقة شرودنجر الشهيرة التي تتضمن صندوقًا مغلقًا وقطًا وقارورة سم (تُعرف باسم ' قطة شرودنغر ' المفارقة).

انطباع الفنان عن فوتونين يسافران بأطوال موجية مختلفة ، مما يؤدي إلى إضاءة بلون مختلف. الائتمان: ناسا / جامعة ولاية سونوما / Aurore Simonnet

وفقًا لنظريته ، تتطور وظيفة الموجة أيضًا وفقًا لمعادلة تفاضلية (ويعرف أيضًا باسم معادلة شرودنجر ). للجسيمات ذات الكتلة ، هذه المعادلة لها حلول ؛ ولكن بالنسبة للجسيمات التي ليس لها كتلة ، لا يوجد محلول. أكدت التجارب الإضافية التي تضمنت تجربة الشق المزدوج الطبيعة المزدوجة للفوتونات. حيث تم دمج أجهزة قياس لمراقبة الفوتونات أثناء مرورها عبر الشقوق.

عندما تم ذلك ، ظهرت الفوتونات في شكل جسيمات وتوافق تأثيرها على الشاشة مع الشقوق - بقع صغيرة بحجم الجسيمات موزعة في خطوط عمودية مستقيمة. من خلال وضع جهاز مراقبة في مكانه ، انهارت الوظيفة الموجية للفوتونات وعمل الضوء كجسيمات كلاسيكية مرة أخرى. كما تنبأ شرودنغر ، لا يمكن حل هذا إلا من خلال الادعاء بأن الضوء له وظيفة موجية ، وأن مراقبته يؤدي إلى انهيار نطاق الاحتمالات السلوكية إلى النقطة التي يصبح فيها سلوكه متوقعًا.

تم تطوير نظرية المجال الكمي (QFT) في العقود التالية لحل الكثير من الغموض حول ازدواجية الموجة والجسيم. وبمرور الوقت ، ثبت أن هذه النظرية تنطبق على الجسيمات الأخرى والقوى الأساسية للتفاعل (مثل القوى النووية الضعيفة والقوية). اليوم ، تعد الفوتونات جزءًا من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، حيث يتم تصنيفها على أنها بوزون - فئة من الجسيمات دون الذرية التي تحمل قوة وليس لها كتلة.

فكيف يسافر الضوء؟ بشكل أساسي ، السفر بسرعات لا تصدق (299792458 م / ث) وبأطوال موجية مختلفة ، اعتمادًا على طاقته. كما أنها تتصرف كموجة وجسيم ، قادرة على الانتشار عبر الوسائط (مثل الهواء والماء) وكذلك الفضاء. ليس له كتلة ، ولكن لا يزال من الممكن امتصاصه أو انعكاسه أو انكساره إذا لامس وسيطًا. وفي النهاية ، الشيء الوحيد الذي يمكنه حقًا تحويله ، أو إيقافه ، هو الجاذبية (أي الثقب الأسود).

ما تعلمناه عن الضوء والكهرومغناطيسية كان جوهريًا للثورة التي حدثت في الفيزياء في أوائل القرن العشرين ، وهي ثورة ظللنا نكافح معها منذ ذلك الحين. بفضل جهود العلماء مثل ماكسويل ، وبلانك ، وآينشتاين ، وهايزنبرغ ، وشرودينجر ، تعلمنا الكثير ، ولكن لا يزال لدينا الكثير لنتعلمه.

على سبيل المثال ، يظل تفاعلها مع الجاذبية (جنبًا إلى جنب مع القوى النووية الضعيفة والقوية) لغزا. فتح قفل هذا ، وبالتالي اكتشاف نظرية كل شيء (ToE) هو أمر يتطلع إليه علماء الفلك والفيزياء. يومًا ما ، قد يكون كل شيء قد اكتشفناه!

لقد كتبنا العديد من المقالات حول الضوء هنا في Universe Today. على سبيل المثال ، هنا ما هي سرعة الضوء؟ و كم تبعد سنة ضوئية؟ و ما هي نظرية النسبية لأينشتاين؟

إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول الضوء ، فاطلع على هذه المقالات من كتاب الفيزياء الفائقة ووكالة ناسا علوم المهمة صفحة.

لقد سجلنا أيضًا حلقة كاملة من Astronomy Cast كل شيء عن السفر بين النجوم. استمع هنا، الحلقة 145 .