تظهر صورة مركز المجرة في نطاقات أطوال موجية عديدة مصادر الإشعاع مثل النجوم والغاز والثقوب السوداء وما إلى ذلك. لكن الضوء المنبعث من كل هذه المصادر ، من إشعاع جاما إلى المدى المرئي والمذياع ، يتحرك دائمًا عبر الفضاء الخالي بنفس السرعة: سرعة الضوء في الفراغبغض النظر عن السرعة التي تتحرك بها ، شيء واحد لا يمكنك التقاطه: الضوء. إن سرعة الضوء ليست فقط السرعة القصوى التي يمكن أن يتحرك بها أي شيء في الكون ، ولكنها تعتبر أيضًا ثابتًا عالميًا. سواء أقمنا بتشغيل الفلاش ، أو نظرنا إلى القمر أو الشمس ، أو قياس معلمات مجرة تقع على بعد مليارات السنين الضوئية منا ، فإن سرعة الضوء هي الشيء الوحيد الذي لم يتغير. ولكن هل هذا هو الحال دائمًا؟ هذا بالضبط ما يريد القارئ معرفته:
هل يسير الضوء بنفس السرعة طوال الوقت؟ إذا أبطأ شيئًا ما فهل سيتباطأ بعد اختفاء هذا التأثير؟ هل ستسرع مرة أخرى إلى سرعة الضوء؟
لنبدأ بما يشكل الضوء على المستوى الأساسي: الكميات.
تتأرجح في مرحلة واحدة ، المجالات الكهربائية والمغناطيسية تنتشر بسرعة الضوء تحدد الإشعاع الكهرومغناطيسي. تُعرف أصغر وحدة من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، الكم ، باسم الفوتون.يمكن أن يكون الضوء مختلفًا عن الجسيمات إذا لاحظت مصدرًا للضوء مثل المصباح الكهربائي أو مصباح يدوي أو مؤشر ليزر أو الشمس - ولكن هذا كله لأننا لا نستطيع رؤية جسيماته الفردية. إذا استخدمنا مكشافات ضوئية إلكترونية بدلاً من أعيننا ، فسوف نجد أن كل ضوء الكون يتكون من نفس الجسيمات أو الفوتونات الكمية. لديها العديد من الخصائص التي هي نفسها لجميع الفوتونات:
- كتلة تساوي 0 ؛
- السرعة تساوي دائمًا s ، سرعة الضوء ؛
- spin ، مقياس الزخم الزاوي الداخلي ، يساوي دائمًا 1 ؛
وخاصية مهمة جدًا تختلف باختلاف الفوتونات: الطاقة. من بين جميع الفوتونات المرئية للعين البشرية ، يمتلك الضوء البنفسجي أكبر قدر من الطاقة ، بينما يمتلك الأحمر أقل طاقة. تتمتع الفوتونات من نطاقات الأشعة تحت الحمراء والميكروويف والراديو بقدرة أقل ، وأكثر - من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وإشعاع جاما.
مقاييس الحجم ، وطول الموجة ودرجة الحرارة / الطاقة المقابلة لأجزاء مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسيمن خلال فراغ الفضاء ، بغض النظر عن الطاقة ، تتحرك دائمًا بسرعة الضوء. وبغض النظر عن السرعة التي تحاول بها التحرك بعد الضوء أو باتجاهه: ستكون سرعة الفوتونات التي تلاحظها هي نفسها دائمًا. بدلاً من السرعة ، ستتغير طاقتهم. تحرك نحو الضوء ، وسوف يظهر المزيد من اللون الأزرق ، وسوف تكون طاقته أكثر. ابتعد عنه ، وسيظهر أحمر ، وستصبح طاقته أقل. ولكن بغض النظر عن كيفية تحركك ، وكيف يتحرك الضوء ، وكيف تغير الطاقة ، فإن سرعة الضوء لن تتغير. سوف يتحرك الفوتون من أعلى أو أدنى من جميع الطاقات المرصودة بنفس السرعة دائمًا.
تتحرك جميع الجسيمات عديمة الكتلة بسرعة الضوء ، بما في ذلك الفوتونات ، gluons ، وموجات الجاذبية التي تنقل التفاعلات الكهرومغناطيسية والنووية القوية والجاذبية ، على التوالي.ولكن إذا كنت تريد الانتقال من فراغ إلى مادة معينة ، يمكن إبطاء الضوء. أي مادة شفافة للضوء ستسمح للفوتونات بالتحرك بداخلها - سواء أكان الماء ، وراتنج الأكريليك ، والبلورات ، والزجاج ، وحتى الهواء. ولكن نظرًا لوجود جسيمات مشحونة في هذه المواد - إلكترونات - فسوف تتفاعل مع الفوتونات ، وبالتالي تبطئها. الضوء ، على الرغم من أنه ليس لديه شحنة ، يتصرف مثل الموجة. يتسبب الفوتون المتحرك في الفضاء في حدوث تذبذبات في المجالين الكهربائي والمغناطيسي ، مما يؤدي إلى تفاعله مع الجسيمات المشحونة. تؤدي هذه التفاعلات إلى إبطائها ، مما يجبرها على التحرك بسرعة أقل من سرعة الضوء أثناء تحركها في الوسط.
يوضح سلوك الضوء الأبيض الذي يمر عبر منشور كيف يتحرك ضوء الطاقات المختلفة بسرعات مختلفة في الوسط - ولكن ليس في الفراغسيكون للفوتونات المختلفة طاقات مختلفة ، مما يعني أن مجالاتها الكهربائية والمغناطيسية ستتذبذب بترددات مختلفة. في الفراغ ، تكون سرعة الأنواع المختلفة من الضوء هي نفسها ، ولكن في الوسط يمكن أن تختلف. تنوير بضوء أبيض ، يتكون من جميع الألوان ، قطرة ماء أو منشور ، والفوتونات عالية الطاقة ستتباطأ بقوة أكبر من الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة ، مما سيؤدي إلى انقسام الضوء إلى ألوان.
تظهر أقواس قوس قزح الأولية (الساطعة) والثانوية (الخافتة) بسبب تفاعل ضوء الشمس وقطرات الماء ، وأخرى إضافية بسبب الانعكاسات في الماء. يتم فصل الألوان بسبب السرعات المختلفة للفوتونات من طاقات مختلفة تتحرك في الوسط - في هذه الحالة ، في الماءهذه هي الطريقة التي يتسبب بها الضوء ، الذي يمر عبر قطرات من الماء ، في إنشاء قوس قزح - تتفاعل الفوتونات ذات الطاقات المختلفة مع جسيمات الوسط المشحونة ، وتبطئ بطرق مختلفة.
تؤدي الانعكاسات المتعددة للضوء في قطرة ماء إلى فصل الضوء بزوايا مختلفة ، عندما يتحرك الضوء الأحمر في البيئة المائية بشكل أسرع وبنفسجي أبطأ.من المهم أن نتذكر أنه في هذه الحالة لا تتغير خصائص الضوء. لا يفقد الطاقة ، ولا يغير خصائصه الجوهرية ، ولا يتحول إلى أي شيء. فقط المساحة المحيطة به تتغير. عندما يترك هذا الضوء الوسط ويعود إلى الفراغ ، فإنه يتحرك مرة أخرى بسرعة الضوء في الفراغ: 299 792 458 مترًا في الثانية. في الواقع ، يتم حساب تعريفات المسافات والوقت - بالأمتار والثواني - من خلال سرعة الضوء. يمكن للذرات امتصاص أو انبعاث الضوء ، اعتمادًا على انتقالات الإلكترونات داخل الذرات.
يحدد الانتقال الذري من المدار 6s ، Δf 1 ، مقياس الضوء وثانيته وسرعتهيحتوي السيزيوم ، العنصر 55 من الجدول الدوري ، على 55 إلكترونًا في ذرة مفردة ومستقرة ومحايدة. عادةً ما توجد أول 54 إلكترونًا في الولاية بأقل طاقة ، ولكن الـ 55 لديها مستوىان محتملان للطاقة يمكن أن يشغلهما ، يقعان قريبين جدًا من بعضهما البعض. إذا مر من أعلى قليلاً إلى أقل قليلاً ، فإن الطاقة الانتقالية تمر إلى الفوتون بطاقة محددة تمامًا. إذا أخذت 9 192 631770 دورة من هذا الفوتون ، فستحصل على ثانية واحدة. إذا أخذنا المسافة التي ستغطيها في 30.663319 دورة (9 192 631 770/299 792 458) ، نحصل على متر واحد.
من هذا يتبع شيء عميق بشكل مدهش: حتى تكون الذرات في جميع أنحاء الكون هي نفسها تمامًا ، لن يتغير تعريفنا للوقت والمسافة وسرعة الضوء ، بغض النظر عن المكان الذي نستخدمها فيه في الكون.
بغض النظر عن مدى النظر إلى الكون ، فإن الفيزياء التي تتحكم في الذرات وتحدد طول ووقت وسرعة الضوء ستبقى دون تغيير.فماذا تعلمنا نتيجة لذلك؟
- يتحرك الضوء ، بغض النظر عما إذا كانت طاقته عالية أو منخفضة ، بسرعة الضوء ، بينما يتحرك في فراغ فراغ.
- لا تغيير في حركتك أو حركة الضوء يغير هذه السرعة.
- عن طريق إرسال الضوء إلى وسيط غير الفراغ ، يمكنك تغيير سرعته أثناء تحركه في هذه الوسيلة.
- ضوء الطاقات المختلفة سيغير السرعة بشكل مختلف ، اعتمادًا على خصائص الوسيط.
- بعد ترك الوسيط والعودة إلى الفراغ ، يبدأ الضوء في التحرك مرة أخرى بسرعة الضوء.
- وفقًا لمعرفتنا وأفضل القياسات ، تظل سرعة الضوء عند حوالي 299 792 458 م / ث في جميع الأماكن وفي جميع الأوقات من الكون.
من نواح عديدة ، الضوء هو أبسط جسيم في الكون. وعلى الرغم من أنها تتحرك دائمًا بسرعة الضوء ، إلا أنها لا تتحرك دائمًا في مساحة فارغة تمامًا. طالما أن المادة الشفافة محفوظة في الكون ، فلن تتمكن من تجنب اعتدال الضوء فيها. ولكن بمجرد عودة الضوء إلى الفضاء الخالي ، يتحرك مرة أخرى بسرعة الضوء ، ويتحرك كل فوتون كما لو أنه لم يتحرك بسرعة مختلفة!
إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].الأسئلة الشائعة: إذا كان الكون يتوسع ، فلماذا لا نتوسع ؟ لماذا لا يتزامن عمر الكون مع نصف قطر الجزء الملاحظ .