تعد سرعة الضوء أيضًا معلمة مهمة للضوء، وتحديدها في تاريخ تطور البصريات له أهمية خاصة ومهمة للغاية، ليس فقط لتعزيز التطوير العميق للتجارب البصرية، ولكن أيضًا لكسر المفهوم التقليدي للبصريات. سرعة الضوء لا نهائية. وفي تطور الدراسة النظرية للفيزياء، فإن تحديد سرعة الضوء لنظرية الجسيمات ونظرية التذبذب يوفر أساسًا للحكم، ويعزز في النهاية اكتشاف وتطوير نظرية النسبية لأينشتاين.
كيف يتم قياس سرعة الضوء
1. مقدمة لقياس سرعة الضوء
كان هناك خلاف في الفيزياء حول سرعة الضوء. اعتقد كل من كيبلر وديكارت أن الضوء ينتقل بدون زمن وفي لحظة. اعتقد جاليليو أن سرعة الضوء، على الرغم من أنها سريعة بشكل غير عادي، يمكن قياسها، وفي عام 1607، أجرى جاليليو أول تجربة لقياس سرعة الضوء. طريقة جاليليو في القياس هي جعل شخصين يقفان على قمة جبلين على مسافة 1.6093 كيلومترًا، كل منهما يحمل مصباحًا، أول شخص يرفع المصباح، عندما رأى الشخص الثاني مصباح الشخص الأول رفع مصباحه على الفور، من الشخص الأول الذي يرفع المصباح ليرى مصباح الشخص الثاني هو الفاصل الزمني بين وقت انتشار الضوء، وبعد ذلك وفقًا للمسافة بين المكانين سيكون قادرًا على الحصول على سرعة انتشار الضوء. ومع ذلك، نظرًا لأن سرعة انتشار الضوء سريعة جدًا، إلى جانب أن الراصد يجب أن يكون لديه أيضًا وقت رد فعل معين، لذلك لم تنجح محاولات جاليليو، لكن تجربة جاليليو هي فتح تاريخ البشرية على سرعة انتشار الضوء لقياس سرعة انتشار الضوء. تمهيدا للدراسة.
2. القياس الفلكي
في عام 1676، اقترح عالم الفلك الدنماركي رومر لأول مرة طريقة أكثر فعالية لقياس سرعة الضوء. يمكن استخدام أي عملية دورية كـ "ساعة"، وقد نجح في العثور على ساعة كوكب المشتري البعيدة جدًا عن الأرض: قمر صناعي يخسف بالمشتري كل فترة معينة. ولاحظ أن الوقت بين خسوفين متتاليين للقمر الصناعي، عندما تعود الأرض عن حركة المشتري، من حركة الأرض نحو المشتري أطول من الفارق الزمني بحوالي 15 ثانية. رومر من خلال رصد خسوف القمر الصناعي وقطر مدار الأرض لسرعة الضوء: 214300 كم في الثانية. هذه القيمة من سرعة الضوء من دقة قيمة الفرق كبيرة جدًا، لكن هذه ليست طريقة القياس غير صحيحة، الشيء الرئيسي هو أن معرفة نصف قطر مدار الأرض في ذلك الوقت هو مجرد تقريبي، في حين أن قياس فترة كسوف القمر الصناعي ليس دقيقا بما فيه الكفاية. لاحقاً، استخدم العلماء طريقة التصوير الفوتوغرافي لقياس وقت خسوف القمر الصناعي لكوكب المشتري، وتم تحسين دقة قياس نصف القطر المداري للأرض، وذلك باستخدام طريقة رومر للعثور على سرعة انتشار الضوء وهي 299840 في الثانية 60 كم، وهي قريبة جداً من القيمة الدقيقة للقياسات المخبرية الحديثة.
في عام 1728، قام عالم الفلك الإنجليزي برادلي بقياس سرعة الضوء باستخدام طريقة انتقال الضوء لفرق النجوم. أثناء مراقبته للنجوم على الأرض، لاحظ برادلي أن المواقع الظاهرة للنجوم تتغير باستمرار، وأنه خلال عام بدت جميع النجوم وكأنها تدور حول شكل بيضاوي بمحاور متساوية نصف الطول حول السمت لمدة أسبوع. وأرجع هذه الظاهرة إلى أن الضوء الصادر من النجوم يستغرق بعض الوقت لينتقل إلى الأرض، وأن الأرض خلال هذا الوقت تغيرت موقعها عن طريق الدوران، ومنه قاس سرعة الضوء فكانت 299,930 كيلومترًا في اليوم. ثانية.
3. قياس العتاد
في عام 1849، استخدم العالم الفرنسي فيسو لأول مرة جهازًا تجريبيًا مصممًا لتحديد سرعة انتشار الضوء، وكان مبدأ القياس الخاص به مشابهًا لمبدأ غاليليو. وضع مصدر ضوء نقطي في بؤرة العدسة، بين العدسة ومصدر الضوء لوضع ترس، في العدسة على الجانب الآخر من الجانب البعيد للعدسة الأخرى ووضع مرآة مستوية بدورها، وتقع المرآة المستوية في بؤرة العدسة الثانية. نقطة مصدر الضوء الصادر من خلال التروس والعدسات إلى ضوء متوازي، ضوء موازي من خلال العدسة الثانية ثم في المرآة المستوية متجمع عند نقطة، في المرآة المستوية بعد انعكاسها في طريق العودة الأصلي. نظرًا لأن الترس به فجوة وأسنان، فعندما يمر الضوء عبر الفجوة عندما يتمكن المراقب من رؤية ضوء الإرجاع، عندما يلتقي الضوء بالأسنان، سيتم حجبه. الوقت من البداية إلى أول اختفاء للضوء العائد هو الوقت الذي يستغرقه الضوء للقيام برحلة واحدة ذهابًا وإيابًا، ووفقًا لسرعة التروس، ليس من الصعب معرفة هذه المرة. بهذه الطريقة قام فيشر بقياس سرعة الضوء فكانت 315,000 كيلومتر في الثانية، ولأن التروس كانت ذات عرض معين، كان من الصعب قياس سرعة انتشار الضوء بدقة باستخدام هذه الطريقة.
في عام 1850، قام الفيزيائي الفرنسي فوكو بتحسين طريقة فيسو باستخدام عدسة ومرآة مستوية دوارة ومرآة مقعرة فقط. يتقارب الضوء الموازي على مركز المرآة المقعرة من خلال المرآة المستوية الدوارة، ويمكن استخدام نفس سرعة دوران المرآة المستوية لإيجاد زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا لشعاع الضوء، وسرعة الضوء المقاسة بهذه الطريقة هي 298 ،000كم في الثانية.
4. طريقة القياس بالميكروويف
موجات الضوء هي جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي، ويجري علماء الطيف الكهرومغناطيسي لكل نوع من معلمات الموجات الكهرومغناطيسية قياسات دقيقة. في عام 1950، اقترح آيزن طريقة رنين التجويف لقياس سرعة الضوء. مبدأ القياس هو:الميكروويف من خلال التجويف، عندما تردده هو قيمة معينة سوف يتردد صدى، طول موجة الرنين α وتجويف الرنين من محيط محيط العلاقة بين R على النحو التالي:
R=2.404825λ
وبعد ذلك وفقا لحاصل ضرب الطول الموجي والتردد سوف تحصل على سرعة الضوء. من خلال القياس الدقيق لقطر تجويف الرنين، يمكن تحديد الطول الموجي الدقيق للرنين، بينما يمكن قياس قطر التجويف بدقة بطرق قياس التداخل، ويمكن تحديد التردد الكهرومغناطيسي بدقة بواسطة طريقة التردد التفاضلي خطوة بخطوة. آيزن بطريقته المقترحة للحصول على سرعة الضوء 299792.5 ثانية 1 كم في الثانية، دقة القياس 10-7.
5. القياس بالليزر
في عام 1972، استخدم المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في بولدر، كولورادو، الولايات المتحدة الأمريكية، قياس التداخل بالليزر لتحديد سرعة الضوء، مما أدى إلى الحصول على c=299792456.2±1.1m/s، والحصول على دقة القياس. بما يصل إلى 10-9، وهو أكثر دقة 100 مرة من القياس السابق. وبما أن التجارب المماثلة أسفرت عن قيم مماثلة لسرعة الضوء، فقد أوصى المؤتمر الدولي السابع عشر للأوزان والمقاييس في عام 1983 بـ 299792458 م/ث كقيمة لسرعة الضوء.
التسلسل الزمني للصورة لقياسات سرعة الضوء
لقد كانت سرعة الضوء في رحلة استغرقت أكثر من 300 عام من القياسات وتم الانتهاء منها أخيرًا. وفي عملية البحث، جمع العلماء بشكل مثالي بين النظرية والتطبيق، والحساب والقياس، وحصلوا أخيرًا على قيمة دقيقة لسرعة الضوء.
إن تحديد سرعة الضوء لا يؤثر فقط على تعريف وحدة "المتر"، بل يساعد أيضًا في إجراء المزيد من الأبحاث. قد تبدو الوحدات القياسية مثل سرعة الضوء و"المتر" تافهة، لكنها شهدت تقدم الحضارة الإنسانية. العلم ليس له حدود، وقد بدأت للتو رحلة البشرية لاستكشاف العالم.
