لخّصلي

سرعة الضوء – The Speed of Light فإذا استطعت قياس هذه المسافة والزمن الذي يستغرقه الضوء لقطعها فإنه يمكنك قياس السرعة، وعلى الرغم من أن طريقته كانت غير دقيقة بالقدر الكافي إلا أنه استنتج أن سرعة الضوء كبيرة جدًا، كان الفلكي الدنماركي أولي رومر أول من أكد أن الضوء ينتقل بسرعة يمكن قياسها، فرصد الأزمنة عنده في موقعين مختلفين كما في الشكل (8-4). وقد أجرى رومر قياساته بوصفها جزءًا من مشروع كان يهدف إلى تحسين الخرائط، وذلك بحساب خطوط الطول لبعض المواقع على سطح الأرض. وكان هذا مثالًا مبكرًا على أهمية التقنية المتطورة في دفع عجلة التقدم العلمي. استطاع رومر بعد إجراء بعض القياسات أن يتوقع وقت حدوث خسوف القمر آيو، وتوصل إلى أن دوران القمر Io يزداد بمعدل (13 s) لكل دورة، اعتقد رومر أن كوكب المشتري يدور دورة منتظمة الحركة على مداره كما تراها الأرض تمامًا، لذا أخذ بعين الاعتبار أن السبب الذي يؤدي إلى هذا الفرق في قياسات الزمن الدوري للقمر هو انتقال الضوء. فإن الضوء القادم عند كل ظهور للقمر Io سيستغرق وقتًا أطول حتى يصل إلى الأرض، وبطريقة مماثلة عندما تقترب الأرض من المشتري فإن الزمن الدوري للقمر Io سيصبح أقصر. وهي الوقت اللازم تقريبًا لانتقال الأرض من الموقع (1) إلى الموقع (2) كما في الشكل (8-4)، وقد أجرى رومر حسابات متعلقة بانتقال الضوء، (خسوف × 103 خسوفات) (13 s / خسوف) = 22 min وباستخدام القيمة المعروفة حاليًا لقطر مدار الأرض (2. وعرفت سرعة الضوء في الوقت الحاضر بأنها تساوي (3. ولذلك فإن الضوء يقطع خلال 22 دقيقة مسافة تعادل قطر مدار الأرض. إذ أجرى العالم الفرنسي أرمان فيزو عام 1849م تجربة لقياس سرعة الضوء على الأرض مستخدمًا عجلة مسننة تدور بسرعة عالية، فاستعمل مرايا دوارة بدلًا من العجلة المسننة التي استخدمها فيزو، وحصل ميشيلسون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1907م،

سرعة الضوء – The Speed of Light

يتطلب انتقال الضوء من المصدر إلى الجسم المراد إضاءته أن يقطع الضوء مسافة معينة، فإذا استطعت قياس هذه المسافة والزمن الذي يستغرقه الضوء لقطعها فإنه يمكنك قياس السرعة، وذلك اعتمادًا على الميكانيكا الكلاسيكية. كان معظم الناس قبل القرن السابع عشر يعتقدون أن الضوء ينتقل لحظيًا، وكان العالم جاليليو أول من اقترح أن للضوء سرعة محددة، فاقترح طريقة لقياس سرعته مستخدمًا مفهومي المسافة والزمن. وعلى الرغم من أن طريقته كانت غير دقيقة بالقدر الكافي إلا أنه استنتج أن سرعة الضوء كبيرة جدًا، عاجزًا عن قياسها عبر مسافة عدة كيلومترات.

كان الفلكي الدنماركي أولي رومر أول من أكد أن الضوء ينتقل بسرعة يمكن قياسها، حيث أجرى قياساته بين عامي 1668 و1674م، حول الزمن الدوري للقمر آيو Io، أحد أقمار كوكب المشتري، والذي يساوي (1.8 day). فرصد الأزمنة عنده في موقعين مختلفين كما في الشكل (8-4). وقد أجرى رومر قياساته بوصفها جزءًا من مشروع كان يهدف إلى تحسين الخرائط، وذلك بحساب خطوط الطول لبعض المواقع على سطح الأرض. وكان هذا مثالًا مبكرًا على أهمية التقنية المتطورة في دفع عجلة التقدم العلمي.

⸻

قياسات سرعة الضوء

استطاع رومر بعد إجراء بعض القياسات أن يتوقع وقت حدوث خسوف القمر آيو، وقارن توقعاته بالأزمنة المقيسة فعليًا، وتوصل إلى أن دوران القمر Io يزداد بمعدل (13 s) لكل دورة، أي عندما تتحرك الأرض مبتعدة عن المشتري، وعندما تتحرك الأرض مقتربة من المشتري، اعتقد رومر أن كوكب المشتري يدور دورة منتظمة الحركة على مداره كما تراها الأرض تمامًا، لذا أخذ بعين الاعتبار أن السبب الذي يؤدي إلى هذا الفرق في قياسات الزمن الدوري للقمر هو انتقال الضوء.

واستنتج العالم رومر أنه عندما تتحرك الأرض مبتعدة عن كوكب المشتري، فإن الضوء القادم عند كل ظهور للقمر Io سيستغرق وقتًا أطول حتى يصل إلى الأرض، وذلك لازدياد البعد بين المشتري والأرض، وبطريقة مماثلة عندما تقترب الأرض من المشتري فإن الزمن الدوري للقمر Io سيصبح أقصر. وقد لاحظ رومر أن الفترة 182.5 يومًا، وهي الوقت اللازم تقريبًا لانتقال الأرض من الموقع (1) إلى الموقع (2) كما في الشكل (8-4)، خلاله يحدث 103 خسوفات، أي خسوف واحد للقمر Io كل (1.8 day).

وقد أجرى رومر حسابات متعلقة بانتقال الضوء، واستنتج أنه خلال هذه الفترة يحتاج إلى:

(خسوف × 103 خسوفات) (13 s / خسوف) = 22 min
أو 1.3 × 10³ s

وباستخدام القيمة المعروفة حاليًا لقطر مدار الأرض (2.9 × 10¹¹ m)، فإن قيمة رومر تعطي سرعة الضوء الآتية:

(2.9 × 10¹¹ m) ÷ ((22 min)(60 s/min)) = 2.2 × 10⁸ m/s

وعرفت سرعة الضوء في الوقت الحاضر بأنها تساوي (3.0 × 10⁸ m/s) تقريبًا، ولذلك فإن الضوء يقطع خلال 22 دقيقة مسافة تعادل قطر مدار الأرض.

وتمكن رومر من خلال قياساته بنجاح إثبات أن انتقال الضوء ليس لحظيًا، وتعدّ هذه نتيجة عظيمة مهدت لتطور علم الفيزياء لاحقًا.

لقد أُجريت بعد ذلك العديد من القياسات الدقيقة لسرعة الضوء، إذ أجرى العالم الفرنسي أرمان فيزو عام 1849م تجربة لقياس سرعة الضوء على الأرض مستخدمًا عجلة مسننة تدور بسرعة عالية، وقدّر سرعة الضوء بحوالي (3.13 × 10⁸ m/s). ثم جاء ميشيلسون في عام 1880م و1926م باستخدام تقنيات أفضل، فاستعمل مرايا دوارة بدلًا من العجلة المسننة التي استخدمها فيزو، ووجد أن قيمة سرعة الضوء تساوي (2.998 × 10⁸ m/s) تقريبًا، وكانت أفضل قيمة لاحقًا هي (2.997996 ± 0.000004) × 10⁸ m/s.

وحصل ميشيلسون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1907م، وكان أول من يحصل على الجائزة في علم الفيزياء في أمريكا