سرعة الضوء

أن سرعة الضوء في الفراغ تعرف بوحدات SI على أن قيمتها الدقيقة هي c= 299,792,458 m/s وهو ما نقربه  عادة إلى الرقم 3.0×10⁸m/s وقد اختير هذا التعريف ليتفق مع المقاسة لسرعة الضوء بدلالة المتر. وقد جرت محاولات كثيرة لقياس c قبل الاتفاق على هذا المعيار. فقد كان جاليليو واحداً من الأوائل الين حاولوا، وقد فشل في ذلك ولكنه استنتج فقط أن انتقال الضوء " إن لم يكن لحظياً ذلك، وقد فشل في ذلك ولكنه استنتج فقط أن انتقال الضوء " إن يكن لحظياً فهو سريع للغاية". ثم ظهرت أول نتيجة كمية عام 1675 عندما استخدم الفلكي الدانماركي رومر الحركة النسبية بين الأرض وأحد أقمار كوكب المشتري، حيث استنتج أن الضوء ينتقل بسرعة 2.1×10⁸m/s تقريباً. ويعزي معظم الخطأ في قياسات رومر إلى القيمة غير الصحيحة لنصف قطر مدار الأرض. أما في عام 1849 فقد قاس الفيزيائي الفرنسي فيزو الزمن الذي يستغرقه الضوء للانتقال بين جبلين جيئة وذهاباً وكانت المسافة بين الجبلين 8.6 km. وكانت قيمة c كما أعطتها تجارب فيزو هي c = 3.1×10⁸m/s.

الشكل 1)): رسم مبسط لتجربة مايكلسون لقياس سرعة الضوء وإذا أدير المكعب المفضض بالسرعة المناسبة تماماً فإن الشعاع سينعكس إلى عين المشاهد. وتكون المسافة D في المواقع أكبر بكثير عما هو مبين بالشكل.

أن اول قياسات عالية الدقة هي ما قام بها الأمريكي أ. أ. مايكلسون في عشرينيات القرن العشرين، إذ قاس مايكلسون زمن الرحلة التي يقطعها شعاع ضوئي جيئة وذهاباً بين جبل سان أنطونيو ( ويسمى الآن جبل بالدي) وجبل ويلسون الذي يبعد عنه 70 km.

وكلاهما يعق في كاليفورنيا. واستخدم مايكلسون جهازاً يوضح الشكل ((1 رسماً مبسطاً له. ينعكس شعاع ضوئي منبعث من المصدر من على أحد جوانب مكعب فضضت أربع أسطح منه. ثم ينعكس كما هو موضح بالشكل. فإذا كان المكعب في الوضع الصحيح تماماً فإن الشعاع سيصل إلى عين المشاهد في الوضع المبين بالشكل.

افترض الآن أن المكعب أدير حول محور يمر بمركزه وتعامد الصفحة. وعندما يحتل المكعب الموضع المبين بالخطوط الثقيلة كما في الشكل ((1 فإن الشعاع ينعكس نحو المرأة كما هو مبين. وبمرور الوقت فإن الشعاع سيعود إلى المكعب قادماً من المرآة، إلا أن المكعب سيكون قد غادر الموقع الأول ودار حول نفسه إلى موضع كالمبين بالخطوط الخفيفة، أي أن الشعاع لن ينعكس نحو عين المشاهد. أما إذا أريد للشعاع أن يصل إلى عين المشاهد فلابد أن يكون المكعب قد أدير ربع دورة تمام خلال الزمن الذي يستغرقه الشعاع لكي يصل إلى المرأة ويرتد مها، إذ أنه تحت هذا الشرط فقط سيكون المكعب مرة أخرى في الوضع الموضح بالخطوط الثقيلة كما في الشكل (1)، وعندئذ يقوم المكعب بعكس الشعاع إلى العين.

الجدول ((1 : سرعة الضوء عند الطوق الموجي nm .589

وتلخص أسلوب القياس في تغيير سرعة دوران المكعب إلى أن يدخل الشعاع المنعكس إلى العين. وعند هذه القيمة لسرعة الدوران، فإننا نعلم أن الزمن الذي تستغرقه 1/4 دورة مساو للزمن الذي يستغرقه الضوء لكي يقطع مسافة مقدارها 2D.

من الضروري إذن أن نعرف فقط سرعة دوران المكعب والمسافة D حتى نتمكن من حساب سرعة الضوء. وقد أثبتت تجربة مايكلسون أن سرعة الضوء هي 2.99796×10⁸m/s.

لقد أجريت التجارب التي قررت القيمة الحالية لسرعة الضوء c في بداية السبعينات من القرن العشرين، باستخدام قياسات الطول الموجي والتردد للضوء المنبعث بالليزر. وستظل هذه القياسات هي أكثر ما أجرى من القياسات دقة بالنسبة لأي ثابت فيزيائي.