ما هي سرعة الضوء؟

سرعة الضوء هي حد السرعة لكل شيء في كوننا. أو هو؟

سرعة الضوء هي حد السرعة لكل شيء في كوننا. أو هو؟ (رصيد الصورة: Getty / Yuichiro Chino)



اقفز إلى:

يتحرك الضوء الذي ينتقل عبر الفراغ بسرعة 299،792،458 مترًا (983،571،056 قدمًا) في الثانية. هذا حوالي 186282 ميلًا في الثانية - ثابت عالمي معروف في المعادلات وباختصار بـ 'c' أو سرعة الضوء.



وفقًا لنظرية النسبية الخاصة للفيزيائي ألبرت أينشتاين ، التي تستند إليها الكثير من الفيزياء الحديثة ، لا شيء في الكون يمكنه السفر أسرع من الضوء. تنص النظرية على أنه مع اقتراب المادة من سرعة الضوء ، تصبح كتلة هذه المادة غير محدودة. هذا يعني أن سرعة الضوء تعمل كحد أقصى للسرعة في الكون بأسره. سرعة الضوء غير قابلة للتغيير ، وفقًا للولايات المتحدة. المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ، يتم استخدامه لتحديد القياسات القياسية الدولية مثل العداد (والامتداد ، والميل والقدم والبوصة). من خلال بعض المعادلات الماكرة ، تساعد أيضًا في تحديد كيلوغرام و كلفن .

ولكن على الرغم من شهرة الضوء على أنه ثابت عالمي ، فإن العلماء وكتاب الخيال العلمي على حد سواء يقضون وقتًا في التفكير في السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء. حتى الآن ، لم يتمكن أحد من معرفة كيفية السفر بهذه السرعة. لكن هذا لم يبطئ اندفاعنا الجماعي نحو القصص الجديدة والاختراعات الجديدة وعوالم الفيزياء الجديدة.



متعلق ب: النسبية الخاصة تصمد أمام اختبار عالي الطاقة

ما هي السنة الضوئية؟

التقط تلسكوب هابل الفضائي هذه الصورة للمجرة الحلزونية NGC 3972. وتبعد المجرة 65 مليون سنة ضوئية عن الأرض (هذا

التقط تلسكوب هابل الفضائي هذه الصورة للمجرة الحلزونية NGC 3972. وتبعد المجرة 65 مليون سنة ضوئية عن الأرض (أي 382 كوينتيليون ميل!) ويمكن العثور عليها في كوكبة Ursa Major.(رصيد الصورة: NASA / ESA، / A. Riess (STScI / JHU))



إلى سنة ضوئية هي المسافة التي يمكن أن يقطعها الضوء في عام واحد - حوالي 6 تريليون ميل (10 تريليون كيلومتر). إنها إحدى الطرق التي يقيس بها علماء الفلك والفيزياء مسافات هائلة عبر كوننا.

ينتقل الضوء من القمر إلى أعيننا في حوالي ثانية واحدة ، مما يعني أن القمر يبعد حوالي ثانية ضوئية عن القمر. يستغرق ضوء الشمس حوالي 8 دقائق للوصول إلى أعيننا ، لذا فإن الشمس تبعد حوالي 8 دقائق ضوئية. يتطلب الضوء من Alpha Centauri ، وهو أقرب نظام نجمي لنظامنا ، ما يقرب من 4.3 سنوات للوصول إلى هنا ، لذلك يقع Alpha Centauri على بعد 4.3 سنة ضوئية.

للحصول على فكرة عن حجم السنة الضوئية ، خذ محيط الأرض (24900 ميل) ، وضعه في خط مستقيم ، واضرب طول الخط في 7.5 (المسافة المقابلة هي ثانية واحدة ضوئية) ) ، ثم ضع 31.6 مليون سطر مماثل من النهاية إلى النهاية ، 'قال مركز أبحاث جلين التابع لناسا . 'المسافة الناتجة تقارب 6 تريليون (6.000.000.000) ميل!'



تقع النجوم والأجسام الأخرى خارج نظامنا الشمسي في أي مكان من بضع سنوات ضوئية إلى بضعة مليارات من السنين الضوئية. وكل شيء 'يراه' علماء الفلك في الكون البعيد هو حرفياً تاريخ. عندما يدرس علماء الفلك الأشياء البعيدة ، تظهر الأجسام كما كانت في الوقت الذي تركها الضوء.

متعلق ب: لماذا الكون كله تاريخ

يسمح هذا المبدأ لعلماء الفلك برؤية الكون كما بدا بعد الانفجار العظيم ، الذي حدث قبل حوالي 13.8 مليار سنة. تظهر الأجسام التي تبعد 10 مليارات سنة ضوئية لعلماء الفلك كما بدت قبل 10 مليارات سنة - بعد وقت قصير نسبيًا من بداية الكون - بدلاً من الشكل الذي تظهر به اليوم.

كيف تعلمنا سرعة الضوء؟

يُنسب إلى جاليليو جاليلي اكتشاف الأقمار الأربعة الأولى لكوكب المشتري.

أرسطو ، إمبيدوكليس ، جاليليو (كما هو موضح هنا) ، أولي رومر وعدد لا يحصى من الفلاسفة والفيزيائيين الآخرين في التاريخ قد فكروا في سرعة الضوء.(رصيد الصورة: ناسا)

في وقت مبكر من القرن الخامس ، اختلف الفلاسفة اليونانيون مثل إيمبيدوكليس وأرسطو حول طبيعة سرعة الضوء. اعتقد إيمبيدوكليس أن الضوء ، مهما كان مصنوعًا ، يجب أن ينتقل ، وبالتالي ، يجب أن يكون له معدل سفر. كتب أرسطو دحض وجهة نظر إمبيدوكليس في أطروحته الخاصة ، في العقل والمعقول ، بحجة أن الضوء ، على عكس الصوت والرائحة ، هو لحظي. كان أرسطو مخطئًا بالطبع ، لكن الأمر سيستغرق مئات السنين حتى يتمكن أي شخص من إثبات ذلك.

في منتصف القرن السابع عشر ، يروي برنامج تلفزيوني جديد ، عالم الفلك الإيطالي جاليليو جاليلي وقفت شخصين على تلال تفصل بينهما مسافة تقل عن ميل واحد. كان كل شخص يحمل فانوسًا محميًا. كشف أحدهم فانوسه. عندما رأى الشخص الآخر الفلاش ، كشف عنه أيضًا. لكن مسافة جاليليو التجريبية لم تكن كافية للمشاركين فيه لتسجيل سرعة الضوء. لم يستطع إلا أن يستنتج أن الضوء ينتقل أسرع بعشر مرات من الصوت.

في سبعينيات القرن السابع عشر ، حاول عالم الفلك الدنماركي أولي رومر إنشاء جدول زمني موثوق به للبحارة في البحر ، ووفقًا لما ذكره ناسا ، جاء بالصدفة أفضل تقدير جديد لسرعة الضوء. لإنشاء ساعة فلكية ، سجل التوقيت الدقيق لخسوف قمر المشتري ، آيو ، من الارض . بمرور الوقت ، لاحظ رومر أن خسوف آيو غالبًا ما يختلف عن حساباته. لاحظ أن الكسوف بدا متخلفًا أكثر عندما كوكب المشتري والأرض كانت تبتعد عن بعضها البعض ، وظهرت في وقت مبكر عندما كانت الكواكب تقترب وحدثت في الموعد المحدد عندما كانت الكواكب في أقرب نقطة أو أبعد نقطة لها - نسخة تقريبية من تأثير دوبلر أو الانزياح الأحمر . في قفزة حدسية ، قرر أن الضوء يستغرق وقتًا طويلاً للسفر من آيو إلى الأرض.

استخدم رومر ملاحظاته لتقدير سرعة الضوء. نظرًا لأن حجم النظام الشمسي ومدار الأرض لم يكن معروفًا بدقة بعد ، جادل بحث عام 1998 في المجلة الأمريكية للفيزياء ، كان قليلا. لكن في النهاية ، كان لدى العلماء عدد للعمل معه. قدرت حسابات رومر سرعة الضوء بحوالي 124000 ميل في الثانية (200000 كم / ثانية).

في عام 1728 ، أسس الفيزيائي الإنجليزي جيمس برادلي مجموعة جديدة من الحسابات على التغيير في الموقع الظاهر للنجوم بسبب تحركات الأرض حول الشمس. وقدر سرعة الضوء بـ 185.000 ميل في الثانية (301.000 كم / ثانية) - بدقة تصل إلى حوالي 1٪ من القيمة الحقيقية ، وفقًا لـ الجمعية الفيزيائية الأمريكية .

أعادت محاولتان جديدتان في منتصف القرن التاسع عشر المشكلة إلى الأرض. وضع الفيزيائي الفرنسي هيبوليت فيزو شعاعًا من الضوء على عجلة مسننة تدور بسرعة ، مع مرآة مثبتة على بعد 5 أميال (8 كم) لتعكسها مرة أخرى إلى مصدرها. سمح تغيير سرعة العجلة لـ Fizeau بحساب المدة التي يستغرقها الضوء للانتقال من الحفرة إلى المرآة المجاورة والعودة عبر الفجوة. استخدم عالم فيزيائي فرنسي آخر ، ليون فوكو ، مرآة دوارة بدلاً من عجلة لإجراء نفس التجربة أساسًا. جاءت الطريقتان المستقلتان في نطاق 1000 ميل في الثانية (1609 كم / ثانية) من سرعة الضوء.

في 15 أغسطس ، 1930 في سانتا آنا ، كاليفورنيا ، وقف الدكتور ألبرت أ. ميكلسون جنبًا إلى جنب مع الأنبوب المفرغ الذي يبلغ طوله ميلًا والذي سيتم استخدامه في آخر قياساته وأكثرها دقة لسرعة الضوء.

في 15 أغسطس ، 1930 في سانتا آنا ، كاليفورنيا ، وقف الدكتور ألبرت أ. ميكلسون جنبًا إلى جنب مع الأنبوب المفرغ الذي يبلغ طوله ميلًا والذي سيتم استخدامه في آخر قياساته وأكثرها دقة لسرعة الضوء.(رصيد الصورة: Getty / Bettman)

عالم آخر عالج لغز سرعة الضوء هو ألبرت أ.ميشيلسون المولود في بولندا ، والذي نشأ في كاليفورنيا خلال فترة اندفاع الذهب في الولاية ، وشحذ اهتمامه بالفيزياء أثناء حضوره الأكاديمية البحرية الأمريكية ، وفقًا لـ جامعة فيرجينيا . في عام 1879 ، حاول تكرار طريقة فوكو في تحديد سرعة الضوء ، لكن ميكلسون زاد المسافة بين المرايا واستخدم مرايا وعدسات عالية الجودة. تم قبول نتيجة ميكلسون البالغة 186355 ميلًا في الثانية (299،910 كم / ثانية) باعتبارها القياس الأكثر دقة لسرعة الضوء لمدة 40 عامًا ، حتى أعاد ميكلسون قياسها بنفسه. في الجولة الثانية من تجاربه ، أضاء ميكلسون الأضواء بين قمتين جبليتين بمسافات تم قياسها بعناية للحصول على تقدير أكثر دقة. وفي محاولته الثالثة قبل وفاته بقليل في عام 1931 ، وفقًا لما ذكره معهد سميثسونيان الهواء والفضاء في المجلة ، قام ببناء أنبوب طويل من الضغط المضاد للضغط من الأنابيب الفولاذية المموجة. قام الأنبوب بمحاكاة شبه فراغ من شأنه أن يزيل أي تأثير للهواء على سرعة الضوء للحصول على قياس أدق ، أقل بقليل من القيمة المقبولة لسرعة الضوء اليوم.

درس ميكلسون أيضًا طبيعة الضوء نفسه ، كما كتب عالم الفيزياء الفلكية إيثان سيغال في مدونة فوربس للعلوم ، يبدأ بانفجار . انقسمت أفضل العقول في الفيزياء في وقت تجارب ميشيلسون: هل الضوء موجة أم جسيم؟

عمل ميكلسون مع زميله إدوارد مورلي على افتراض أن الضوء يتحرك كموجة ، تمامًا مثل الصوت. ومثلما يحتاج الصوت إلى تحريك الجسيمات ، فإن ميكلسون ومورلي وغيرهما من علماء الفيزياء في ذلك الوقت يرون أنه يجب أن يكون للضوء نوع من الوسط للتحرك خلاله. كانت هذه الأشياء غير المرئية التي لا يمكن اكتشافها تسمى 'الأثير المضيء' (المعروف أيضًا باسم 'الأثير').

على الرغم من قيام ميكلسون ومورلي ببناء مقياس تداخل متطور (نسخة أساسية جدًا من الأداة المستخدمة اليوم في مرافق LIGO) ، لم يتمكن ميكلسون من العثور على أي دليل على أي نوع من الأثير المضيء على الإطلاق. لقد قرر أن الضوء يستطيع السفر عبر الفراغ.

كتب سيغال: `` كانت التجربة - ومجموعة أعمال ميكلسون - ثورية للغاية لدرجة أنه أصبح الشخص الوحيد في التاريخ الذي فاز بجائزة نوبل لعدم اكتشافه أي شيء بدقة. 'قد تكون التجربة نفسها فاشلة تمامًا ، لكن ما تعلمناه منها كان نعمة أكبر للإنسانية وفهمنا للكون أكثر من أي نجاح!'

النسبية الخاصة وسرعة الضوء

ألبرت أينشتاين على السبورة.

ألبرت أينشتاين على السبورة.(رصيد الصورة: ناسا)

وحدت نظرية أينشتاين للنسبية الخاصة الطاقة والمادة وسرعة الضوء في معادلة شهيرة: E = mc ^ 2. تصف المعادلة العلاقة بين الكتلة والطاقة - تحتوي كميات صغيرة من الكتلة (م) أو تتكون من كمية هائلة من الطاقة بطبيعتها (E). (هذا ما يجعل القنابل النووية قوية للغاية: إنها تحول الكتلة إلى انفجارات من الطاقة.) نظرًا لأن الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء ، فإن سرعة الضوء تعمل كعامل تحويل ، موضحًا بالضبط مقدار الطاقة التي يجب أن تكون داخل المادة. ولأن سرعة الضوء كبيرة جدًا ، يجب أن تساوي الكميات الصغيرة من الكتلة كميات هائلة من الطاقة.

من أجل وصف الكون بدقة ، تتطلب معادلة أينشتاين الأنيقة أن تكون سرعة الضوء ثابتة ثابتة. أكد أينشتاين أن الضوء يتحرك عبر الفراغ ، وليس أي نوع من الأثير المضيء ، وبطريقة أنه يتحرك بنفس السرعة بغض النظر عن سرعة المراقب.

فكر في الأمر على النحو التالي: يمكن للمراقبين الجالسين على قطار أن ينظروا إلى قطار يتحرك على طول مسار موازٍ ويفكرون في حركته النسبية لأنفسهم على أنها صفر. لكن المراقبين الذين يتحركون بسرعة الضوء تقريبًا ما زالوا يرون أن الضوء يبتعد عن أنفسهم بسرعة تزيد عن 670 مليون ميل في الساعة. (هذا لأن الحركة السريعة حقًا هي إحدى الطرق المؤكدة الوحيدة للسفر عبر الزمن - فالوقت في الواقع يتباطأ بالنسبة لهؤلاء المراقبين ، الذين سيتقدمون في العمر بشكل أبطأ ويرون لحظات أقل من المراقب يتحرك ببطء).

بعبارة أخرى ، اقترح أينشتاين أن سرعة الضوء لا تختلف باختلاف الوقت أو المكان الذي تقيسه فيه ، أو السرعة التي تتحرك بها أنت.

وفقًا للنظرية ، لا يمكن للأشياء ذات الكتلة أن تصل أبدًا إلى سرعة الضوء. إذا وصل جسم ما إلى سرعة الضوء ، فإن كتلته ستصبح غير محدودة. ونتيجة لذلك ، فإن الطاقة المطلوبة لتحريك الجسم ستصبح أيضًا غير محدودة.

هذا يعني أنه إذا أسسنا فهمنا للفيزياء على النسبية الخاصة ، فإن سرعة الضوء هي الحد الأقصى للسرعة الثابتة لكوننا - الأسرع الذي يمكن لأي شيء أن يسافر به.

ما الذي يذهب أسرع من سرعة الضوء؟

على الرغم من أن سرعة الضوء يشار إليها غالبًا بحدود سرعة الكون ، إلا أن الكون يتمدد بشكل أسرع. يتمدد الكون بما يزيد قليلاً عن 42 ميلاً (68 كيلومترًا) في الثانية لكل ميغا فرسخ من المسافة من المراقب ، كما كتب عالم الفيزياء الفلكية بول سوتر في مقال سابق لـ موقع demokratija.eu . (تبلغ مساحة الفرسخ الكبير 3.26 مليون سنة ضوئية - وهو طريق طويل حقًا).

بمعنى آخر ، يبدو أن مجرة ​​على بعد 1 ميغا فرسخ تبتعد عن درب التبانة بسرعة 42 ميلًا في الثانية (68 كم / ثانية) ، بينما تنحسر مجرة ​​على بعد 2 ميغا فرسك بسرعة 86 ميلاً في الثانية (136 كم / ثانية). ق) ، وما إلى ذلك.

وأوضح سوتر: 'في مرحلة ما ، على مسافة فاحشة ، تنقلب السرعة على المقاييس وتتجاوز سرعة الضوء ، وكل ذلك من التوسع الطبيعي المنتظم للفضاء'. 'يبدو أنه يجب أن يكون غير قانوني ، أليس كذلك؟'

توفر النسبية الخاصة حدًا مطلقًا للسرعة داخل الكون ، وفقًا لسوتر ، لكن نظرية أينشتاين لعام 1915 المتعلقة بالنسبية العامة تسمح بسلوك مختلف عندما لا تكون الفيزياء التي تفحصها 'محلية'.

مجرة في الجانب البعيد من الكون؟ هذا هو مجال النسبية العامة ، وتقول النسبية العامة: من يهتم! يمكن لتلك المجرة أن تتمتع بأي سرعة تريدها ، طالما أنها تبقى بعيدة جدًا ، وليست بجوار وجهك ، كتب سوتر. النسبية الخاصة لا تهتم بالسرعة - فائقة اللمعان أو غير ذلك - لمجرة بعيدة. ولا يجب عليك.

هل يتباطأ الضوء من أي وقت مضى؟

يتحرك الضوء عبر الماس بشكل أبطأ من الهواء. لكن الضوء يتحرك في الهواء أبطأ قليلاً مما ينتقل في الفراغ.

يتحرك الضوء بشكل أبطأ عند السفر عبر الماس مقارنةً بالتحرك في الهواء ، ويتحرك في الهواء بشكل أبطأ قليلاً مما يمكن أن ينتقل في الفراغ.(رصيد الصورة: Shutterstock)

عادةً ما يتم الاحتفاظ بالضوء في الفراغ بسرعة مطلقة ، ولكن يمكن إبطاء الضوء الذي ينتقل عبر أي مادة. تسمى الكمية التي تبطئ بها المادة الضوء بمعامل الانكسار. ينحني الضوء عند ملامسته للجسيمات ، مما يؤدي إلى انخفاض السرعة ، وفقًا لمقال توضيحي من أكاديمية خان .

متعلق ب: هذا ما تبدو عليه سرعة الضوء بالحركة البطيئة

على سبيل المثال ، يتحرك الضوء الذي ينتقل عبر الغلاف الجوي للأرض بنفس سرعة الضوء تقريبًا في الفراغ ، حيث يتباطأ بمقدار ثلاثة آلاف جزء من سرعة الضوء. لكن الضوء الذي يمر عبر الماس يتباطأ إلى أقل من نصف سرعته النموذجية ، برنامج تلفزيوني جديد ذكرت. ومع ذلك ، فإنها تنتقل عبر الأحجار الكريمة بسرعة تزيد عن 277 مليون ميل في الساعة (ما يقرب من 124000 كم / ثانية) - وهو ما يكفي لإحداث فرق ، ولكن لا يزال سريعًا بشكل لا يصدق.

يمكن للضوء أن يُحبس - بل ويوقف - داخل سحب الذرات شديدة البرودة ، وفقًا لدراسة أجريت عام 2001 نُشرت في المجلة. طبيعة سجية . في الآونة الأخيرة ، نشرت دراسة 2018 في المجلة رسائل المراجعة البدنية اقترح طريقة جديدة لإيقاف الضوء في مساراته عند 'نقاط استثنائية' ، أو الأماكن التي تتقاطع فيها انبعاثات ضوئية منفصلة وتندمج في واحدة.

حاول الباحثون أيضًا إبطاء الضوء حتى عندما ينتقل عبر الفراغ. نجح فريق من العلماء الاسكتلنديين في إبطاء فوتون واحد ، أو جسيم من الضوء ، حتى أثناء تحركه عبر فراغ ، كما هو موضح في دراستهم لعام 2015 المنشورة في المجلة. علم . في قياساتهم ، كان الفرق بين الفوتون البطيء والفوتون 'العادي' بضعة أجزاء من المليون من المتر ، لكنه أظهر أن الضوء في الفراغ يمكن أن يكون أبطأ من السرعة الرسمية للضوء.

لماذا ما زلنا نحب فكرة السفر بشكل أسرع من الضوء

يحب الخيال العلمي فكرة 'سرعة الالتواء'. يجعل السفر الأسرع من الضوء عددًا لا يحصى من امتيازات الخيال العلمي ممكنًا ، مما يؤدي إلى تكثيف المساحات الشاسعة من الفضاء والسماح للشخصيات بالظهور ذهابًا وإيابًا بين أنظمة النجوم بسهولة.

ولكن في حين أن السفر الأسرع من الضوء ليس مستحيلًا مضمونًا ، فسنحتاج إلى تسخير بعض الفيزياء الغريبة جدًا لجعله يعمل. لحسن الحظ لعشاق الخيال العلمي والفيزيائيين النظريين على حدٍ سواء ، هناك الكثير من السبل لاستكشافها.

كل ما يتعين علينا القيام به هو معرفة كيفية عدم تحريك أنفسنا - لأن النسبية الخاصة ستضمن تدميرنا لفترة طويلة قبل أن نصل إلى السرعة العالية الكافية - ولكن بدلاً من ذلك ، نقل الفضاء من حولنا. الحق سهلة؟

تتضمن إحدى الأفكار المقترحة مركبة فضائية يمكنها طي فقاعة الزمكان حول نفسها. يبدو رائعا ، سواء من الناحية النظرية أو في الخيال.

متعلق ب: يمكن أن تطير سفينة الفضاء أسرع من الضوء

قال سيث شوستاك ، عالم الفلك في معهد البحث عن ذكاء خارج الأرض (SETI): `` إذا كان الكابتن كيرك مقيدًا بالتحرك بسرعة صواريخنا الأسرع ، فسيستغرق الأمر مائة ألف عام فقط للوصول إلى النظام النجمي التالي. في ماونتن فيو ، كاليفورنيا ، في مقابلة عام 2010 مع موقع LiveScience الشقيق لـ ProfoundSpace.org . 'لذا افترض الخيال العلمي منذ فترة طويلة طريقة للتغلب على سرعة حاجز الضوء بحيث يمكن للقصة أن تتحرك بسرعة أكبر قليلاً.'

بدون السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء ، سيكون أي فيلم 'Star Trek' (أو 'Star War') مستحيلًا. إذا أرادت البشرية أن تصل إلى أبعد زوايا الكون - وتتوسع باستمرار - ، فسيكون الأمر متروكًا لفيزيائيي المستقبل للذهاب بجرأة إلى حيث لم يذهب أحد من قبل.

مصادر إضافية

بعض الأبحاث عن هذا المقال من قبل المساهم في موقع demokratija.eu نولا تايلور ريد.