5 طرق علمية لقياس سرعة الضوء بدقة

تعد سرعة الضوء من أكثر القيم الثابتة في الفيزياء ، حيث يتم قياسها بدقة شديدة .ومع ذالك تعد هذه القيم تقريبية جداً لسرعة الضوء ،فالضوء سريع جدًا لدرجة أنه من الصعب قياسه بطريقة مباشرة.لكن هناك 5 طرق علمية يمكنك من خلالها قياس سرعة الضوء بدقة:

1- بإستخدام المسافة والزمن

من أشهر القوانين وأبسطها في الفيزياء هي أن السرعة تساوي المسافة مقسومة على الزمن (v=d/t).بإستخدام هذا القانون استطعنا أن نحسب مسافات كبيرة جداً مثل المسافة بين الأرض والقمر ،بواسطة الضوء .حيث انه عند معرفة سرعة الضوء التقريبية وهي (3×10⁸) واستخدامها كمقدار ثابت ،وحساب الزمن المستغرق عند الوصول من نقطة البداية الى نقطة النهاية ،وضرب الناتج في مقدار السرعة يعطي ذالك مقدار المسافة المطلوب قياسها.

المقصود من العلاقة السابقة والتي وضحنا فيها كيفية قياس المسافة ،انه يمكننا قياس أي مقدار مجهول، اذا كان هناك مقدار أخر معلوم وآخر متغير يمكن قياسه يجمعهما علاقة واحدة.وبالتالي بإستخدام العلاقة السابقة يمكننا قياس سرعة الضوء ،عن طريق اصدار الضوء لمسافة كبيرة معلومة وحساب الزمن المستغرق للوصول بواسطة ساعة دقيقة جداً،ونظراً لسرعة الضوء المهولة يمكننا استخدام مسافة كبيرة جداً .كما يمكننا استخدام مسافة واحدة وضربها في 2 ،عن طريق وضع مرآة عاكسة للضوء لإرجاع الضوء لنقطة البداية مرة اخرى ،وبذالك يمكننا قياس سرعة الضوء بسهولة ودقة بإستخدام العلاقة (v=d/t)،وعلى سبيل المثال:

اذا كانت المسافة بين الأرض والقمر هي (384.4×10⁶ m)،وعند تسليط ضوء من سطح الأرض الى سطح القمر استغرقت الأشعة حوالي 1.3 ثانية عند الوصول .إذاً لحساب سرعة الضوء حينئذ (v=384.4×10⁶ /1.3) نجد أن سرعة الضوء هي : 2.9×10⁸ m.s ،وهي نسبة تقريبية.ويمكن تطبيق هذه الطريقة لأي مسافة معلومة.

محاولة جاليلو لقياس سرعة الضوء بإستخدام الفوانيس

عندما يظهر اسم جاليليو ، يفكر معظم الناس في مساهماته في علم الفلك الرصدي،ومع ذلك فقد فعل الكثير للتحقيق في سرعة الضوء.اعتمد جاليلو على نفس العلاقة السابقة الخاصة بين المسافة والسرعة والزمن ،في قياس سرعة الضوء.استخدم جاليلو فانوساً ضوئياً في الليل ،واختار نقطتين بينهما مسافة كبيرة ولكن ليس بعيدًا جدًا بحيث  يمكنك رؤية الضوء الناتج من الفانوس.ثم جعل شخصان يقفان على تلك النقط ،أحدهما يحمل الفانوس ،والأخر يحمل جداراً عاكساً ،وكل منهما لديه ساعة لحساب الوقت ،وعلى الشخص الأول أن يشغل الفانوس في وقت محسوب ،وعلى الشخص الأخر حساب وقت وصول الضوء اليه .ومع مقارنة زمن الوصول وحساب المسافة أمكن من وضع مقدار تقريبي لسرعة الضوء.على الرغم من وجود الكثير من الأخطاء مثل  وقت رد الفعل البشري في حساب الوقت ،أو ضعف آالة حساب الزمن وقتها ،أو المسافة القريبة وضعف مصدر الضوء حينها .لكن تزال هذه المحاولة  قيمة جداً بالنسبة للعلماء التاليين.

2- بواسطة اقمار المشترى

كان عالم الفلك الدنماركي أولي رومر  يحاول قياس مدار آيو، ثالث أكبر قمر لكوكب المشتري ، من خلال مشاهدة المدة التي يستغرقها المرور حول الكوكب. وبعد مراقبته من سطح الأرض على مدى سنوات عديدة، جعلت رومر يكتشف شيئاً مدهشاً وهو:

لاحظ رومر أن الفاصل الزمني بين الكسوف المتتالي للقمر أصبح أقصر بشكل مطرد عند مراقبته بصفة دورية من سطح الأرض .وفسر ذالك على انه بسبب اختلاف المسافة بين الأرض والمشترى ، حيث تحركت الأرض في مدارها نحو المشتري وأصبحت أطول بشكل مطرد مع ابتعاد الأرض عن المشتري.من بياناته لتراكم هذه الاختلافات ، قدر رومر أنه عندما تكون الأرض أقرب إلى كوكب المشتري،فإن خسوف أيو سيحدث قبل 11 دقيقة تقريبًا مما كان متوقعًا استنادًا إلى متوسط ​​الفترة المدارية على مدار سنوات عديدة. وبعد 6.5 شهر ، عندما تتحرك الأرض في مدارها وتبعد عن كوكب المشتري، يحدث الكسوف بعد 11 دقيقة مما كان متوقعا.أدرك رومر أن الفارق الزمني يجب أن يكون بسبب السرعة المحدودة للضوء.

قدر رومر أن الضوء يحتاج إلى اثنتين وعشرين دقيقة (1320 ثانية) لعبور قطر مدار الأرض. يمكن بعد ذلك معرفة سرعة الضوء بقسمة قطر مدار الأرض على فارق التوقيت.حصل رومر على قيمة 214000 كم / ثانية مقارنة بالقيمة الحالية 299.792 كم / ثانية. لم يكن قطر مدار الأرض معروفًا بدقة وكان هناك أيضًا خطأ في قياس التأخير. ومع ذلك كان هذا أول تأكيد على أن سرعة الضوء محدودة .

3- بإستخدام خواص الضوء

تعتمد معظم التنقنيات الحديثة على استخدام خواص الضوء ،على سبيل المثال بعد دراسات ماكسويل قوانين الكهرومغناطيسية ، يمكن الحصول على سرعة الضوء  من خلال مقلوب الجذر التربيعي لمنتج النفاذية المغناطيسية والسماحية الكهربائية للفضاء الحر.

4- بواسطة العجلة المسننة الدوارة

هي تجربة قام بها العالم أرمان فيزو عام 1849،للحصول على أول قياس دقيق نسبياً لسرعة الضوء .تعتمد هذه الطريقة أيضاً على العلاقة بين المسافة والسرعة والزمن ،لكن كيف يمكن حساب الزمن بهذه السرعة المهولة ،وهذه كانت فكرة فيزو لمعرفة زمن وصول الضوء لإحدى النقط بدقة،ومن خلال ذالك يمكن حساب السرعة.

قام فيزو ببناء جهاز لمحاولة قياس سرعة الضوء تم فيه وضع عجلة مسننة ومرآة على بعد ثمانية كيلومترات ، ثم أرسل نبضات ضوئية مركزة بينهما. حيث جعل الضوء يمر من أحد فتحات السنون الى المرآة لينعكس مرة اخرى ويمر من نفس الفتحة لتنعكس على مرآة اخرى تم وضعها خلف العجلة .هذه المرآة حلت محل الأشخاص في ملاحظة وصول الضوء ،وبذالك تكون التجربة أكثر دقة عن تجربة جاليلو.

عن طريق دوران العجلة المسننة وملاحظة مدى سرعة انتقال شعاع الضوء بين تروس العجلة والمرآة البعيدة وظهورها في المرآة خلف العجلة.عند تدوير العجلة بسرعة كبيرة ،بحيث يمر شعاع الضوء من أحد فتحات السنون ليسقط على المرآة البعيدة ولكن عند عودته يصتدم بأحد التروس،إذاً فأن الضوء سافر مسافة قدرها 16 كيلو متر في زمن قدره t،والذي يمكن حسابه عن طريق معرفة عدد السنون وسرعة العجلة والمسافة بين كل سن ،وبذالك تمكن Fizeau من حساب سرعة الضوء ، وحصل على القيمة 313،300 كيلومتر في الثانية.بالرغم من انها مرتفعة بنسبة 5٪ تقريبًا عن المقدار الحقيقي إلا انها أكثر الطرق لقياس سرعة الضوء بدقة.

5- التقنيات الحديثة

بعد بضع مئات من السنين ، أصبحت تقنيات قياس سرعة الضوء أكثر دقة بشكل مذهل ، وفي بعض الحالات أكثر تعقيدًا.فبعد اختراع الساعات الذرية عالية الدقة ، كانت دقة القياس أكبر بكثير مما قبل .كما هناك اجهزة بسيطة تعتمد على بعض خواص الضوء ،أو ذات إمكانيات دقيقة جداً ،تمكنها من قياس سرعة الضوء عن طريق زمن وصوله لمسافات قصيرة بواسطة الإنعكاس المتعدد باستخدام ليزر نابض عالي السرعة ، وموزع شعاع ، ومرايا ، وكاشفات سريعة ، وراسم الذبذبات.

حتى وقتنا هذا اخترعت العديد من الأدوات البصرية، التي لديها القدرة على قياس سرعة الضوء بدقة .وباستخدام هذه الأجهزة الحديثة التي تكون غير مكلفة ، يمكن الآن إجراء هذه التجربة التي كانت شبه مستحيلة في السابق بدرجة جيدة من الدقة في المختبر المدرسي.