ما هي طبيعة الضوء؟

تعتبر سرعة الضوء ثابثا مسلمًا به في الفيزياء الحديثة. فثباث سرعة الضوء هو المبدأ الذي قامت عليه نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، وهي أقصى سرعة يمكن أن يصل لها شيء. 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 أمرا مستحيلًا، ولم يكن محل اهتمام العلماء حينئذ. فقد كانت الإمكانيات المتاحة لا تستطيع قياس مثل تلك السرعات، واعتبرت سرعة الضوء سرعة لانهائية. ولكن استطاع عالم الفلك الدنماركي «أولي رومر – Ole Roemer» قياس سرعة الضوء عام 1676.[1] ولم يكن قياس سرعة الضوء هو ما يَسعى إليه، بل كان يعمل على دراسة أحد مدارات كوكب المشتري مدار «آيو IO».

اهتم رومر بدراسة هذا المدار لأن قياس معدل دوران أقمار ذاك المدار حول المشتري سيساعد المسافرين في تحديد الوقت بدقة. ولكنه اكتشف وجود تأخر في ذلك المعدل حين تبتعد الأرض عن المشتري، فاستنتج من خلال ذلك سرعة الضوء. بعد ذلك، تطورت قياسات سرعة الضوء حتى أصبحت لا تقتصر على القياسات الفلكية، بل على أجهزة معملية كذلك.[2] كتجربة مقياس التداخل للعالمين الأمريكيين «ألبرت ميكلسون – Albert Michelson» و«إدوارد مورلي – Edward Morley».

معادلات ماكسويل

يعتبر العالم «جيمس كلارك ماكسويل – James Clerk Maxwell» واحدا من أهم العلماء في تاريخ الفيزياء. حيث غَير ماكسويل مَجرى الفيزياء تمامًا باستنتاج معادلاته الأربع الشهيرة بـ “معادلات ماكسويل”. وتنص هذه المعادلات على:

الشحنة الكهربائية الخارجة من سطح مغلق تساوي مجموع الشحنات الكهربائية داخل ذلك السطح. وذاك هو قانون جاوس للمجال الكهربائي.
لا يوجد مغناطيس أحادي القطب، فالمغناطيس يحتوي على قطب شمالي وقطب جنوبي. ويسمى ذلك بقانون جاوس للمجال المغناطيسي.
نتيجة للتغير في المجال المغناطيسي ينشأ تيار كهربائي مستحث ليقاوم ذلك التغير. ويدعى قانون فارادي.
أما القانون الرابع فهو قانون أمبير الذي ينص على العلاقة بين المجال الكهربائي الثابت والمجال المغناطيسي. عدل ماكسويل في المعادلة ليجعلها تصف المجال الكهربائي المتغير أيضا. وساعدت المعادلة لاحقًا في استنتاج حركة الضوء في الفراغ.

وحد ماكسويل المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي لأول مرة بتلك المعادلات في مجال موحد يسمى المجال الكهرومغناطيسي. ويتحرك المجال الكهرومغناطيسي في الفضاء بسرعة ثابثة تساوي 299792458 متر في الثانية والتي تقترب من سرعة الضوء المقاسة حينها. ومن خلال نموذج ماكسويل للكهرومغناطيسية، فإن طبيعة الضوء ـ حسب ماكسويل ـ ما هي إلا موجة كهرومغناطيسية تسير بسرعة ثابثة هي سرعة الضوء.

الضوء كجسيم وكموجة

طبيعة الضوء كما استنتج ماكسويل هو موجة كهرومغناطيسية. والموجات الكهرومغناطيسية لا تقتصر فقط على الضوء، ولكنها طيف كامل يبدأ من موجات الراديو حتى أشعة جاما. وكل نطاق في ذاك الطيف له تردد معين وطول موجي معين تناظرهم طاقة معينة. وفي ظل عدم احتياج الضوء (أو الموجات الكهرومغناطيسية عمومًا) لوسط تنتقل من خلاله فسرعتها تسجل أعلى مستوياتها في الفراغ.

افترض العالم «ماكس بلانك – Max Planck» أن الموجات الكهرومغناطيسية هي عبارة عن كميات صغيرة من الطاقة. وإذا خصصنا ذلك فقط على الضوء، يمكننا أن نقول إن الضوء عبارة عن كم صغير من الطاقة اسمه فوتون. وبالتالي فالضوء هو جسيم (فوتون) وموجة هي (الموجة الكهرومغناطيسية).

واستنتجت النسبية الخاصة لأينشتاين تكافؤ الطاقة والكتلة في المعادلة الشهيرة (الطاقة = الكتلة X مربع سرعة الضوء)، إذ يجب على جسم ما أن تقترب كتلته من الصفر ليصل إلى سرعة الضوء. معمليًا، فإن إيصال جسيم ما لسرعة الضوء هو أمر مستحيل. أما عن سفر الإنسان بهذه السرعة فيجب أن تقترب كتلته من الصفر كما ذكر. ولكن فرضية الثقوب الدودية توفر فرصة للسفر بسرعة أكبر من سرعة الضوء، ولكن من خلال سرعة عالية، بل باختصار المسافة.[3]