النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته في الوسط
النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته في الوسط
النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته في الوسط، سرعة الضوء في الفراغ هي ثابت فيزيائي هام في العديد من مجالات الفيزياء، يرمز له في العادة بالرمز c وتساوي قيمته 299,792,458 متر لكل ثانية. تستخدم سرعة الضوء حاليا لتعريف وحدة المتر باعتبارها ثابتا فيزيائيا ومعيارا دوليا لقياس الوقت. وهو ما يعادل بعد التقريب لثلاثة أرقام معنوية 300,000 كيلومتر في الثانية أو حوالي مليار كيلومتر لكل ساعة.
بموجب النسبية الخاصة، سرعة الضوء (أو الثابت c) هي أقصى سرعة تستطيع أن تسافر بها كل أشكال الطاقة، أو المادة، أو المعلومات في الفضاء. وهي سرعة سفر الجسيمات عديمة الكتلة ومجالاتها المتلازمة (بما في ذلك الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الضوء) عبر الفراغ. وهي أيضا سرعة الجاذبية (الخاصة بأمواج الجاذبية) التي تنبأت بها النظريات الحالية. وتسافر تلك الجسيمات والأمواج بالسرعة c أيا كانت سرعة المصدر والإطار المرجعي العطالي للمراقب. في نظرية النسبية، الثابت c يرابط بين المكان والزمان، ويظهر أيضا في المعادلة الشهيرة لتكافؤ المادة والطاقة E = mc2.
ينتشر الضوء في المواد الشفافة مثل الزجاج والهواء بسرعة أقل من c. تدعى النسبة بين c وبين سرعة الضوء في مادة ما v بقرينة الانكسار n لتلك المادة (n=c/v). مثال، تساوي عادة قرينة انكسار الضوء المرئي عند مروره عبر الزجاج حوالي 1.5، معنى ذلك أن الضوء يسير في الزجاج بسرعة v = c/1.5 ≈ 200,000 km/s، وللهواء تساوي قرينة الانكسار 1.0003، وبالتالي تقل سرعة الضوء المرئي في الهواء بحوالي 90 كم/ث عن c.
يظهر انتشار الضوء وغيره من الموجات الكهرومغناطيسية في كثير من الأصداء العملية بشكل آني (أو لحظي)، ولكن للمسافات الطويلة والقياسات الحساسة جدا، فإن السرعات المحدودة لتلك الموجات تكون لها تأثيرات ملحوظة. الاتصال بمسابير الفضاء البعيدة، على سبيل المثال، يمكن أن يستغرق دقائق لساعات وذلك لإيصال رسالة من الأرض إلى المركبة الفضائية، أو العكس. كما أن الضوء الذي يصلنا من النجوم يكون قد رحل عنها منذ سنوات عديدة (آلاف السنين الضوئية)، فالذي يصلنا هو صورة تلك النجوم في زمن سحيق وهو ما يسمح بدراسة تاريخ الكون من خلال النظر في مكوناته البعيدة. كما أن سرعة الضوء المحدود تضع حداً للسرعة القصوى النظرية لأجهزة الحاسب الآلي، حيث تنتقل المعلومات داخل الحاسوب من رقاقة لأخرى. وبما أن سرعة الضوء ثابتة في الأوساط المختلفة يمكن استخدامها مع زمن الطيران لقياس مسافات كبيرة بدقة عالية.
من المعروف أنه لا يوجد شيء أسرع من الضوء ولكن في السنوات الماضية تم إجراء عدة تجارب لاكتشاف ما هو أسرع وقد وجدوا أن الإلكترونات المتجاورة تدور في اتجاهات مخالفة أي أن إلكتروني المستوى الأول أحدهما يدور في إتجاه عقارب الساعة والآخر في عكس إتجاه عقارب الساعة ولو تم عكس اتجاه أحدهما فيتم عكس التالي مباشرة وفي نفس اللحظة حتى إن كان أحدهما على كوكب الأرض والآخر خارج المجرة.
العلاقة بين سرعة الضوء وطول الموجة
العلاقة بين سرعة الضوء وطول الموجة تندرج ضمن مفهوم معروف بتردد الضوء وطول الموجة. في الفيزياء، يُمكننا استخدام المعادلة التالية لحساب سرعة الضوء:
سرعة الضوء = طول الموجة × تردد الضوء
حيث تُعبر سرعة الضوء عن سرعة انتشار الضوء في الوسط، وتقريبًا تساوي 299,792,458 متر في الثانية في الفراغ. وتقاس طول الموجة بوحدة المسافة، مثل المتر، في حين يُقاس تردد الضوء بوحدة الهرتز (عدد الأهتزازات في الثانية).
وبناءً على المعادلة أعلاه، يتضح أنه كلما ازداد طول الموجة، انخفض تردد الضوء، وعلى العكس من ذلك، كلما ازداد تردد الضوء، قل طول الموجة. وبما أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة، فإن العلاقة العكسية بين سرعة الضوء وطول الموجة تعني أنه كلما ازداد تردد الضوء، زادت سرعته، وكلما قل طول الموجة، زاد تردد الضوء.
على سبيل المثال، في الطيف الضوئي، يمتلك الضوء طول موجة قصيرة عندما يكون لديه تردد عالي، مثل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. وبالمقابل، يكون للضوء طول موجة أطول عندما يكون لديه تردد أقل، مثل الأشعة تحت الحمراء والراديو.
هذه العلاقة بين سرعة الضوء وطول الموجة متباينة ومهمة في الفيزياء والعديد من التطبيقات العلمية والتكنولوجية.
سرعة الضوء وقياس المسافات
سرعة الضوء في الفراغ هي قيمة ثابتة تقريبية وتُرمز لها بالرمز "c". قيمة هذه السرعة هي حوالي 299,792,458 متر في الثانية، ويتم تقريبها عادة إلى 3 × 10^8 متر في الثانية.
بالنسبة لقياس المسافات باستخدام الضوء، يمكن استخدام مبدأ "الزمن المستغرق للضوء للوصول من نقطة إلى أخرى" لقياس المسافات بين الأجسام. ويستند هذا المبدأ إلى الفكرة الأساسية لأن الضوء ينتقل بسرعة ثابتة ومعروفة.
عندما يرسل إشارة ضوئية من مصدر إلى هدف، يمكن قياس الزمن اللازم للضوء للوصول إلى الهدف والعودة إلى المصدر. باستخدام سرعة الضوء المعروفة، يمكن حساب المسافة ببساطة بواسطة ضرب الزمن بسرعة الضوء وتقسيمها على 2.
على سبيل المثال، إذا استغرق الضوء 1 ثانية للوصول إلى الهدف والعودة إلى المصدر، فإن المسافة بين المصدر والهدف تكون تقريبًا 150,000,000 متر (أو 150 كيلومتر).
هذا هو المبدأ الذي يستخدم في تقنية الرادار وأجهزة القياس البعيدة الأخرى لقياس المسافات باستخدام الضوء.
النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته في الوسط
النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته في الوسط يتم تعيينها بواسطة معامل الانكسار (Index of Refraction) للوسط. تشير النسبة إلى كيفية تغير سرعة الضوء عندما ينتقل من الفراغ إلى وسط معين.
يعتبر معامل الانكسار مقياسًا لقدرة المادة على تحبيب أو تشتيت الضوء. عندما ينتقل الضوء من الفراغ إلى وسط مادي، يمر بتغير في سرعته بناءً على خواص ذلك الوسط. وعادةً ما يتحرك الضوء بسرعة أقل في الوسط المادي مقارنةً بالفراغ.
يمكن تعبير النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ (c) وسرعته في الوسط (v) باستخدام المعادلة التالية:
نسبة السرعة = c / v
عندما يكون المعامل الانكساري للوسط معروفًا، يمكن استخدام المعادلة التالية لحساب سرعة الضوء في الوسط (v):
v = c / معامل الانكسار
مثلاً، في الهواء (الذي يعتبر قريبًا من الفراغ)، المعامل الانكساري يكون تقريبًا مساويًا للواحد (n = 1)، وبالتالي فإن سرعة الضوء في الهواء تكون مقاربة لسرعته في الفراغ.
مع ذلك، يختلف المعامل الانكساري وبالتالي سرعة الضوء في الوسط بناءً على نوع المادة. على سبيل المثال، في الزجاج أو الماء، المعامل الانكساري أكبر من الواحد، وبالتالي سرعة الضوء أصغر من سرعته في الفراغ.
وبناءً على القيم المحددة لمعامل الانكسار للوسط، يمكن حساب النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته في ذلك الوسط المحدد.
اقرأ أيضا
