اسأل إيثان: لماذا سرعة الضوء ما هي؟

بغض النظر عن اللون أو الطول الموجي أو الطاقة ، تظل السرعة التي ينتقل بها الضوء في الفراغ ثابتة. لا يعتمد على الموقع أو الاتجاهات في المكان والزمان.

لا شيء في الكون قادر على التحرك أسرع من الضوء في الفراغ. 299792458 مترًا في الثانية. إذا كان جسيمًا ضخمًا ، فيمكنه فقط الاقتراب من هذه السرعة ، ولكن لا يصل إليه ؛ إذا كان جسيم بلا كتلة ، يجب أن يتحرك دائمًا بهذه السرعة ، إذا كان يحدث في مساحة فارغة. لكن كيف نعرف هذا ولماذا؟ يطرح علينا قارئنا هذا الأسبوع ثلاثة أسئلة تتعلق بسرعة الضوء:

لماذا سرعة الضوء محدودة؟ لماذا هي كما هي؟ لماذا لا أسرع وأبطأ؟

حتى القرن التاسع عشر ، لم يكن لدينا أي تأكيد لهذه البيانات.


رسم توضيحي للضوء يمر عبر منشور وينقسم إلى ألوان واضحة.

إذا كان الضوء يمر عبر الماء أو منشور أو أي وسيط آخر ، فإنه ينقسم إلى ألوان مختلفة. لا ينكسر اللون الأحمر في الزاوية التي يعمل فيها باللون الأزرق ، وهذا هو سبب ظهور شيء مثل قوس قزح. يمكن ملاحظة ذلك خارج الطيف المرئي ؛ تتصرف الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية بنفس الطريقة. لن يكون هذا ممكنًا إلا إذا كانت سرعة الضوء في الوسط مختلفة للضوء من أطوال موجية / طاقات مختلفة. ولكن في فراغ ، خارج أي وسيط ، يتحرك كل الضوء بنفس السرعة المحدودة.


يحدث فصل الضوء إلى الألوان بسبب سرعات الضوء المختلفة ، اعتمادًا على طول الموجة ، عبر الوسط

لقد توصلوا إلى هذا فقط في منتصف القرن التاسع عشر ، عندما أظهر الفيزيائي جيمس كلارك ماكسويل ما هو الضوء حقًا: موجة كهرومغناطيسية. وضع ماكسويل أولاً الظواهر المستقلة للكهرباء الساكنة (الشحنات الساكنة) ، والديناميكا الكهربائية (الشحنات والتيارات المتحركة) ، والتيار المغناطيسي (المجالات المغناطيسية الثابتة) والديناميكا المغناطيسية (التيارات المستحثة والمجالات المغناطيسية المتناوبة) على منصة واحدة موحدة. تسمح لنا المعادلات التي تحكمها - معادلات ماكسويل - بحساب الإجابة على سؤال يبدو بسيطًا: ما هي أنواع المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي يمكن أن توجد في مساحة فارغة خارج المصادر الكهربائية أو المغناطيسية؟ من دون اتهامات وبدون تيارات ، سيكون من الممكن أن تقرر أنه لا شيء - لكن معادلات ماكسويل تثبت العكس بشكل مدهش.


لوحة معادلة ماكسويل على ظهر نصبه

لا يوجد حل واحد ممكن. ولكن هناك شيء آخر ممكن أيضًا - المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتعامدة بشكل متبادل والتي تتأرجح في مرحلة واحدة. لديهم سعة معينة. يتم تحديد طاقتهم من خلال تردد التذبذبات الميدانية. يتحركون بسرعة معينة ، يحددها ثابتين: ε ₀ و μ ₀ . تحدد هذه الثوابت حجم التفاعلات الكهربائية والمغناطيسية في كوننا. تصف المعادلة الناتجة موجة. ومثل أي موجة ، لها سرعة ، 1 / ​​√ε ₀ µ ₀ ، والتي تبين أنها تساوي c ، سرعة الضوء في الفراغ.


تتداخل المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتعامدة بشكل متبادل في مرحلة واحدة ، وتنتشر بسرعة الضوء ، وتحدد الإشعاع الكهرومغناطيسي

من وجهة نظر نظرية ، الضوء هو إشعاع كهرومغناطيسي بلا كتلة. وفقًا لقوانين الكهرومغناطيسية ، يجب أن يتحرك بسرعة 1 / √ ε ₀ µ ₀ ، تساوي c - بغض النظر عن خصائصه الأخرى (الطاقة ، الزخم ، الطول الموجي). يمكن قياس ε ₀ عن طريق صنع وقياس المكثف ؛ _يتم تحديد _{is 0} بدقة من الأمبير ، وحدات التيار الكهربائي ، والتي تعطينا ج. نفس الثابت الأساسي ، الذي استنتجه ماكسويل لأول مرة في عام 1865 ، ظهر منذ ذلك الحين في العديد من الأماكن الأخرى:

• هذه هي سرعة أي جسيم أو موجة بلا كتلة ، بما في ذلك الجاذبية.
• هذا ثابت أساسي يربط حركتك في الفضاء بحركتك في الوقت المناسب في نظرية النسبية.
• وهذه طاقة أساسية ثابتة تربط الطاقة بالكتلة الباقية ، E = mc ²


زودتنا ملاحظات رومر بأول قياسات لسرعة الضوء التي تم الحصول عليها باستخدام الهندسة وقياس الوقت الذي يستغرقه الضوء في السفر لمسافة مساوية لقطر مدار الأرض.

تم إجراء القياسات الأولى لهذه الكمية خلال الملاحظات الفلكية. عندما تدخل أقمار المشتري وتخرج من موقع الكسوف ، تظهر مرئية أو غير مرئية من الأرض بتسلسل معين ، اعتمادًا على سرعة الضوء . أدى ذلك إلى أول قياس كمي لـ s في القرن السابع عشر ، والذي تم تحديده عند 2.2 × 10 ⁸ م / ث. يمكن أيضًا تقدير انحراف ضوء النجوم - بسبب حركة النجم والأرض التي يتم تركيب التلسكوب عليها - رقميًا. في عام 1729 ، أظهرت طريقة القياس هذه قيمة تختلف عن القيمة الحديثة بنسبة 1.4 ٪ فقط. بحلول السبعينيات ، وجد أن s 299792458 م / ث مع وجود خطأ 0.0000002٪ فقط ، نجم معظمها عن عدم القدرة على تحديد العداد أو الثانية بدقة. بحلول عام 1983 ، أعيد تعريف الثاني والعداد من خلال ج والخصائص العالمية للإشعاع الذري. الآن سرعة الضوء 299792458 م / ث.


يحدد الانتقال الذري من مدار 6S ، δf ₁ ، مقياس الضوء وسرعة الضوء

فلماذا لم تعد سرعة الضوء ولا أقل؟ التفسير بسيط كما هو مبين في الشكل. ذرة أعلى. تحدث التحولات الذرية عند حدوثها ، بسبب الخصائص الكمومية الأساسية لبنات البناء الطبيعية. تؤدي تفاعلات النواة الذرية مع المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي أنشأتها الإلكترونات وأجزاء أخرى من الذرة إلى حقيقة أن مستويات الطاقة المختلفة قريبة جدًا من بعضها البعض ، ولكنها لا تزال مختلفة قليلاً: وهذا ما يسمى انقسام الانقسام الدقيق . على وجه الخصوص ، فإن تردد الانتقال للهيكل فائق الدقة للسيزيوم -133 يصدر ضوءًا لتردد محدد جدًا. والوقت الذي تستغرقه هذه الدورات 9،192،631،770 هو الثاني ؛ المسافة التي يقطعها الضوء خلال هذا الوقت هي 299 792 458 متر ؛ السرعة التي ينتشر بها هذا الضوء تحدد s.


الفوتون الأرجواني يحمل طاقة مليون مرة أكثر من الأصفر. لا يظهر تلسكوب جاما الفيرمي الفضائي أي تأخيرات لأي من الفوتونات التي وصلت إلينا من انفجار أشعة غاما ، مما يؤكد ثبات سرعة الضوء لجميع الطاقات

لتغيير هذا التعريف ، من الضروري أن يحدث شيء مختلف جوهريًا عن طبيعته الحالية مع هذا الانتقال الذري أو مع الضوء القادم منه. يعطينا هذا المثال أيضًا درسًا قيمًا: إذا عملت الفيزياء الذرية والتحولات الذرية بشكل مختلف في الماضي أو على مسافات طويلة ، فسيكون ذلك دليلاً على تغيير في سرعة الضوء بمرور الوقت. حتى الآن ، تفرض جميع قياساتنا قيودًا إضافية فقط على ثبات سرعة الضوء ، وهذه القيود صارمة جدًا: لا يتجاوز التغيير 7 ٪ من القيمة الحالية على مدى 13.7 مليار سنة الماضية. إذا ، بالنسبة لبعض هذه المقاييس ، لن تكون سرعة الضوء ثابتة ، أو إذا كانت مختلفة لأنواع مختلفة من الضوء ، سيؤدي ذلك إلى أكبر ثورة علمية منذ أينشتاين. بدلاً من ذلك ، كل الأدلة تتحدث لصالح الكون ، حيث تظل جميع قوانين الفيزياء دائمًا ، في كل مكان ، وفي جميع الاتجاهات ، كما هي في جميع الأوقات ، بما في ذلك فيزياء الضوء نفسه. بمعنى ما ، هذه أيضًا معلومات ثورية تمامًا.

إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].