منذ العصور القديمة ، سعى الفلاسفة والعلماء إلى فهم الضوء. بالإضافة إلى محاولة تمييز خصائصه الأساسية (أي ما هو مصنوع - جسيم أم موجة ، إلخ) فقد سعوا أيضًا إلى إجراء قياسات محدودة لمدى سرعة انتقاله. منذ أواخر القرن السابع عشر ، كان العلماء يفعلون ذلك بالضبط 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 متحرك في الكون. تعتبر سرعته حاجزًا ثابتًا وغير قابل للكسر ، ويستخدم كوسيلة لقياس المسافة. ولكن ما مدى سرعة السفر؟
سرعة الضوء (ج):
يسافر الضوء بسرعة ثابتة تبلغ 1،079،252،848.8 (1.07 مليار) كم في الساعة. تصل إلى 299،792،458 م / ث ، أو حوالي 670،616،629 ميل في الساعة (ميل في الساعة). لوضع ذلك في المنظور ، إذا كان بإمكانك السفر بسرعة الضوء ، فستتمكن من الإبحار حول الكرة الأرضية 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) ، سيستغرق أكثر من 50 ساعة للدوران حول الكوكب مرة واحدة فقط.
رسم توضيحي يوضح المسافة التي يقطعها الضوء بين الأرض والشمس. الائتمان: LucasVB / المجال العام
لوضع ذلك في منظور فلكي ، يبلغ متوسط المسافة من الأرض إلى القمر 384398.25 كيلومترًا (238854 ميلًا). إذن يقطع الضوء تلك المسافة في حوالي ثانية. في غضون ذلك ، يبلغ متوسط المسافة من الشمس إلى الأرض حوالي 149.597.886 كيلومتر (92955817 ميلاً) ، 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 يبعد 4.25 سنة ضوئية ، فإننا نقول إنه 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 توصلنا إلى هذا القياس الدقيق للغاية لـ 'سرعة الضوء'؟
تاريخ الدراسة:
حتى القرن السابع عشر ، كان العلماء غير متأكدين مما إذا كان الضوء ينتقل بسرعة محدودة أم بشكل فوري. من أيام الإغريق القدماء إلى علماء وعلماء المسلمين في العصور الوسطى في أوائل العصر الحديث ، كان النقاش يتأرجح ذهابًا وإيابًا. لم يتم إجراء القياس الكمي الأول إلا بعد عمل عالم الفلك الدنماركي أول رومر (1644-1710).
في عام 1676 ، لاحظ رومر أن فترات القمر الأعمق للمشتري ، آيو ، بدت أقصر عندما كانت الأرض تقترب من المشتري عما كانت عليه عندما كانت تنحسر عنه. من هذا ، خلص إلى أن الضوء ينتقل بسرعة محدودة ، ويقدر أن الأمر يستغرق حوالي 22 دقيقة لعبور قطر مدار الأرض.
البروفيسور ألبرت أينشتاين يلقي محاضرة يوشيا ويلارد جيبس الحادية عشرة في معهد كارنيجي للتكنولوجيا في 28 ديسمبر 1934 ، حيث شرح نظريته حول كيف أن المادة والطاقة هما الشيء نفسه في أشكال مختلفة. الائتمان: AP Photo
كريستيان هيغنز استخدم هذا التقدير ودمجه مع تقدير لقطر مدار الأرض للحصول على تقدير قدره 220.000 كم / ثانية. إسحاق نيوتن تحدث أيضًا عن حسابات رومر في عمله الأساسي البصريات (1706). بالتكيف مع المسافة بين الأرض والشمس ، حسب أنه سيستغرق الضوء سبع أو ثماني دقائق للانتقال من واحد إلى الآخر. في كلتا الحالتين ، تم إيقافهما بهامش صغير نسبيًا.
أدت القياسات اللاحقة التي قام بها الفيزيائيون الفرنسيون هيبوليت فيزو (1819 - 1896) وليون فوكو (1819 - 1868) إلى تنقيح هذه القياسات بشكل أكبر - مما أدى إلى قيمة 315000 كم / ثانية (192،625 ميل / ثانية). وبحلول النصف الأخير من القرن التاسع عشر ، أصبح العلماء على دراية بالصلة بين الضوء والكهرومغناطيسية.
تم تحقيق ذلك من قبل علماء الفيزياء الذين يقيسون الشحنات الكهرومغناطيسية والإلكتروستاتيكية ، والذين وجدوا بعد ذلك أن القيمة العددية كانت قريبة جدًا من سرعة الضوء (كما تم قياسها بواسطة Fizeau). بناءً على عمله الخاص ، الذي أظهر أن الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء الفارغ ، اقترح الفيزيائي الألماني فيلهلم إدوارد ويبر أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية.
جاء الاختراق العظيم التالي في أوائل القرن العشرين / في ورقته البحثية عام 1905 بعنوان 'في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة '، البرت اينشتاين أكد أن سرعة الضوء في الفراغ ، المقاسة بواسطة مراقب غير متسارع ، هي نفسها في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي ومستقلة عن حركة المصدر أو المراقب.
يُظهر الليزر الذي يضيء عبر كوب من الماء عدد التغييرات في السرعة (بالميل / ساعة) التي يمر بها أثناء مروره من الهواء إلى الزجاج والماء والعودة مرة أخرى. الائتمان: بوب كينغ
باستخدام هذا و مبدأ النسبية لغاليليو كأساس ، اشتق أينشتاين من نظرية النسبية الخاصة حيث سرعة الضوء في الفراغ (ج) كان ثابتًا أساسيًا. قبل ذلك ، رأى إجماع العمل بين العلماء أن الفضاء مليء بـ 'الأثير المضيء' الذي كان مسؤولاً عن انتشاره - أي أن الضوء الذي ينتقل عبر وسيط متحرك سوف يجره الوسط.
وهذا بدوره يعني أن السرعة المقاسة للضوء ستكون مجموع سرعتهعبرالمتوسط زائد السرعةمنهذا الوسيط. ومع ذلك ، فإن نظرية أينشتاين جعلت مفهوم الأثير الثابت عديم الفائدة وأحدثت ثورة في مفاهيم المكان والزمان.
لم يقتصر الأمر على تطوير فكرة أن سرعة الضوء هي نفسها في جميع الإطارات المرجعية بالقصور الذاتي ، بل قدمت أيضًا فكرة أن التغييرات الرئيسية تحدث عندما تتحرك الأشياء بالقرب من سرعة الضوء. يتضمن ذلك الإطار الزمني والمكان لجسم متحرك يبدو أنه يتباطأ ويتقلص في اتجاه الحركة عند قياسه في إطار المراقب (أي تمدد الوقت ، حيث يتباطأ الوقت مع اقتراب سرعة الضوء).
وعملت ملاحظاته أيضًا على التوفيق بين معادلات ماكسويل للكهرباء والمغناطيسية مع قوانين الميكانيكا ، وتبسيط الحسابات الرياضية عن طريق التخلص من التفسيرات الدخيلة التي يستخدمها علماء آخرون ، وتوافقها مع سرعة الضوء المرصودة مباشرة.
خلال النصف الثاني من القرن العشرين ، من شأن القياسات الدقيقة المتزايدة باستخدام مقاييس الاستدلال بالليزر وتقنيات الرنين التجويفي تحسين تقديرات سرعة الضوء. بحلول عام 1972 ، استخدمت مجموعة في المكتب الوطني الأمريكي للمعايير في بولدر ، كولورادو ، تقنية مقياس الاستدلال بالليزر للحصول على القيمة المعترف بها حاليًا وهي 299،792،458 م / ث.
دور في الفيزياء الفلكية الحديثة:
منذ ذلك الحين ، تم تأكيد نظرية أينشتاين القائلة بأن سرعة الضوء في الفراغ مستقلة عن حركة المصدر والإطار المرجعي بالقصور الذاتي للمراقب من خلال العديد من التجارب. كما أنه يضع حدًا أعلى للسرعات التي يمكن أن تنتقل بها جميع الجسيمات عديمة الكتلة والموجات (بما في ذلك الضوء) في الفراغ.
أحد نتائج هذا الأمر هو أن علماء الكونيات يتعاملون الآن مع المكان والزمان على أنهما بنية واحدة موحدة تُعرف باسم الزمكان - حيث يمكن استخدام سرعة الضوء لتحديد القيم لكليهما (أي 'سنوات ضوئية' و 'دقائق ضوئية' و 'ثواني ضوئية'). أصبح قياس سرعة الضوء أيضًا عاملاً رئيسًا عند تحديد معدل التوسع الكوني.
ابتداءً من عشرينيات القرن العشرين بملاحظات Lemaitre و Hubble ، أدرك العلماء وعلماء الفلك أن الكون يتوسع من نقطة نشأته. لاحظ هابل أيضًا أنه كلما ابتعدت المجرة ، كلما بدا أنها تتحرك بشكل أسرع. فيما يشار إليه الآن باسم معلمة هابل ، السرعة التي يتمدد بها الكون تُحسب إلى 68 كم / ث لكل ميجابرسك.
هذه الظاهرة التي فُرضت على أنها تعني أن البعض يمكن أن تتحرك المجرات أسرع من سرعة الضوء ، قد يضع حدًا لما يمكن ملاحظته في كوننا. بشكل أساسي ، المجرات التي تسافر أسرع من الضوء ستعبر 'أفق الحدث الكوني' ، حيث لم تعد مرئية لنا.
وبحلول التسعينيات أيضًا ، أظهرت قياسات الانزياح الأحمر للمجرات البعيدة أن تمدد الكون يتسارع خلال المليارات القليلة الماضية. وقد أدى ذلك إلى ظهور نظريات مثل ' الطاقة المظلمة '، حيث تدفع قوة غير مرئية تمدد الفضاء نفسه بدلاً من تحرك الأجسام خلاله (وبالتالي لا تضع قيودًا على سرعة الضوء أو تنتهك النسبية).
جنبًا إلى جنب مع النسبية الخاصة والعامة ، استمرت القيمة الحديثة لسرعة الضوء في الفراغ في إعلام علم الكون وفيزياء الكم والنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يظل ثابتًا عند الحديث عن الحد الأعلى الذي يمكن للجسيمات عديمة الكتلة السفر عنده ، ويظل حاجزًا غير قابل للتحقيق للجسيمات التي لها كتلة.
ربما ، يومًا ما ، سنجد طريقة لتجاوز سرعة الضوء. على الرغم من عدم وجود أفكار عملية حول كيفية حدوث ذلك ، يبدو أن الأموال الذكية تعتمد على التقنيات التي ستسمح لنا بالالتفاف على قوانين الزمكان ، إما عن طريق إنشاء فقاعات ملتوية (تُعرف أيضًا باسم. Alcubierre الاعوجاج محرك ) ، أو نفق من خلاله (ويعرف أيضًا باسم. الثقوب الدودية ).
حتى ذلك الوقت ، علينا فقط أن نكون راضين عن الكون الذي يمكننا رؤيته ، وأن نلتزم باستكشاف الجزء الذي يمكن الوصول إليه باستخدام الطرق التقليدية.
لقد كتبنا العديد من المقالات حول سرعة الضوء لـ Universe Today. هنا ما هي سرعة الضوء؟ و كيف تتحرك المجرات أسرع من الضوء؟ و كيف يمكن السفر عبر الفضاء أسرع من سرعة الضوء؟ ، و كسر سرعة الضوء .
هذه آلة حاسبة رائعة تتيح لك تحويل الكثير وحدات مختلفة لسرعة الضوء ، وهنا أ حاسبة النسبية ، في حالة رغبتك في السفر بسرعة تقارب سرعة الضوء.
يحتوي Astronomy Cast أيضًا على حلقة تتناول أسئلة حول سرعة الضوء - تظهر الأسئلة: النسبية ، والنسبية ، والمزيد من النسبية .
مصادر: