كيف يسافر لايت؟

إن السؤال عن كيفية انتقال الضوء عبر الفضاء هو أحد الألغاز الدائمة للفيزياء. في التفسيرات الحديثة ، إنها ظاهرة موجية لا تحتاج إلى وسيط تنتشر من خلاله. وفقًا لنظرية الكم ، فإنها تتصرف أيضًا كمجموعة من الجسيمات في ظل ظروف معينة. ومع ذلك ، بالنسبة لمعظم الأغراض العيانية ، يمكن وصف سلوكها من خلال معاملتها على أنها موجة وتطبيق مبادئ ميكانيكا الموجة لوصف حركتها.

في منتصف القرن التاسع عشر ، أثبت الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل أن الضوء هو شكل من أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية التي تنتقل في موجات. تفسر طبيعة الاهتزازات الكهرومغناطيسية مسألة كيفية إدارتها للقيام بذلك في حالة عدم وجود وسيط. عندما يهتز جسيم مشحون ، فإنه ينتج اهتزازًا كهربائيًا يؤدي تلقائيًا إلى إحداث اهتزاز مغناطيسي - غالبًا ما يتخيل الفيزيائيون هذه الاهتزازات التي تحدث في مستويات متعامدة. تنتشر التذبذبات المزدوجة إلى الخارج من المصدر ؛ لا يوجد وسيط ، باستثناء المجال الكهرومغناطيسي الذي يخترق الكون ، مطلوب لتوصيلها.

عندما يولد مصدر كهرومغناطيسي الضوء ، ينتقل الضوء إلى الخارج كسلسلة من المجالات متحدة المركز متباعدة وفقًا لاهتزاز المصدر. يأخذ الضوء دائمًا أقصر مسار بين المصدر والوجهة. يسمى الخط المرسوم من المصدر إلى الوجهة ، العمودي على جبهات الموجة ، شعاعًا. بعيدًا عن المصدر ، تتدهور جبهات الموجة الكروية إلى سلسلة من الخطوط المتوازية تتحرك في اتجاه الشعاع. يحدد التباعد بينهما الطول الموجي للضوء ، وعدد هذه الخطوط التي تمر بنقطة معينة في وحدة زمنية معينة يحدد التردد.

يحدد التردد الذي يهتز به مصدر الضوء التردد - والطول الموجي - للإشعاع الناتج. يؤثر هذا بشكل مباشر على طاقة الحزمة الموجية - أو انفجار الموجات المتحركة كوحدة - وفقًا لعلاقة أسسها الفيزيائي ماكس بلانك في أوائل القرن العشرين. إذا كان الضوء مرئيًا ، فإن تردد الاهتزاز يحدد اللون. ومع ذلك ، لا تتأثر سرعة الضوء بتردد الاهتزاز. في الفراغ ، تكون دائمًا 299،792 كيلومترًا في الثانية (186 ، 282 ميلًا في الثانية) ، وهي قيمة يُشار إليها بـ الحرف "ج". وفقًا لنظرية النسبية لأينشتاين ، لا شيء في الكون يسافر أسرع منه هذا.

ينتقل الضوء في وسط أبطأ مما ينتقل في الفراغ ، وتتناسب السرعة مع كثافة الوسط. يتسبب هذا الاختلاف في السرعة في انحناء الضوء عند واجهة وسيطين - وهي ظاهرة تسمى الانكسار. تعتمد الزاوية التي ينحني عندها على كثافة الوسيطتين والطول الموجي للضوء الساقط. عندما يتكون الضوء الساقط على وسط شفاف من جبهات موجية ذات أطوال موجية مختلفة ، فإن كل مقدمة موجة تنحني بزاوية مختلفة ، والنتيجة هي قوس قزح.