تحقيق مسبار
يتحقَّق المقال التالي من مدى إمكانية قياس سرعة الصوت في الفراغ، كما يتطرق للحديث عن سرعة الضوء وسرعة الصوت، وقياس سرعة الضوء وسرعة الضوء في الفراغ ,الزجاج، وكيفية قياس سرعة الضوء، ويجيب على سؤال كم تبلغ سرعة الضوء؟
هل يمكن قياس سرعة الصوت في الفراغ؟
غير صحيح، لا يمكن قياس سرعة الصوت في الفراغ. إذ إن الصوت عبارة عن موجة ميكانيكية، ولا يمكن أن تنتقل هذه الموجة إلى من خلال وسط ناقل لها من خلال اهتزاز جسيماتها وانتشارها. وأمثلة على الأوساط الناقلة للصوت: الهواء والماء.
ولأنه من غير الممكن قياس سرعة الصوت في الفراغ، فسرعته في الفراغ هي صفر متر في الثانية. وبالإضافة إلى ذلك، تعتمد سرعة الصوت على درجة حرارة الهواء، والتي تكون بمعدل 343 مترًا في الثانية تقريبًا.
سرعة الضوء في الفراغ
سرعة الضوء في الفراغ تبلغ 299.792.458 مترًا في الثانية، أي ما يقارب 186282 ميلًا في الثانية. ويمكن الحصول على أكبر سرعة للضوء وهو في الفراغ، بينما تتباطأ هذه السرعة عندما ينتقل الضوء عبر مادة أو وسط ما، وهذا ما يُعرف فيزيائيًا بمُعامِل الانكسار، إذ تقل سرعة الضوء عند ملامسته لجزيئات المادة وبالتالي انحنائه وانخفاض سرعته.
سرعة الضوء في الفراغ هي نفس سرعة الضوء في الغلاف الجوي الواصل للأرض تقريبًا، ولكن لو تم مقارنة سرعة الضوء في الألماس على سبيل المثال، فهو أبطأ بأقل من نصف سرعته المعهودة، وعلى عكس ذلك يكون في الأحجار الكريمة التي تزيد سرعة الضوء فيها إلى 277 مليون ميلًا في الساعة.
ومن الممكن إبطاء سرعة الضوء في الفراغ من خلال إبطاء فوتون واحد، أو جسيم من الضوء، هذا بحسب دراسة نُشِرَت عام 2015 أجراها مجموعة من العلماء الأسكتلنديين.
سرعة الضوء وسرعة الصوت
تختلف سرعة الضوء وسرعة الصوت، إذ إن سرعة الضوء عالية جدًا وتبلغ 300000 كيلو مترًا في الثانية، وتبدو سرعة الصوت بالمقارنة معها بطيئة جدًا، إذ تبلغ 0.2 ميلًا في الثانية أي 0.3 كيلومترًا في الثانية، وهذا ما يجعل المتلقي يرى البرق قبل أن يسمع صوت الرعد.
ومن أهم الاختلافات التي تميز كل من سرعة الضوء وسرعة الصوت أن الأولى ينتقل الضوء فيها من خلال موجات كهرومغناطيسية لا تتكون من مادة، بينما الثانية فهي عبارة عن موجات صوتية ميكانيكية تتكون من جسيمات، الأمر الذي يجعلها تصطدم ببعضها البعض.
قياس سرعة الضوء
يعود تاريخ قياس سرعة الضوء إلى الفلاسفة اليونانيين القدماء في القرن الخامس، أهمهما إيمبيدوكليس وأرسطو، وقد تكهَّن الأول أن الضوء مهما كان فهو بحاجةٍ لمسافة يقطعها، وهذا ما يجعل له معدل سفر خاص به. بينما كتب أرسطو عكس ذلك، ومفاد ما كتب أن الضوء فوري، على النقيض من الصوت والرائحة، ومن الواضح أن أرسطو لم يكن على حق في ذلك الوقت.
وتطوَّر مفهوم قياس سرعة الصوت على يد عالم الفلك جاليلو في منتصف القرن السابع، وذلك حين أوقف شخصين على تلال تفصلهما مسافة لا تتعدى الميل الواحد، وقد أعطى كلَّ واحد منهما فانوسًا، أظهر أحدهم فانوسه فرآه الآخر فأظهر فانوسه هو الآخر، ولكن لم تكن هذه التجربة كافية في قياس سرعة الضوء، ولكن أهم ما سجله العالم جاليلو أن الضوء ينتقل أسرع أكثر 10 مرات من الصوت.
توالت التجارب والصدف التي قادت العلماء نحو قياس سرعة الضوء، وهذا ما حدث مع عالِم الفلك الدنماركي أولي رومر في سبعينيات القرن السابع عشر أثناء محاولته إنشاء جدول زمني للبحارة في البحر، وبالخطأ توصَّل إلى تقدير سرعة الضوء، وذلك بعد تسجيله للتوقيت الدقيق لخسوف قمر كوكب المشتري من الأرض، وكان الخسوف أكثر تأخرًا في الظهور عندما كان كل من كوكب الأرض والمشتري يبتعدان عن بعضهما البعض، وبدا أكثر وضوحًا وفي موعده المحدد عندما كانت الكواكب أقرب لبعضها البعض.
وارتأى العالِم رومر في النهاية إلى أن قمر المشتري يحتاج وقتًا طويلًا للوصول إلى الأرض، وبحسب المعلومات غير الدقيقة آنذاك عن حجم النظام الشمسي والمدار الأرضي، خلص إلى قياس سرعة الضوء بكونها 124000 ميل في الثانية أي 200000 كم / ثانية.
أما عن الفيزيائي الأمريكي جيمس برادلي فقد لاحظ وجود تغييرات في الموقع الظاهري للنجوم عام 1728، وقدر على أثر هذه الملاحظة سجَّل سرعة الضوء 185000 ميلًا في الثانية.
وفي منتصف القرن التاسع عشر، حدثت محاولتان لعالِمَين فيزيائيين أعادت رحلة البحث عن قياس سرعة الضوء. المحاولة الأولى نفَّذَها الفيزيائي هيبوليت فيزو عندما وضع شعاعًا ضوئيًا على عجلة مُسَنَّنَة تدور، مع وجود مرآة تم تثبيتها على بُعد ثمانية كيلومترات، تعكسها لمصدرها مرة أخرى. وقد استفاد فيزو من تغيُّر سرعة العجلة، وتمكَّن من خلاله حساب المدة التي يحتاجها الضوء من أجل الانتقال للمرآة والعودة منها. أما عن العالِم الفرنسي ليون فوكو، فقد استخدم مِرآةً دوَّارةً بدلًا من العجلة، من أجل تطبيق التجربة ذاتها، واستنبط العالمان أن سرعة الضوء في حدود 1000 ميل في الثانية (1609 كم / ثانية).
وفي عام 1879، طبَّق ألبرت ميكلسون فكرة فوكو، ولكنه طوَّر من جودة المرايا والعدسات هذه المرة، وزاد من المسافة فيما بينها. وتم اعتماد قياس ميكلسون لسرعة الضوء مدة 40 سنة على أن تبلغ 186355 ميلًا في الثانية (299.910 كم/ثانية). ولقد كرَّر تجاربه أكثر من مرة حتى توصَّل إلى نتيجة عام 1931 قبل وفاته وكانت أقل بقليل من قيمة سرعة الضوء المعروفة حاليًا.
وعلاوة على ما ذُكِر، أصبح فيما بعد ما يُعرف بالسنة الضوئية، وهي المسافة التي يقطعها الضوء في السنة الواحدة، وتبلغ حوالي 6 تريليون ميل أي 10 تريليون كيلومتر، ويعتمد علماء الفيزياء والفلك على القياس بالسنين الضوئية في المسافات الشاسعة في الفضاء والكون.
كم تبلغ سرعة الضوء؟
تبلغ سرعة الضوء 300000 كيلومتر في الثانية تقريبًا، وهي سرعة ثابتة، ويُشار إليها في المعادلات بالرمز c. وقد لا تكون ثابتة تمامًا وهذا بحسب الوسط التي ينتقل من خلالها الضوء أو التداخل الكمي له.
ومن مميزات الضوء بأنه ينتشر في خط مستقيم بسرعة ثابتة بشكل نسبي، ولكنه قد ينكسر أو ينعكس أو ينحرف بطريقةٍ ما، كما وتتناسب شدة الضوء عكسيًا مع مُربع المسافة المقطوعة.
سرعة الضوء في الزجاج
تختلف سرعات الضوء بحسب الوسط الذي ينتقل من خلاله. فسرعة الضوء في الفراغ تختلف عن سرعة الضوء في الزجاج على سبيل المثال وذلك لاختلاف الوسط؛ إذ تقل هذه السرعة ويقل طول الضوء الموجي فيها ولكن يبقى التردد كما هو.
وتتباطأ سرعة الضوء في الزجاج بمُعامل انكسار 1.5 لتصبح سرعته 200000 كيلومترًا في الثانية، وتكون سرعته في الماء 225000 كيلومترًا في الثانية بمُعامل انكسار 1.3. أما في الألماس فيتباطأ كثيرًا بسبب مُعامل الانكسار الذي يبلغ 2.4 لتصبح سرعة الضوء في الألماس 125000 كيلومترًا في الثانية، وهي نسبة أقل بـ 60% من سرعته القُصوى في الفراغ.
كيفية قياس سرعة الضوء
يتميز الضوء بسرعته الكبيرة جدًا، وهذا ما يجعل من كيفية قياس سرعته أمرًا صعبًا، وليس من خلال أدوات بسيطة كالمصابيح كما فعل جاليلو على سبيل المثال، وبطرق بعيدة عن ردود الأفعال البشرية وحدّة أبصارهم.
ولم تكن كيفية قياس سرعة الضوء أمرًا سهلًا منذ البداية، إذ يبدو من خلال ما وُضِّح سابقًا في تاريخ قياسه اختلاف التجارب ومدى صعوبتها حتى توصل العلماء في النهاية لقياس محدد.
وأخيرًا، توصَّل العلماء في كيفية قياس سرعة الضوء لمعادلة متعلقة بالتردد ν وطول الموجة λ، إذ إن سرعة الضوء تساوي التردد مضروبًا بالطول الموجي: c=νλ.
