كيف تم قياس سرعة الضوء وما قيمتها الحقيقية؟ متى تم قياس سرعة الضوء لأول مرة؟

سرعة الضوء في الفراغ- القيمة المطلقة لسرعة الانتشار موجات كهرومغناطيسيةفي الفراغ. في الفيزياء يشار إليه حرف لاتيني ج.
سرعة الضوء في الفراغ هي ثابت أساسي، مستقلة عن اختيار الإطار المرجعي بالقصور الذاتي.
بحكم التعريف، هو بالضبط 299,792,458 م/ث (القيمة التقريبية 300 ألف كم/ث).
وفقا للنظرية النسبية الخاصة، هو السرعة القصوىلتوزيع أي التفاعلات الجسديةونقل الطاقة والمعلومات.

كيف تم تحديد سرعة الضوء؟

لأول مرة تم تحديد سرعة الضوء 1676 أو كيه رومرعن طريق التغيرات في الفترات الزمنية بين كسوف أقمار المشتري.

في عام 1728 تم تركيبه بواسطة جي برادلي، بناءً على ملاحظاته عن انحرافات ضوء النجوم.

في عام 1849 أ. آي إل فيزوكان أول من قاس سرعة الضوء بالوقت الذي يستغرقه الضوء ليقطع مسافة معروفة بدقة (القاعدة)؛ وبما أن معامل انكسار الهواء يختلف قليلاً عن 1، فإن القياسات الأرضية تعطي قيمة قريبة جدًا من c.
في تجربة فيزو، تم قطع شعاع الضوء من المصدر S، المنعكس بواسطة مرآة نصف شفافة N، بشكل دوري بواسطة قرص مسنن دوار W، ومر عبر القاعدة MN (حوالي 8 كم)، ثم انعكس من المرآة M، وعاد إلى القرص. عندما يضرب الضوء السن، فإنه لا يصل إلى الراصد، ويمكن ملاحظة الضوء الذي يسقط في الفجوة بين الأسنان من خلال العدسة E. واستنادًا إلى السرعات المعروفة لدوران القرص، فإن الوقت الذي يستغرقه الضوء إلى السن تم تحديد السفر عبر القاعدة. حصل فيزو على القيمة c = 313300 كم/ثانية.

في عام 1862 جي بي إل فوكونفذ الفكرة التي عبر عنها د. أراجو عام 1838، باستخدام مرآة سريعة الدوران (512 دورة/ ثانية) بدلاً من القرص المسنن. تم توجيه شعاع الضوء المنعكس من المرآة إلى القاعدة وعند عودته مرة أخرى سقط على نفس المرآة التي تمكنت من الدوران بزاوية صغيرة معينة. وبقاعدة يبلغ طولها 20 مترًا فقط، وجد فوكو أن السرعة الضوء يساوي 29800080 ± 500 كم / ثانية.تم استخدام المخططات والأفكار الرئيسية لتجارب فيزو وفوكو بشكل متكرر في الأعمال اللاحقة حول تعريف s.

برنارد جيف

1. قام ضابط بحري بقياس سرعة الضوء

في ربيع عام 1879، ذكرت صحيفة نيويورك تايمز: «جديد نجم ساطع. حامل الراية الخدمة البحرية، خريج الأكاديمية البحرية في أنابوليس، ألبرت أ. ميشيلسون، الذي لم يبلغ السابعة والعشرين من عمره بعد، حقق نجاحاً باهراً في مجال البصريات: فقد قام بقياس سرعة الضوء. وفي افتتاحية بعنوان "العلم للشعب"، كتبت صحيفة ديلي تريبيون: "تعلن الصحيفة المحلية لمدينة فيرجينيا، وهي بلدة تعدين في ولاية نيفادا البعيدة، بفخر: "الملازم الثاني ألبرت أ. ميشيلسون، ابن صامويل ميشيلسون، متجر البضائع الجافة مالك في مدينتنا، جذب انتباه البلاد بأكملها بإنجاز علمي رائع: قام بقياس سرعة الضوء."

لقد تم مناقشة ومناقشة سرعة الضوء منذ العصور القديمة، ولكن قبل ميكلسون تمكن ثلاثة علماء فقط (جميعهم فرنسيون) من قياسها باستخدام الوسائل الأرضية. لقد كانت هذه مشكلة قديمة جدًا ومعقدة جدًا. قبل مايكلسون، لم يحاول أحد في القارة الأمريكية هذه التجربة الصعبة.

ومع ذلك، على مدى القرون الماضية، تراكمت الفلاسفة والعلماء مخزنا واسع النطاق إلى حد ما من المعلومات حول خصائص الضوء. قبل 300 عام قبل الميلاد، في الأيام التي ابتكر فيها إقليدس علم الهندسة، كان علماء الرياضيات اليونانيون يعرفون الكثير عن الضوء. ومن المعروف أن الضوء ينتقل في خط مستقيم وأن زاوية سقوط الشعاع عند انعكاسه من مرآة مستوية تساوي زاوية الانعكاس. كان العلماء القدماء يدركون جيدًا ظاهرة انكسار الضوء. يكمن في حقيقة أن الضوء الذي يمر من وسط ما، مثل الهواء، إلى وسط ذي كثافة مختلفة، مثل الماء، ينكسر.

قام كلوديوس بطليموس، عالم الفلك والرياضيات من الإسكندرية، بتجميع جداول قياس زوايا السقوط والانكسار، ولكن قانون انكسار الضوء لم يتم اكتشافه إلا في عام 1621 من قبل عالم الرياضيات الهولندي من ليدن ويليبرورد سنيليوس، الذي اكتشف أن نسبة جيب الزاوية تكون زاوية السقوط وزاوية الانكسار ثابتة لأي وسطين مختلفي الكثافة.

العديد من الفلاسفة القدماء ومنهم الكبير أرسطو والروماني رجل دولةفكر لوسيوس سينيكا في أسباب قوس قزح. يعتقد أرسطو أن الألوان تظهر نتيجة انعكاس الضوء عن طريق قطرات الماء؛ كان لدى سينيكا أيضًا نفس الرأي تقريبًا، معتقدًا أن السحب التي تتكون من جزيئات الرطوبة هي نوع من المرآة. بطريقة أو بأخرى، أبدى الإنسان عبر تاريخه اهتماماً بطبيعة الضوء، كما يتضح من الأساطير والأساطير والنزاعات الفلسفية والملاحظات العلمية التي وصلت إلينا.

مثل معظم العلماء القدماء (باستثناء إمبيدوكليس)، اعتقد أرسطو أن سرعة الضوء لا نهائية. وسيكون من المستغرب إذا كان يعتقد خلاف ذلك. بعد كل شيء، لا يمكن قياس هذه السرعة الضخمة بأي من الأساليب أو الأدوات الموجودة آنذاك. ولكن حتى في أوقات لاحقة، واصل العلماء التفكير والجدل حول هذا الموضوع. منذ حوالي 900 عام، أعرب العالم العربي ابن سينا ​​عن افتراض مفاده أنه على الرغم من أن سرعة الضوء عالية جدًا، إلا أنها يجب أن تكون ذات قيمة محدودة. وهذا أيضاً رأي أحد معاصريه، الفيزيائي العربي الهيثم، الذي كان أول من شرح طبيعة الشفق. وبطبيعة الحال، لم تتح الفرصة لأي منهما ولا الآخر لتأكيد رأيهم تجريبيا.

تجربة جاليليو

ومن الممكن أن تستمر مثل هذه النزاعات إلى أجل غير مسمى. ولحل هذه المشكلة، كانت هناك حاجة إلى خبرة واضحة لا يمكن دحضها. وكان أول من سلك هذا الطريق هو الإيطالي جاليليو جاليلي، الذي كان ملفتًا للنظر في تنوع عبقريته. واقترح أن يقوم شخصان يقفان على قمم التلال على بعد عدة كيلومترات بإرسال إشارات باستخدام فوانيس مجهزة بمصاريع. وقد عبر عن هذه الفكرة، التي نفذها لاحقًا علماء أكاديمية فلورنسا، في عمله "المحادثات والبراهين الرياضية المتعلقة بفرعين جديدين من العلوم، يتعلقان بالميكانيكا والحركة المحلية" (نُشر في لايدن عام 1638).

لدى جاليليو ثلاثة محاورين يتحدثون. الأول، ساغريدو، يتساءل: «ولكن ما هو نوع هذه الحركة وما هي درجة سرعتها؟ فهل نعتبرها لحظية أم أنها تحدث في زمن كسائر الحركات؟ يجيب سيمبليسيو، المتراجع، على الفور: “تظهر التجربة اليومية أن الضوء الناتج عن لهيب إطلاق النار ينطبع في أعيننا دون أي ضياع للوقت، على عكس الصوت الذي يصل إلى الأذن بعد فترة طويلة من الزمن”. يعترض ساجريدو على ذلك لسبب وجيه: "من هذه التجربة المعروفة، لا أستطيع استخلاص أي استنتاج آخر غير أن الصوت يصل إلى آذاننا على فترات أطول من الضوء".

وهنا يتدخل سالفياتي (معبرًا عن رأي جاليليو): “إن الدليل الصغير على هذه الملاحظات وغيرها من الملاحظات المماثلة أجبرني على التفكير في طريقة ما للتأكد بشكل لا لبس فيه من أن الإضاءة، أي. إن انتشار الضوء لحظي حقًا. التجربة التي توصلت إليها هي كما يلي. شخصان يحمل كل منهما نارًا، محاطة بفانوس أو شيء مشابه، والتي يمكن فتحها وإغلاقها بحركة اليد على مرأى ومسمع من الرفيق؛ بالوقوف مقابل بعضهم البعض "على مسافة عدة أكواع، يبدأ المشاركون في التدرب على إغلاق وفتح النار على مرأى ومسمع من رفيقهم بطريقة أنه بمجرد أن يلاحظ أحدهم ضوء الآخر، فإنه يفتح ضوءه على الفور. ولم أتمكن من إنتاجه إلا على مسافة قصيرة - أقل من ميل واحد - ولهذا لم أتمكن من التأكد مما إذا كان ظهور الضوء المعاكس قد حدث فجأة بالفعل. ولكن إذا لم يحدث ذلك فجأة، ففي كل الأحوال، بسرعة فائقة».

الوسائل المتاحة لجاليليو في ذلك الوقت، بالطبع، لم تسمح بحل هذه المشكلة بهذه السهولة، وكان يدرك ذلك تمامًا. استمر النقاش. روبرت بويل، العالم الأيرلندي الشهير الذي قدم الأول التعريف الصحيح عنصر كيميائياعتقد أن سرعة الضوء محدودة، كما اعتقد عبقري آخر من القرن السابع عشر، وهو روبرت هوك، أن سرعة الضوء سريعة جدًا بحيث لا يمكن تحديدها تجريبيًا. ومن ناحية أخرى، أخذ عالم الفلك يوهانس كيبلر وعالم الرياضيات رينيه ديكارت بوجهة نظر أرسطو.

رومر والقمر الصناعي لكوكب المشتري

تم الاختراق الأول لهذا الجدار عام 1676. حدث هذا إلى حد ما عن طريق الصدفة. لقد تم حل مشكلة نظرية، كما حدث أكثر من مرة في تاريخ العلم، أثناء تنفيذ مهمة عملية بحتة. إن احتياجات توسيع التجارة والأهمية المتزايدة للملاحة دفعت الأكاديمية الفرنسية للعلوم إلى البدء في توضيح الخرائط الجغرافية، الأمر الذي تطلب، على وجه الخصوص، المزيد من التفاصيل. طريقة موثوقةتعريفات خط الطول الجغرافي. يتم تحديد خط الطول تماما بطريقة بسيطة- حسب فارق التوقيت بين اثنين نقاط مختلفة الكرة الأرضيةولكن في ذلك الوقت لم يكونوا يعرفون بعد كيفية صنع ساعات دقيقة بما فيه الكفاية. واقترح العلماء استخدام بعض الظواهر السماوية التي يتم رصدها كل يوم في نفس الساعة لتحديد توقيت باريس والوقت على متن السفينة. ومن هذه الظاهرة يستطيع الملاح أو الجغرافي أن يضبط ساعته ويعرف توقيت باريس. مثل هذه الظاهرة، التي يمكن رؤيتها من أي مكان في البحر أو الأرض، هي كسوف أحد أقمار المشتري الأربعة الكبيرة، التي اكتشفها غاليليو عام 1609.

وكان من بين العلماء العاملين في هذه القضية عالم الفلك الدنماركي الشاب أولي رومر، الذي دعاه عالم الفلك الفرنسي جان بيكارد قبل أربع سنوات للعمل في مرصد باريس الجديد.

مثل علماء الفلك الآخرين في ذلك الوقت، عرف رومر أن الفترة بين خسوفين لأقرب قمر لكوكب المشتري تختلف على مدار العام؛ الملاحظات من نفس النقطة، مفصولة بستة أشهر، تعطي أقصى فرق قدره 1320 ثانية. وكانت هذه الـ 1320 ثانية بمثابة لغز بالنسبة لعلماء الفلك، ولم يتمكن أحد من إيجاد تفسير مرضي لها. يبدو أن هناك نوعًا من العلاقة بين الفترة المدارية للقمر الصناعي وموقع الأرض في المدار بالنسبة لكوكب المشتري. وهكذا، بعد أن قام رومر بفحص كل هذه الملاحظات والحسابات بدقة، قام ببساطة بحل اللغز بشكل غير متوقع.

افترض رومر أن 1320 ثانية (أو 22 دقيقة) هي الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال من موقع الأرض الأقرب إلى المشتري في مداره إلى الموقع الأبعد عن المشتري، حيث تنتهي الأرض بعد ستة أشهر. بمعنى آخر، المسافة الإضافية التي يقطعها الضوء المنعكس من قمر المشتري تساوي قطر مدار الأرض (الشكل 1).

أرز. 1.مخطط تفكير رومر.
تبلغ الفترة المدارية للقمر الأقرب إلى كوكب المشتري حوالي 42.5 ساعة. لذلك، كان لا بد من حجب القمر الصناعي من قبل المشتري (أو مغادرة نطاق الكسوف) كل 42.5 ساعة. ولكن على مدار ستة أشهر، عندما ابتعدت الأرض عن كوكب المشتري، تمت ملاحظة الخسوف في كل مرة مع تأخير أكبر بشكل متزايد مقارنة بالتواريخ المتوقعة. توصل رومر إلى نتيجة مفادها أن الضوء لا ينتقل لحظيًا، بل له سرعة محدودة؛ ولذلك، يستغرق الوصول إلى الأرض المزيد والمزيد من الوقت أثناء تحركها في مدارها حول الشمس وابتعادها عن المشتري.

في زمن رومر، كان يُعتقد أن قطر مدار الأرض يبلغ حوالي 182,000,000 ميل (292,000,000 كيلومتر). وبتقسيم هذه المسافة على 1320 ثانية، وجد رومر أن سرعة الضوء تبلغ 138000 ميل (222000 كم) في الثانية.

للوهلة الأولى قد يبدو أن الحصول على نتيجة عددية بمثل هذا الخطأ (ما يقرب من 80 ألف كيلومتر في الثانية) ليس إنجازًا كبيرًا. لكن فكر فيما حققه رومر. ولأول مرة في تاريخ البشرية ثبت أن الحركة التي كانت تعتبر سريعة بلا حدود، في متناول المعرفة والقياس.

علاوة على ذلك، في المحاولة الأولى، حصل رومر على القيمة طلب صحيح. وإذا أخذنا في الاعتبار أن العلماء ما زالوا يعملون على توضيح قطر مدار الأرض وتوقيت خسوف أقمار المشتري، فإن خطأ رومر لن يكون مفاجئا. الآن نعلم أن الحد الأقصى لتأخير كسوف القمر الصناعي ليس 22 دقيقة، كما اعتقد رومر، بل حوالي 16 دقيقة و36 ثانية، كما أن قطر مدار الأرض لا يقارب 292.000.000 كيلومتر، بل 300.000.000 كيلومتر. وإذا أجريت هذه التصحيحات على حساب رومر، يتبين أن سرعة الضوء هي 300 ألف كيلومتر في الثانية، وهذه النتيجة قريبة من الرقم الأكثر دقة الذي حصل عليه العلماء في عصرنا.

الشرط الرئيسي للفرضية الجيدة هو أنه يمكن استخدامها لإجراء تنبؤات صحيحة. واستنادًا إلى حساباته لسرعة الضوء، كان رومر قادرًا على التنبؤ بدقة ببعض حالات الكسوف قبل عدة أشهر. على سبيل المثال، في سبتمبر 1676، تنبأ أنه في نوفمبر سيظهر قمر صناعي لكوكب المشتري متأخرًا بحوالي عشر دقائق. لم يخذل القمر الصناعي الصغير رومر وظهر في الوقت المتوقع بدقة ثانية واحدة. لكن الفلاسفة الباريسيين لم يقتنعوا حتى بهذا التأكيد لنظرية رومر. ومع ذلك، خرج إسحاق نيوتن وعالم الفلك والفيزيائي الهولندي الكبير كريستيان هويجنز لدعم الدانماركي. وبعد مرور بعض الوقت، في يناير 1729، توصل عالم الفلك الإنجليزي جيمس برادلي بطريقة مختلفة قليلاً إلى نفس النتيجة التي توصل إليها رومر. ولم يكن هناك مجال للشك. وضع رومر حدًا للاعتقاد السائد بين العلماء بأن الضوء ينتقل فورًا بغض النظر عن المسافة.

أثبت رومر أنه على الرغم من أن سرعة الضوء عالية جدًا، إلا أنها محدودة ويمكن قياسها. ومع ذلك، على الرغم من الإشادة بإنجاز رومر، إلا أن بعض العلماء ما زالوا غير راضين تمامًا. وكان قياس سرعة الضوء باستخدام طريقته يعتمد على الملاحظات الفلكية ويتطلب وقتا طويلا. لقد أرادوا إجراء قياسات في المختبر باستخدام وسائل أرضية بحتة، دون تجاوز حدود كوكبنا، بحيث تكون جميع الظروف التجريبية تحت السيطرة. تمكن الفيزيائي الفرنسي مارين مارسين، وهو صديق ديكارت المعاصر والصديق، من قياس سرعة الصوت قبل خمسة وثلاثين عامًا. لماذا لا يمكننا أن نفعل الشيء نفسه مع الضوء؟

البعد الأول بالوسائل الأرضية

ومع ذلك، فإن حل هذه المشكلة كان عليه أن ينتظر ما يقرب من قرنين من الزمان. في عام 1849، توصل الفيزيائي الفرنسي أرماند هيبوليت لويس فيزو إلى طريقة بسيطة إلى حد ما. في التين. ويبين الشكل 2 مخطط تركيب مبسط. قام فيزو بتوجيه شعاع ضوئي من مصدر إلى مرآة فيثم انعكس هذا الشعاع على المرآة أ. تم تركيب مرآة واحدة في سورينس، في منزل الأب فيزو، والأخرى في مونمارتر في باريس؛ وكانت المسافة بين المرآتين حوالي 8.66 كم. بين المرايا أو فيتم وضع ترس يمكن تدويره بسرعة معينة (مبدأ القوية). قاطعت أسنان العجلة الدوارة شعاع الضوء، وقسمته إلى نبضات. وبهذه الطريقة تم إرسال سلسلة من الومضات القصيرة.

أرز. 2.تركيب فيزو.
بعد 174 عامًا من حساب رومر لسرعة الضوء من خلال ملاحظات خسوف قمر المشتري، قام فيزو ببناء جهاز لقياس سرعة الضوء في ظل الظروف الأرضية. هيأ جكسر شعاع الضوء إلى ومضات. قام فيزو بقياس الوقت الذي يستغرقه الضوء ليقطع المسافة منه جإلى المرآة أوالعودة تساوي 17.32 كم. كان ضعف هذه الطريقة هو أن لحظة سطوع الضوء الأعظم يتم تحديدها بواسطة الراصد بالعين. مثل هذه الملاحظات الذاتية ليست دقيقة بما فيه الكفاية.

وعندما كان الترس ثابتًا وفي موضعه الأصلي، تمكن الراصد من رؤية الضوء الصادر من المصدر عبر الفجوة الموجودة بين السنتين. ثم تم تحريك العجلة بسرعة متزايدة، وجاءت اللحظة التي عاد فيها نبض الضوء، الذي مر عبر الفجوة بين الأسنان، منعكسًا من المرآة أ، وتأخر بالسن. وفي هذه الحالة، لم ير المراقب شيئا. ومع دوران الترس أكثر، عاد الضوء للظهور مرة أخرى، وأصبح أكثر سطوعًا، ووصل أخيرًا إلى أقصى شدته. كان الترس الذي استخدمه فيزو يحتوي على 720 سنًا، ووصل الضوء إلى أقصى شدة له عند 25 دورة في الثانية. وبناء على هذه البيانات، قام فيزو بحساب سرعة الضوء على النحو التالي. يقطع الضوء المسافة بين المرايا والعودة خلال الوقت الذي تستغرقه العجلة للدوران من مسافة بين الأسنان إلى الأخرى، أي. في 1/25 × 1/720، أي 1/18000 من الثانية. المسافة المقطوعة تساوي ضعف المسافة بين المرآتين، أي. 17.32 كم. ومن ثم فإن سرعة الضوء هي 17.32 · 18000 أي حوالي 312000 كم في الثانية.

تحسين فوكو

وعندما أعلن فيزو نتيجة قياسه، شكك العلماء في مصداقية هذا الرقم الهائل، الذي بموجبه يصل الضوء إلى الأرض من الشمس في 8 دقائق، ويمكنه أن يدور حول الأرض في ثمن الثانية. لقد بدا من غير المعقول أن يتمكن الإنسان من قياس هذه السرعة الهائلة باستخدام مثل هذه الأدوات البدائية. يقطع الضوء أكثر من ثمانية كيلومترات بين مرايا فيزو في 1/36000 من الثانية؟ مستحيل، قال الكثيرون. ومع ذلك، فإن الرقم الذي حصل عليه فيزو كان قريبًا جدًا من نتيجة رومر. وهذا لا يمكن أن يكون مجرد صدفة.

بعد مرور ثلاثة عشر عامًا، وبينما كان المتشككون لا يزالون متشككين ويدلون بملاحظات ساخرة، حدد جان برنارد ليون فوكو، ابن ناشر باريسي والذي كان يستعد في وقت ما ليصبح طبيبًا، سرعة الضوء بطريقة مختلفة قليلاً. لقد عمل مع Fizeau لعدة سنوات وفكر كثيرًا في كيفية تحسين خبرته. بدلاً من العجلة المسننة، استخدم فوكو مرآة دوارة.

أرز. 3.تركيب فوكو.
وبعد بعض التحسينات، استخدم مايكلسون هذا الجهاز لتحديد سرعة الضوء. في هذا الجهاز، يتم استبدال عجلة التروس (انظر الشكل 2) بعجلة دوارة مرآة مسطحة ج. إذا كانت المرآة جبلا حراك أو يتحول ببطء شديد، ينعكس الضوء على مرآة شفافة بفي الاتجاه المشار إليه بالخط الصلب. عندما تدور المرآة بسرعة، يتحرك الشعاع المنعكس إلى الموضع المشار إليه بالخط المنقط. من خلال النظر من خلال العدسة، يمكن للمراقب قياس إزاحة الشعاع. وهذا القياس أعطاه ضعف قيمة الزاوية α، أي. زاوية دوران المرآة خلال الزمن الذي يأتي منه شعاع الضوء جإلى المرآة المقعرة أوالعودة إلى ج. معرفة سرعة دوران المرآة ج، المسافة من أقبل جوزاوية دوران المرآة جخلال هذا الوقت، كان من الممكن حساب سرعة الضوء.

تمتع فوكو بسمعة طيبة كباحث موهوب. في عام 1855، حصل على وسام كوبلي من الجمعية الملكية في إنجلترا لتجربته مع البندول، والتي قدمت دليلا على دوران الأرض حول محورها. كما قام ببناء أول جيروسكوب مناسب لـ الاستخدام العملي. إن استبدال العجلة المسننة بمرآة دوارة في تجربة فيزو (تم اقتراح هذه الفكرة في عام 1842 من قبل دومينيكو أراجو، ولكن لم يتم تنفيذها) جعل من الممكن تقصير المسار الذي يقطعه شعاع الضوء من أكثر من 8 كيلومترات إلى 20 مترًا. قامت المرآة (الشكل 3) بتحويل شعاع الإرجاع بزاوية طفيفة، مما جعل من الممكن إجراء القياسات اللازمة لحساب سرعة الضوء. وكانت النتيجة التي حصل عليها فوكو هي 298.000 كم/ثانية، أي 298.000 كم/ثانية. ما يقرب من 17000 كم أقل من القيمة، حصل عليها فيزو. (وفي تجربة أخرى، وضع فوكو أنبوبًا من الماء بين مرآة عاكسة ومرآة دوارة لتحديد سرعة الضوء في الماء. وتبين أن سرعة الضوء في الهواء أكبر).

وبعد عشر سنوات، ماري ألفريد كورنو، أستاذة الفيزياء التجريبية في جامعة باريس العليا مدرسة البوليتكنيك، عاد إلى العجلة المسننة مرة أخرى، ولكن كان بها بالفعل 200 سن. وكانت نتيجة كورنو قريبة من النتيجة السابقة. حصل على الرقم 300000 كم في الثانية. كان هذا هو الحال في عام 1872، عندما طُلب من الشاب ميشيلسون، وهو طالب في السنة النهائية في الأكاديمية البحرية في أنابوليس، في امتحان البصريات أن يتحدث عن جهاز فوكو لقياس سرعة الضوء. لم يخطر ببال أحد حينها أنه في كتب الفيزياء المدرسية التي ستدرس منها أجيال الطلاب القادمة، سيُمنح ميشيلسون الكثير المزيد من المساحةمن فيزو أو فوكو.

قبل وقت طويل من قيام العلماء بقياس سرعة الضوء، كان عليهم أن يعملوا بجد لتحديد مفهوم "الضوء". وكان أرسطو من أوائل من فكروا في هذا الأمر، حيث اعتبر الضوء نوعًا من المواد المتحركة المنتشرة في الفضاء. أصر زميله الروماني القديم وتابعه لوكريتيوس كاروس على التركيب الذري للضوء.

ل القرن السابع عشرتم تشكيل نظريتين رئيسيتين لطبيعة الضوء - الجسيمية والموجة. وكان نيوتن من أتباع الأول. في رأيه، جميع مصادر الضوء تنبعث منها جزيئات صغيرة. أثناء "الرحلة" تشكل خطوطًا مضيئة - أشعة. وأصر خصمه العالم الهولندي كريستيان هويجنز على أن الضوء هو نوع من الحركة الموجية.

ونتيجة للخلافات التي دامت قرونًا، توصل العلماء إلى إجماع: كلتا النظريتين لهما الحق في الحياة، والضوء حق للحياة. مرئية للعينطيف الموجات الكهرومغناطيسية.

قليلا من التاريخ. كيف تم قياس سرعة الضوء؟

كان معظم العلماء القدماء مقتنعين بأن سرعة الضوء لا نهائية. ومع ذلك، فإن نتائج البحث التي أجراها غاليليو وهوك سمحت بطبيعتها المتطرفة، وهو ما أكده بوضوح في القرن السابع عشر عالم الفلك والرياضيات الدنماركي المتميز أولاف رومر.

قام بقياساته الأولى من خلال مراقبة خسوف آيو، وهو قمر صناعي لكوكب المشتري، في اللحظة التي كان فيها كوكب المشتري والأرض يقعان بالقرب منا. الأطراف المقابلةنسبة إلى الشمس. سجل رومر أنه عندما تبتعد الأرض عن المشتري مسافة تساوي قطر مدار الأرض، يتغير وقت التأخير. وكانت القيمة القصوى 22 دقيقة. ونتيجة للحسابات، حصل على سرعة 220 ألف كيلومتر في الثانية.

وبعد مرور 50 عامًا، في عام 1728، وبفضل اكتشاف الانحراف، قام عالم الفلك الإنجليزي ج. برادلي "بتحسين" هذا الرقم إلى 308000 كيلومتر في الثانية. وفي وقت لاحق، تم قياس سرعة الضوء من قبل علماء الفيزياء الفلكية الفرنسيين فرانسوا أرغوت وليون فوكو، وحصلوا على ناتج قدره 298000 كم / ثانية. تم اقتراح تقنية قياس أكثر دقة من قبل مبتكر مقياس التداخل، الفيزيائي الأمريكي الشهير ألبرت ميشيلسون.

تجربة مايكلسون لتحديد سرعة الضوء

استمرت التجارب من عام 1924 إلى عام 1927 وتألفت من 5 سلاسل من الملاحظات. وكان جوهر التجربة على النحو التالي. تم تركيب مصدر للضوء ومرآة ومنشور مثمن دوار على جبل ويلسون في محيط لوس أنجلوس، وتم تركيب مرآة عاكسة بعد 35 كم على جبل سان أنطونيو. أولاً، ضرب الضوء من خلال عدسة وشق منشورًا يدور بدوار عالي السرعة (بسرعة 528 دورة في الثانية).

تمكن المشاركون في التجارب من ضبط سرعة الدوران بحيث تكون صورة مصدر الضوء مرئية بوضوح في العدسة. وبما أن المسافة بين القمم وتردد الدوران كانت معروفة، فقد حدد ميكلسون سرعة الضوء وهي 299.796 كم/ثانية.

قرر العلماء أخيرًا تحديد سرعة الضوء في النصف الثاني من القرن العشرين، عندما تم إنشاء أجهزة الليزر والليزر، التي تتميز بأعلى استقرار لتردد الإشعاع. ومع بداية السبعينيات، انخفض الخطأ في القياسات إلى 1 كم/ثانية. ونتيجة لذلك، وبناء على توصية المؤتمر العام الخامس عشر للأوزان والمقاييس، المنعقد عام 1975، تقرر افتراض أن سرعة الضوء في الفراغ تساوي الآن 299792.458 كم/ثانية.

هل يمكن تحقيق سرعة الضوء بالنسبة لنا؟

من الواضح أن استكشاف الزوايا البعيدة للكون لا يمكن تصوره دون أن تحلق السفن الفضائية بسرعة هائلة. ويفضل أن يكون بسرعة الضوء. ولكن هل هذا ممكن؟

سرعة حاجز الضوء هي إحدى نتائج النظرية النسبية. كما تعلمون، زيادة السرعة تتطلب زيادة الطاقة. تتطلب سرعة الضوء طاقة لا نهائية تقريبًا.

للأسف، قوانين الفيزياء تتعارض بشكل قاطع مع هذا. بسرعة سفينة فضائيةوبسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية تتحول الجزيئات المتطايرة نحوه، مثل ذرات الهيدروجين، إلى مصدر قاتل لإشعاع قوي يعادل 10 آلاف سيفرت في الثانية. وهذا يشبه تقريبًا وجودك داخل مصادم الهادرونات الكبير.

ووفقا للعلماء في جامعة جونز هوبكنز، لا توجد حماية كافية في الطبيعة من مثل هذا الإشعاع الكوني الوحشي. سيكتمل تدمير السفينة بالتآكل الناتج عن تأثيرات الغبار بين النجوم.

مشكلة أخرى تتعلق بسرعة الضوء هي تمدد الزمن. الشيخوخة سوف تصبح أطول من ذلك بكثير. كما سيتم تشويه المجال البصري، ونتيجة لذلك سيمر مسار السفينة كما لو كانت داخل نفق، وفي نهايته سيرى الطاقم وميضًا ساطعًا. خلف السفينة سيكون هناك ظلام دامس.

لذا، في المستقبل القريب، سيتعين على البشرية أن تحدد سرعتها "الشهية" بـ 10% من سرعة الضوء. وهذا يعني أن الطيران إلى أقرب نجم إلى الأرض، بروكسيما سنتوري (Proxima Centauri) سيستغرق حوالي 40 عامًا (4.22 سنة ضوئية).

الكون يشارك في التجارب

لقد استحوذت طريقة لو فيرييه على خيال العلماء. بدأت مراقبة حركة نبتون بعناية وسرعان ما تم اكتشاف اختلافات كبيرة بين المدارات المرصودة والنظرية للنجم الجديد بحيث لا يمكن تفسير ذلك إلا بوجود كوكب آخر يقع خلف نبتون!

في 18 فبراير 1930، اكتشف أخيرًا عالم الفلك الشاب كلايد تومبو من مرصد لوفيل في أمريكا (على مسافة ثلاثة أضعاف نصف قطر مدار نبتون تقريبًا). كوكب جديد النظام الشمسي، مُسَمًّى بلوتو. وبذلك أكد تومبو حسابات المنظرين الفلكيين المشهورين بيرسيفال لوفيل ووليام بيكرينغ.

حقا، كما قال عالم البصريات والفلكي الفرنسي الشهير فرانسوا أراغو، "... العيون العقلية يمكن أن تحل محل التلسكوبات القوية ...".

يوجد الآن تسعة كواكب رئيسية في النظام الشمسي: عطارد، الزهرة، الأرض، المريخ، المشتري، زحل، أورانوس، نبتون، بلوتو. ويوجد بين المريخ والمشتري عدد كبير من الكواكب الصغيرة تسمى الكويكبات. ومع ذلك، يواصل علماء الفلك البحث عن كواكب جديدة.

وقد أظهرت التوقعات النظرية أن الحركة حتى الآن الأجرام السماويةفي النظام الشمسي لا يتأثر بجاذبية النجوم البعيدة وأنظمة الكواكب الأخرى في مجرتنا. يجب أن "تجذب" الشمس الصغيرة و الكواكب الكبرى. تمتد قوة جاذبية الشمس على مسافة 200 ألف مرة أكبر من المسار من الأرض إلى الشمس!

لا يمكن أن يكون في مثل هذا الفضاء الشاسع عدم وجود أجرام سماوية كثيفة، رغم أن البحث عن الكوكب العاشر في النظام الشمسي باستخدام أقوى التلسكوبات الحديثة لم ينجح حتى الآن...

وكما نرى، فإن الميكانيكا السماوية تؤكد دائمًا قوانين الميكانيكا الأرضية التي اشتقها نيوتن. إن حركة الأجرام السماوية، كما اتضح في زمن نيوتن، لا تسمح فقط باختبار القانون الجاذبية العالميةولكنه يمنح الباحثين أيضًا طريقة ممتازة تحديد سرعة الضوء.

ومن الغريب أن جاليليو لم يفكر في مثل هذه الطريقة، واقترح فقط تجربة الفوانيس لهذا الغرض. يقف شخصان على مسافة كبيرة من بعضهما البعض حاملين الفوانيس في أيديهما ويلاحظان الوقت الذي يستغرقه ضوء الفانوس المضاء فجأة لتغطية المسافة بينهما. التجربة للأسف مستحيلة تماما بسبب سرعة الضوء العالية جدا...

كيف تم قياس سرعة الضوء؟

في سبتمبر 1676، شاب دنماركي أولاف رومرالذي عمل في مرصد باريس، قدم تقريرًا إلى الأكاديمية الفرنسية للعلوم وصف فيه كيف يمكن تحديد سرعة الضوء باستخدام دوران الأرض حول الشمس.

خلال بحثه، لاحظ رومر حركة أحد أقمار كوكب المشتري. كان وقت الدوران الكامل للقمر الصناعي حول الكوكب ثابتًا تمامًا ومعروفًا لدى علماء الفلك. وأشار رومر: إذا كانت الأرض أثناء دورانها حول الشمس في أبعد نقطة في مدارها عن المشتري، فإن علماء الفلك يرصدون دخول القمر الصناعي إلى ظل المشتري بعد 22 دقيقة من اللحظة التي تكون فيها الأرض أقرب إلى المشتري. وخمّن رومر سبب هذه الظاهرة الغريبة، وهو أن الضوء يستغرق 22 دقيقة ليقطع المسافة من أقرب إلى أبعد نقطة في مدار الأرض من المشتري. وبمعرفة الوقت الذي يستغرقه الضوء للقيام بذلك وحساب قطر مدار الأرض، يمكننا بسهولة تحديد سرعة الضوء!

ربما كانت هذه إحدى الحالات الأولى في تاريخ العلم عندما استخدم أحد العلماء الكون كمختبر طبيعي عملاق...

حصل رومر على قيم لسرعة الضوء أقل بمرة ونصف المعاني الحديثةهذه القيمة. لكن لا يمكن لأحد أن يلومه على ذلك: فنحن نعرف بأية أدوات قام معاصره العظيم جاليليو جاليلي بقياس الوقت.

لقد تم استخدام الطريقة الفلكية لقياس سرعة الضوء على نطاق واسع من قبل الفيزيائيين خلال القرون الثلاثة التي تلت ملاحظات وحسابات رومر. في الوقت الحاضر، القيمة المقبولة عمومًا لسرعة الضوء في الفراغ هي 299.79 ألف كيلومتر في الثانية.

وفي القرن التاسع عشر، تعلموا تحديد سرعة الضوء على الأرض. وقد حقق الفيزيائي الأمريكي ألبرت ميكلسون كمالًا عظيمًا في هذه التجارب. جهازه الضخم المعقد المزود بالعديد من المرايا التي تطيل مسار الضوء تم وضعه على لوح حجري بمساحة 1.5 م2 وسمك 30 سم، ولتفادي أدنى صدمة ممكنة للجهاز، تم وضع حامل اللوح مليئة بالزئبق.

أثبت ميشيلسون أن سرعة الضوء لا تعتمد على اتجاه الشعاع، وأن انتشار الضوء لا يتأثر بدوران الأرض. الدقة الاستثنائية لتجارب ميشيلسون، التي تحققت في أوائل التاسع عشردقة عالية في التحديد المعنى الحقيقيربما تكون سرعة الضوء هي التي أعطت ألبرت أينشتاين فكرة اعتبار سرعة الضوء في الفراغ هي السرعة القصوى السرعه العاليهوهو أمر ممكن في الطبيعة. وتشكل هذه الفكرة إحدى أهم مسلمات النظرية النسبية التي وضعها أينشتاين - وهي المسلمة الأكثر عمومية النظرية الحديثةالحركة، والتي تضمنت قوانين نيوتن كحالة خاصة.

ومن المعروف أن سرعة الضوء في الفراغ محدودة وتبلغ ≈300000 كم/ثانية. كل شيء يعتمد على هذه البيانات الفيزياء الحديثةوجميع نظريات الفضاء الحديثة. لكن في الآونة الأخيرة، تأكد العلماء من أن سرعة الضوء لا نهائية، ونرى على الفور ما يحدث في أبعد أركان الفضاء.

بدأ الناس يفكرون في ماهية الضوء في العصور القديمة. ينتشر الضوء المنبعث من لهب الشمعة على الفور في جميع أنحاء الغرفة، ويومض البرق في السماء، ومشاهدة المذنبات والأجسام الكونية الأخرى في سماء الليل، مما أعطى الشعور بأن سرعة الضوء كانت لا نهائية. في الواقع، من الصعب تصديق أنه، على سبيل المثال، عند النظر إلى الشمس، فإننا نلاحظها ليس في حالتها الحالية، ولكن كما كانت قبل حوالي 8 دقائق.

لكن بعض الناس ما زالوا يشككون في الحقيقة التي تبدو راسخة حول سرعة الضوء اللانهائية. وكان أحد هؤلاء الأشخاص هو إسحاق بينجمان، الذي حاول في عام 1629 إجراء تجربة لتحديد السرعة النهائية للضوء. وبطبيعة الحال، لم يكن لديه أجهزة كمبيوتر، ولا أجهزة ليزر شديدة الحساسية، أو ساعات عالية الدقة تحت تصرفه. بدلا من ذلك، قرر العالم خلق انفجار. بعد أن ملأ الحاوية بالمواد المتفجرة مسافات مختلفةقام بتركيب مرايا كبيرة منه وطلب من المراقبين تحديد أي من المرايا سيظهر وميض الانفجار أولاً. وبالنظر إلى أن الضوء يمكن أن يدور حول الأرض 7.5 مرة في ثانية واحدة، فيمكن للمرء أن يخمن أن التجربة انتهت بالفشل.

وبعد ذلك بقليل، اقترح جاليليو الشهير، الذي شكك أيضًا في سرعة الضوء اللامتناهية، تجربته. وضع مساعده مع فانوس على تلة، ووقف مع فانوس على تلة أخرى. عندما رفع جاليليو الغطاء عن فانوسه، قام مساعده على الفور برفع الغطاء عن الفانوس المقابل. وبطبيعة الحال، هذه التجربة أيضا لا يمكن أن تتوج بالنجاح. الشيء الوحيد الذي استطاع جاليليو تخمينه هو أن سرعة الضوء أسرع بكثير من رد فعل الإنسان.

اتضح أن السبيل الوحيد للخروج من الوضع هو المشاركة في تجربة الأجسام البعيدة عن الأرض، ولكن يمكن ملاحظتها باستخدام التلسكوبات في ذلك الوقت. وكانت هذه الأجسام كوكب المشتري وأقماره الصناعية. في عام 1676، حاول عالم الفلك أولي رومر تحديد خط الطول بين نقاط مختلفة الخريطة الجغرافية. وللقيام بذلك، استخدم نظامًا لمراقبة كسوف أحد أقمار المشتري، آيو. أجرى أولي رومر بحثه من جزيرة بالقرب من كوبنهاجن، بينما لاحظ عالم فلكي آخر، جيوفاني دومينيكو كاسيني، نفس الكسوف من باريس. ومن خلال مقارنة وقت بداية الكسوف بين باريس وكوبنهاجن، حدد العلماء الفرق في خط الطول. لعدة سنوات متتالية، رصدت كاسيني أقمار المشتري من نفس المكان على الأرض، ولاحظت أن الوقت بين خسوفات الأقمار الصناعية أصبح أقصر عندما كانت الأرض أقرب إلى المشتري، وأطول عندما كانت الأرض أبعد عن المشتري. وبناء على ملاحظاته، افترض أن سرعة الضوء محدودة. كان هذا قرارًا صحيحًا تمامًا، ولكن لسبب ما تراجع كاساني عن كلماته قريبًا. لكن رومر قبل الفكرة بحماس، بل وتمكن من ابتكار صيغ بارعة تأخذ في الاعتبار قطر الأرض ومدار كوكب المشتري. ونتيجة لذلك، حسب أن الضوء يستغرق حوالي 22 دقيقة ليعبر قطر مدار الأرض حول الشمس. وكانت حساباته خاطئة: وفقًا للبيانات الحديثة، يقطع الضوء هذه المسافة في 16 دقيقة و40 ثانية. إذا كانت حسابات أولي دقيقة، فإن سرعة الضوء ستكون 135000 كم/ثانية.

لاحقًا، واستنادًا إلى حسابات رونر، استبدل كريستيان هوينز بيانات أكثر دقة عن قطر الأرض ومدار كوكب المشتري في الصيغ. ونتيجة لذلك، حصل على سرعة الضوء تساوي 220 ألف كيلومتر في الثانية، وهي أقرب بكثير إلى القيمة الصحيحة.

لكن لم يعتبر جميع العلماء أن الفرضية المتعلقة بالسرعة المحدودة للضوء صحيحة. واستمر الجدل العلمي حتى عام 1729، عندما تم اكتشاف ظاهرة انحراف الضوء، مما أكد افتراض أن سرعة الضوء محدودة، وجعل من الممكن قياس قيمتها بشكل أكثر دقة.

هذا مثير للاهتمام: توصل العلماء والمؤرخون المعاصرون إلى استنتاج مفاده أن صيغ رومر وهوينز كانت صحيحة على الأرجح. الخطأ كان في البيانات الخاصة بمدار المشتري وقطر الأرض. وتبين أنه لم يكن الفلكيان مخطئين، بل الأشخاص الذين زودوهما بالمعلومات حول المدار والقطر.

الصورة الرئيسية: موقع Depositphotos.com

إذا وجدت خطأ، يرجى تحديد جزء من النص والنقر عليه السيطرة + أدخل.