كيف عرفنا سرعه الضوء؟
سرعة الضوء كما نعرف الآن تقارب 300 ألف كم/ثانية
كيف يمكن لنا أن نتمكن من قياس شيء يتحرك بمثل تلك السرعة المذهله ؟
يمكنك بمثل هذه السرعه أن تدور حول كوكب الأرض سبعه مرات ونصف في خلال ثانية واحدة؟
ما رأيك صديقي القاريء أن تعرف ان بدايه تلك المحاولات لقياس سرعه الضوء كانت بزمن لم تتواجد فيه أي من تلك التقنيات الحاليه مثل اجهزه القياس الليزرية الموجودة لدينا الان؟
حتى انه لم تكن الكهرباء موجودة بعد ، أليس هذا عجيبا؟
محاولات قياس سرعة الضوء
حاول العالم الفلكى "جاليليو جاليلي" في أوائل القرن السابع عشر أن يقيس سرعة الضوء وقام بتجربته الشهيره
تجربه جاليليو لقياس سرعه الضوء
أرسل جاليليو بشخصين يحمل كل منهما مصباحا عاديا وكانت المسافة بينهما ميل واحد ،وطلب منهما جاليليو ان يعطي أحدهما للآخر إشارة ضوئيه بمصباحه و كان على الشخص الثاني بمجرد رؤيته الاشاره أن يرد عليها بإشارة أخرى وهكذا يكرران الاشارات بانتظام
ثم قام "جاليليو" بحساب الزمن بين إطلاق أحدهما الإشارة واستجابة الآخر، واضعا في اعتباره نسبه الخطأ البشري ليرى أن الفارق كان واضحا وهو الزمن الذي أستغرقه الضوء ليقطع المسافة بينهما وهى كما ذكرنا ميل كامل، لكن التجربة باءت بالفشل للاسف‼
اسباب فشل تجربه جاليليو
ان الضوء يقطع هذه المسافة البسيطه فى التجربه في جزء من مئة ألف جزء من الثانية وهو مقدار زمنى بالغ الصغر ولا يمكن ملاحظته ابدا بالعين المجردة فقط
ونتيجه تلك التجربه سجل "جاليليو" أن سرعة الضوء بالتاكيد أكبر من أن تحددها تجربة مثل هذه
و ربما هي أكبر بـ10 اضعاف من سرعة الصوت
تجربه رومر لقياس سرعه الضوء
بعد حوالى أربعين عاما من تجارب جاليليو قام عالم اخر يدعي "أولي رومر" بتجربة اخرى ولكن كانت هذه المره في غاية الذكاء والدقه كما سنرى بعد قليل👇
تلسكوب اولى رومر وبرادلي
في القرن السابع عشر كانت الرحلات البحريه فى اوج نشاطها ولكن كانت هناك إحدى المشكلات التى تحتاج حلا جذريا و تتمثل في الاتفاق على توقيت موحد للرحلات يمكن لكل البحارة أن يتفقوا عليه فى مختلف السواحل والموانيء البحريه حتى تنتظم رحلاتهم معا وتتزامن ، وفى هذا العصر لم تكن هناك ساعات بعد أو أي أدوات دقيقه تمكنهم وهم يبحرون -في داخل البحر- من قياس الوقت بدقه متوافقه مع من هم باليابس ، هنا تدخل العبقري "أوولي رومر" وهو العالم الفلكي الدنماركي ليبني على توقعات عبري اخر وهو "جاليليو" الذي سبق وقرر إنه يمكن لنا استخدام الخسوف الخاص باقمار كوكب المشتري وذلك الخسوف منتظم بدقة ومتكرر في تحديد الزمن والتفاق على انه ثابت لدى الجميع
تحديد الزمن باستخدام الخسوف
وكانت فكره رائعه و يمكن للبحارة فى عرض البحر استخدام التلسكوبات الصغيرة على سفنهم ، وتحديد لحظة دخول اكبر أقمار كوكب المشتري وليكن -القمر آيو IO مثلا- في منطقة الخسوف بدقة، لكن ظهرت مشكلة اخرى‼
مواقيت الخسوف القمري
لاحظ العالم اولى رومر أن مواعيد خسوف قمر المشتري تتغير عن الموعد المحسوب لها بتغير بُعد الأرض عن المشتري أثناء دورانهما حول الشمس؛ بحيث يتحدد الفارق في المدة من خلال مسافتهما من بعضهما؛ تلك المسافة التي تكبر عندما تكون الأرض أبعد ما يمكن عن المشتري، وتصغر عندما تكون الأرض أقرب ما يمكن من المشتري، وحين تكون الأرض في الوسط؛ يصبح الفارق وسطاً بين الحسابين، بذلك يصعب على البحارة استخدام تلك الفكرة لتحديد نظام التوقيت الخاص بهم، فأهملها الجميع، لكن "رومر" استمر في الرصد.
رومر يحدد سبب تأخر الخسوف
توصل "رومر" هنا إلى فكرة بسيطة تقول إنه: ربما المشكلة ليست في حركة القمر "آيو" أو في ظل المشتري، لكن المشكلة أن للضوء سرعة محددة، وبذلك يحتاج وقتا أطول للوصول للأرض حينما تكون بعيدة عن المشتري، قام "رومر" بعمل معادلاته لكنه ارتكب خطأ في حساب التغير في الموعد، فسجل سرعة الضوء على أنها 200 ألف كيلومتر في الثانية، إنه فارق ضخم بالفعل لكن طريقة "رومر" نفسها دقيقة للغاية ومع حسابات مضبوطة يكون الناتج دقيقا، في كل الأحوال نحن على بعد 50 عاما من تجربة أكثر دقة.
تحديد مواقع النجوم
التزيّح Parallax هو تغير ظاهري في موقع جسم نرصده من بعيد .. وهذا التغير نلاحظه بسبب تغير موقعنا نحن على كوكب الارض اثناء دورانها اليك مثال من الواقع :
انت ترى الشمس وقت الغروب توجد فوق مئذنة مسجد البلدة، ثم عندما تتحرك بسيارتك بضع عشرات الامتار وتنظر مره اخرى للشمس فتجدها الآن فوق مبنى اخر وتركت موقعها الاول .
عند دوران الأرض حول الشمس فى مسارها يكون قطر مدارها حوالي 300 مليون كيلومتر، ويؤدى ذلك الانتقال فى المدار الى انحراف لمواقع النجوم والاجسام التي نرصدها بالنسبة لنقطة اخرى ثابته ( نجم اخر مثلا)
التزييح النجمى
عند رصدنا لنجم خلال فصل الصيف وتحديد موقعه ثم خلال الشتاء نعاود رصد نفس النجم سوف نجد أن موقعه قد تغير أو "تزيح" عن الموقع السابق ،و كلما كان هذا النجم قريبا كان تغيير موقعه او(التزيح) واضحا بدرجه اكبر..
طريقه برادلى لقياس سرعه الضوء
سنة 1728 بينما كان العالم جيمس برادلي ، الفيزيائي البريطاني، يقوم برصد النجم "جاما التنين" فى كوكبة التنين النجميه . لاحظ بيانات غريبة في قياساته
فقد تحرك النجم في السماء خلال الرصد في شكل بيضاوي كبير بقطر 41 ثانية قوسية؛ بل إن قياسات لمجموعات أخرى من النجوم تسببت في نفس النتائج، الجميع يتحرك بنفس الشكل، ولم يكن من الممكن أن تكون النجوم بهذا القرب أو أن تكون كلها بجانب بعضها.
مثال لحركه النجوم
يشبه هذا عند وقوفك تحت الامطار ، سوف توجه المظلة للأعلى تماما باتجاه عمودي ، ولكن عندما تجري سيبدو المطر مائلا وليس عموديا وسوف توجه المظلة للأمام قليلا بحسب سرعتك فى الجرى
من هنا يمكنك حساب درجه ميل المظلة وقياس سرعة المطر بالنسبة لسرعتك فى الجري
ظل "برادلي" يفكر فى حيرة ‼ حتى اكتشف أثناء رحلة في نهر التايمز بجنوب إنجلترا أن المشكلة ربما لا علاقة لها بموضوع التزيح وتغيير الموقع الرصدى ، لكن المشكلة لها علاقة بسرعة دوران كوكب الأرض نفسه وليست المسافة التي قطعتها فى مدارها حول الشمس
مثال بسيط للحركه والسرعه
لنفهم ذلك دعنا نتخيل أن هناك قطارا متوقفا عند سقوط المطر فانك عندما تنظر من نافذتك ستجد أن قطرات المطر تتساقط بشكل عمودى تماما، ولكن عندما يتحرك القطار فترى المطر كأنما يسقط مائلا وليس عموديا واذا ارتفعت سرعة القطار يزداد الميل الظاهري لقطرات المطر
ذلك -إذن- هو ما يحصل عندما نرصد النجوم فى حركتها الضوء الساقط منها باتجاه عمودي على الأرض لا يظهر عموديا لأن الأرض نفسها تتحرك وتنتقل بمدارها ،
التوصل الى سرعه الضوء
هنا تمكن "برادلي" العبقري من خلال استخدام الرياضيات فى حساب المثلثات من قياس زاوية الميل لشعاع الضوء القادم من النجم المرصود واستطاع أن يعطي تقديرا قريب الدقة لسرعة الضوء وكانت حساباته هى 301 ألف كيلومتر/ الثانية!
عوده إلى كوكب الأرض
حسنا، لنعد إلى الأرض، لقد كانت تجربه "جاليليو" القديمه صحيحة من ناحيه الطريقه والخطوات لكن المسافة بين الشخصين كانت صغيره جدا
لذلك مكنتنا المسافات الشاسعه بين كوكبنا الأرض و العملاق المشتري أو رصدنا بعض النجوم في عمق الفضاء مكنتنا المسافات من قياس سرعة الضوء بطريقة أسهل وادق
طريقه فيزو لقياس سرعه الضوء
بحلول القرن التاسع عشر الميلادى أعطتنا المحركات فرصة مختلفة لقياس سرعة الضوء، بدأت من عند "أرماند فيزو" الفيزيائي الفرنسي.
كانت فكرة فيزو فعاله جدا وتتلخص فى تجربه كالتالى:
مصدر قوى للضوء يطلق شعاعا ضوئيا مركزا فى اتجاه مرآة على بعد ثمانية كيلومترات ليصل الى مرآة وينعكس عنها مرة أخرى ويعود الى مصدر انطلاقه
وفي طريق رجوع شعاع الضوء المنعكس نضع عجلة ذات فتحات وثقوب متكرره متساويه تدور تلك العجله بواسطة موتور قوي وفي أثناء عوده الشعاع الضوئي قد يمر من فتحات العجله الدائره وقد يصادف الجزء المصمت بلا فتحات منها وبذلك لن يعود مرة أخرى للمصدر ‼
و هنا يقوم "فيزو" بضبط سرعة دوران الموتور ودوران العجله المثقبه بحيث يمر الشعاع الضوئي المنعكس بين أحد الفتحات ويصل الى المرآة ثم في طريقه للعودة يمر بالفتحة التي تليها، هنا يمكنك ببساطه قياس المسافة بين الفتحتين بالعجله وسرعة اللف، وبذلك نتمكن من قياس سرعة الضوء بدقه وحسبها "فيزو" بقيمة 313 كم/ث بفارق 4% تقريبا عن النتيجة الدقيقة.
طريقه مايكلسون لقياس سرعه الضوء
بطريقة مشابهة، أجرى الفيزيائي الأمريكي ألبرت مايكلسون سنة 1920 تعديلات غاية في الدقة والأهمية على تجربة فيزو، فأضاف -بدلا من عجلة ذات الأسنان- مرآة ثمانية الأوجه تدور بسرعات مختلفة، على مسافة 35 كم، لتعكس شعاع الضوء من مصدر إلى مستقبل في الجهة المقابلة، وبحساب سرعة دوران المرآة استطاع فريق "مايكلسون" قياس سرعة الضوء بفارق طفيف عن القيمة المعروفة لها، فلقد توقع أنها 299,796 مضافا إليها أو مطروحا 4 كيلومترات.
قياس سرعة الضوء في المنزل
أما الصورة الحديثة عن سرعة الضوء فلقد تطورت بسبب الحرب العالمية الثانية مع حاجتنا لقياسات دقيقة تحدد سرعة الضوء كي نستطيع ضبط راداراتنا، وإرسال الشفرات إلى الطائرات والغواصات في أعماق الأطلنطي، كان مركز تلك القياسات هو تجربة الفيزيائي البريطاني لويز أيسن
طريقه لويز أيسن لقياس سرعه الضوء
صنع لويز أيسن موجات راكدة عبر تمرير موجتي ميكروويف لهُما نفس التردد والسعة، لكنهما متضادتان في الاتجاه، بداخل مساحة محددة 8 ميكرون، وتمكنت تلك التجربة من تحديد قراءة دقيقة لسرعة الضوء بلغت 299,792.5 كم/ساعة، لكي تفهم طريقة "أيسن" بشكل أفضل يمكن لك تنفيذ نفس التجربة في المنزل.
تجربه منزليه لقياس سرعه الضوء
كل ما تحتاجه هو جهاز ميكروويف، أزل منه الطبق الدوار، وضع بطول الميكروويف قطعة شيكولاتة طويلة، ثم أدر الجهاز لمدة دقيقة واحدة، ما سوف يحدث هو أن موجات الميكروويف هي موجات راكدة، تهتز فقط لأعلى ولأسفل في نفس المكان، في منطقة العقد بين الاهتزازات تكون طاقة الموجة أقل ما يكون، بينما تكون أعلى ما يكون في مناطق الموجات؛ لذلك حينما تخرج قطعة الشيكولاتة سوف تجد على سطحها مجموعة من النقاط التي انصهرت، والنقاط الأخرى التي لم تبدأ في الانصهار بعد.
الآن قم بحساب المسافة بين نقطتين منصهرتين على سطح قطعة الشيكولاتة، تلك هي نصف طول الموجة، يمكن بعملية حسابية بسيطة أن تضرب تلك القيمة في 2 للحصول على طول موجة كاملة، ثم بعد ذلك قم بضرب تلك القيمة في تردد الجهاز خاصتك -مدون في خلفية كل جهاز- وسوف تحصل على سرعة الضوء بشكل دقيق جدا، في المنزل!
ربما بعد تلك التجربة الأخيرة سوف يتضح لك الهدف الضمني لهذا المقال، للوهلة الأولى يبدو موضوع قياس سرعة الضوء أمرا غاية في الصعوبة، ويحتاج لمسافات ضخمة للغاية، لكن العلم يلعب دائما بطرق غير مباشرة، يدفعنا المنهج العلمي لابتكار طرق مختلفة تتحايل على ما يبدو مستحيلا فتنحي جزء الاستحالة جانبا، وتقتبس بعض الضوء من الممكن، في تجربة "فيزو" مثلا أبدلنا سرعة الضوء بسرعة دوران أسنان العجلة، وفي تجربة أيسن اعتمدنا قياس طول موجة راكدة واحدة، وها نحن نقيسها عبر قطعة شيكولاتة في المنزل، فقط لأن هناك قانونا ما يساعدنا على تحويل أشياء صعبة، لأخرى أسهل كثيرا، بمذاق رائع
والى مقال اخر ..دمتم بخير اصدقائي