التخطي إلى المحتوى
قياس سرعة الضوء 5 طرق علمية لقياس سرعة الضوء بدقة
قياس سرعة الضوء

قياس سرعة الضوء، عند سماع مصطلح قياس الأشياء بسرعة الضوء، فكر البشر على الفور في كيفية قياس العلماء لسرعة الضوء لأول مرة؟ في الماضي، اعتقد العلماء وعلماء الفلك أن سرعة الضوء لا نهائية، ومن بينهم جاليليو، الذي رفض فيما بعد هذا الاعتقاد وحاول قياس سرعة الضوء بطريقة بدائية، لكنه فشل، قائلاً إن سرعة الضوء كانت أكبر من أن يقيس.

قياس سرعة الضوء؟

في عام 1670 م، بعد سنوات من مراقبة تاريخ كسوف الشمس لأحد أقمار المشتري (Io-I)، لاحظ عالم الفلك الدنماركي Ole Roemer أن الكسوف تأخر عندما كانت الأرض على بعد 11 دقيقة من كوكب المشتري، وكان تاريخ الكسوف 11 دقيقة بمجرد اقتراب الكوكبين، إذا كان هناك فرق، فإن 22 دقيقة تحصل على المسافة التي قطعتها الأرض في 6 دقائق الشهور.

نظرًا لأن القمر Io يدور حول كوكبه بسرعة ثابتة (وإلا فإنه سيهبط عليه إذا انخفضت سرعته، أو يبتعد عنه إذا زادت) افترض رومر أن هذا الاختلاف يحدث لأن الضوء من القمر الوقت الذي يستغرقه للوصول Io to Earth تعني أن سرعة الضوء محددة وليست النتيجة النهائية التي يعتقدها الجميع، لقد حسب سرعة الضوء بالبيانات التي لديه، ولكن لقد ارتكب خطأً حسابيًا وحسب أن سرعة الضوء تساوي 200000 كيلومتر في الثانية (السرعة الفعلية هي 299.796 كيلومترًا في الثانية، وهي نسبة صحيحة بنسبة 66٪.

هذا بالفعل فرق كبير، لكن طريقة رومر نفسها دقيقة للغاية، من خلال حسابات دقيقة، وأهم اكتشاف قام به على أي حال هو التأكيد على أن سرعة الضوء ليست لانهائية.

5 طرق علمية لقياس سرعة الضوء بدقة

1- باستخدام المسافة والزمن

أحد أشهر القوانين وأكثرها بساطة في الفيزياء هو أن السرعة تساوي المسافة مقسومة على الوقت (v = d / t). باستخدام هذا القانون، يمكننا حساب مسافات كبيرة جدًا، مثل المسافة بين الأرض والقمر، من خلال الضوء. إذا كنت تعلم أن القيمة التقريبية لسرعة الضوء هي (3) × 108) وتستخدمها ككمية ثابتة، واحسب الوقت المستغرق للوصول من نقطة البداية إلى نقطة النهاية، ثم اضرب الناتج في مقدار السرعة للحصول على مقدار المسافة المطلوب قياسها.

العلاقة السابقة (حيث أوضحنا كيفية قياس المسافة) تعني أنه يمكننا قياس أي كمية غير معروفة إذا كانت هناك كمية أخرى معروفة وكان للمتغير الأخير الذي يمكن قياسه علاقة. لذلك، باستخدام العلاقة السابقة، يمكننا قياس سرعة الضوء عن طريق إشعاع الضوء على مسافة كبيرة معروفة وحساب الوقت المستغرق للوصول ساعة دقيقة للغاية، نظرًا لأن سرعة الضوء كبيرة جدًا، يمكننا استخدام مسافة كبيرة جدًا. يمكننا أيضًا استخدام المسافة مضروبة في 2 لإعادة الضوء إلى نقطة البداية مرة أخرى عن طريق وضع مرآة، حتى نتمكن من قياس سرعة الضوء بسهولة وبدقة باستخدام العلاقة (v = d / t)، على سبيل المثال:

إذا كانت المسافة بين الأرض والقمر (384.4 × 106 م)، فعندما يضرب الضوء سطح القمر من سطح الأرض، يستغرق الضوء حوالي 1.3 ثانية للوصول إلى سطح القمر. ثم بحساب سرعة الضوء (ع = 384.4 × 106 / 1.3) نجد أن سرعة الضوء: 2.9 × 108 م، وهي نسبة تقريبية. يمكن تطبيق هذه الطريقة على أي مسافة معروفة.

حاول جاليليو قياس سرعة الضوء بفانوس

عندما ظهر اسم جاليليو، يفكر معظم الناس في مساهماته في علم الفلك الرصدي، لكنه قام بالكثير من العمل على سرعة الضوء. ضوء في الليل، اخترت نقطتين متباعدتين، لكن ليس بعيدًا بهذه الطريقة يمكنك رؤية الضوء في الفانوس. ثم كان لديه شخصان يقفان على تلك النقاط، أحدهما به فانوس والآخر بجدار عاكس، ولكل منهما ساعة لحساب الوقت، ثم كان على الشخص الأول تشغيل الفانوس خلال الوقت المحسوب، والآخر اضطر إلى احسب وقت وصول الضوء بمقارنة وقت الوصول والمسافة المحسوبة، يمكنك وضعه مقدار تقريبي لسرعة الضوء. على الرغم من وجود العديد من الأخطاء، مثل وقت رد فعل الأشخاص عند حساب الوقت، أو ضعف آلة عد الوقت، أو ضعف مصدر الضوء إذا كانت المسافة قريبة جدًا. لكن هذه المحاولة لا تزال ذات قيمة كبيرة للعلماء اللاحقين.

2- بواسطة أقمار المشتري

يحاول عالم الفلك الدنماركي أولي رومر قياس الوقت الذي يستغرقه ثالث أكبر أقمار كوكب المشتري، آيو، للدوران حول الأرض من خلال مراقبة المدار. بعد سنوات من مراقبته من على سطح الأرض، توصل رومر إلى اكتشاف مفاجئ:

قياس سرعة الضوء
قياس سرعة الضوء

لاحظ رومر أنه عندما يتم رصد خسوف القمر بانتظام من سطح الأرض، فإن الوقت بين الخسوف المتتالي يصبح أقصر وأوضح هذا بسبب اختلاف المسافات بين الأرض والمشتري، حيث تتحرك الأرض نحو المشتري في مداره، ويزداد طولًا كلما ابتعدت الأرض عن المشتري. يقدر رومر أن بياناته تجمع هذه الاختلافات مع اقتراب الأرض من كوكب المشتري، سيكون كسوف أيو أبكر بحوالي 11 دقيقة مما كان متوقعًا بناءً على متوسط ​​الفترة المدارية متعددة السنوات. بعد 6.5 شهرًا، حدث الكسوف بعد 11 دقيقة مما كان متوقعًا حيث ابتعدت الأرض عن كوكب المشتري في مداره. أدرك رومر أن اضطراب الرحلات الجوية الطويلة يجب أن يكون كذلك لأن سرعة الضوء محدودة.

يقدر رومر أن الضوء يستغرق اثنتين وعشرين دقيقة (1320 ثانية) ليسافر في قطر مدار الأرض. يمكن بعد ذلك حساب سرعة الضوء بقسمة قطر مدار الأرض على فارق التوقيت، وجاء رومر بقيمة 214000 كم / ثانية، مقارنة بالقيمة الحالية البالغة 299.792 كم / ثانية. قطر مدار الأرض غير دقيق وهناك أخطاء في القياس تأخير. ومع ذلك، فهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إثبات أن سرعة الضوء محدودة.

3- باستخدام خواص الضوء

تعتمد معظم التقنيات الحديثة على استخدام خصائص الضوء. على سبيل المثال، بعد دراسة ماكسويل لقوانين الكهرومغناطيسية، يمكن الحصول على سرعة الضوء من خلال مقلوب الجذر التربيعي لمنتج نفاذية وسماحية الفضاء.

4- بواسطة العجلة المسننة الدوارة

كانت هذه تجربة أجراها العالم أرمان فيزو عام 1849 للحصول على أول قياس دقيق نسبيًا لسرعة الضوء. تعتمد هذه الطريقة أيضًا على العلاقة بين المسافة والسرعة والوقت، ولكن بهذه السرعة، كيف نحسب الوقت؟ سريع بشكل لا يصدق، هذا ما كان يدور في ذهن Vezzo، وهو يعرف بالضبط متى سيصل الضوء إلى إحدى هذه النقاط. من هذا يمكن حساب السرعة.

بنى Fieso جهازًا لمحاولة قياس سرعة الضوء، حيث كانت التروس والمرايا تفصل بينهما 8 كيلومترات، ثم أرسل نبضات من الضوء المركّز بينهما. ترك الضوء يرتد من ثقب صغير عبر مرآة مرة أخرى، ثم عبر نفس الفتحة إلى مرآة أخرى موضوعة خلف عجلة القيادة. تحل هذه المرآة محل الشخص في تعليمات الوصول خفيف، لذلك كانت التجربة أكثر دقة من تجربة جاليليو.

من خلال تدوير الترس، لاحظ السرعة التي ينتقل بها الضوء بين ترس الترس والعدسة التلسكوبية، ويظهر في المرآة خلف الترس. السفر ضمن مسافة 16 كم يمكن حساب الوقت t من خلال معرفة عدد الأسنان الموجودة على العجلة وسرعة العجلة ومسافة كل سن، حتى يتمكن Fizeau من حساب سرعة الضوء وهي 313300 كيلومتر في الثانية. إنها أعلى بحوالي 5٪ من القيمة الفعلية وهي الطريقة الأكثر دقة لقياس سرعة الضوء.

5- التقنيات الحديثة

بعد بضع مئات من السنين، أصبحت تقنيات قياس سرعة الضوء دقيقة بشكل مدهش وأحيانًا أكثر تعقيدًا. بعد اختراع الساعة الذرية عالية الدقة، أصبحت دقة القياس أعلى بكثير من ذي قبل. هناك أيضًا أجهزة بسيطة تعتمد على خصائص معينة للضوء، أو لديها القدرة على أن تكون دقيقة جدًا بحيث يمكنها قياس سرعة الضوء بحلول وقت وصوله. استخدم أشعة الليزر النبضية عالية السرعة وناشرات الحزمة والمرايا وأجهزة الكشف السريعة وأجهزة الذبذبات لتحقيق مسافات قصيرة من خلال انعكاسات متعددة.

حتى الآن، تم اختراع العديد من الأدوات البصرية التي يمكنها قياس سرعة الضوء بدقة. باستخدام هذه المعدات الحديثة غير المكلفة، يمكن الآن إجراء هذه التجربة التي كانت شبه مستحيلة في السابق بدقة كبيرة في المعامل المدرسية.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.