لقد كان عالم الفلك الدنماركي أولي ريمر هو الذي تمكن في عام 1676 من قياس سرعة الضوء. اعتمدت طريقته على ملاحظات خسوف القمر آيو لكوكب المشتري، والتي قام بها لإثبات ادعائه بأن سرعة الضوء محدودة.
على الرغم من أن جاليليو كان أول من حاول تحديد سرعة الضوء، إلا أنه لم ينجح. أجريت تجاربه على مسافات على الأرض، وهي مسافة صغيرة جدًا بحيث لا يمكن قياس مثل هذه السرعة الكبيرة. وكانت طرق التوقيت المتاحة له أيضًا بعيدة جدًا وبسيطة بحيث لا تسمح بقياس دقيق لسرعة الضوء.
ونحن نعلم اليوم أن سرعة الضوء تقترب من 300 ألف كيلومتر في الثانية (بتعبير أدق، تبلغ سرعة الضوء في الفضاء 299,792,458 مترًا في الثانية - وهو رقم يستخدم كأساس لحساب المسافات في الفضاء بالسنوات الضوئية). واجه جاليليو صعوبة في التمييز بين هذه السرعة والسرعة اللانهائية بسبب صغر المقياس الذي كان يستخدمه.
الطريقة الوحيدة لقياس المسافات التي تزيد عن بضع جسيمات من الثانية الضوئية هي النظر إلى السماء. لقد كان عالم الفلك الدنماركي أولي ريمر هو الذي تمكن في عام 1676 من قياس سرعة الضوء. واعتمدت طريقته على ملاحظات خسوف قمر آيو لكوكب المشتري، والتي قام بها لإثبات ادعائه بأن سرعة الضوء محدودة، وهو ما كان مخالفًا للافتراض العلمي حتى ذلك الحين.
وأشار ريمر إلى أن الفاصل الزمني المرصود بين الخسوفات المتعاقبة لآيو كان أطول بنحو سبع دقائق عندما كانت الأرض تبتعد عن المشتري مقارنة بالفاصل الزمني بين تلك الخسوفات كما رأينا عندما كانت الأرض تقترب من المشتري. ادعى ريمر أنه مع انحسار الأرض، كان الفارق الزمني بين الكسوف حوالي 3.5 دقيقة أكبر من القيمة الحقيقية، وذلك بسبب المسافة الإضافية التي كان على الضوء من كل كسوف أن يقطعها للوصول إلى الأرض. من ناحية أخرى، عندما تتحرك الأرض نحو المشتري، فإن الفاصل الزمني المرصود بين الكسوف يكون أصغر (حوالي 3.5 دقيقة) لأن المسافة التي يجب أن يقطعها الضوء قد انخفضت.
ولو بقيت الأرض في مكانها، لكان الضوء الناتج عن الكسوف قد خفت بنفس المسافة من الأرض بحيث تكون المسافة الحقيقية بين الكسوفات ثابتة. ومع ذلك، عندما ابتعدت الأرض عن المشتري، كان على الضوء أن يسافر مسافة أكبر للوصول إلى الأرض. وبما أن سرعة دوران الأرض حول الشمس كانت معروفة آنذاك، فقد كان من الممكن حساب المسافة إلى كوكب المشتري. وفسرت سرعة الضوء التغيرات التي طرأت على الفترات الفاصلة بين الخسوفين والتي وصلت إلى حوالي سبع دقائق.
في عام 1671، قام ريمر برصد كوكب المشتري من مرصد أورنيبورغ في جزيرة فان السويدية، بالقرب من كوبنهاغن. على مدار عدة أشهر، لاحظ جان بيكارد وريمر ما يقرب من 140 خسوفًا لآيو مقابل كوكب المشتري، بينما لاحظ جيوفاني كاسيني (مكتشف حلقات زحل) نفس الخسوفات من باريس. ومن خلال مقارنة أوقات الكسوف، تم حساب الفرق بين خط طول باريس وخط طول أورنيبورغ.
وكان كاسيني هو من كتب عام 1675: "يبدو أن الانحراف كان بسبب أن الضوء استغرق بعض الوقت للوصول إلينا من القمر (آيو)؛ ويبدو أن الضوء يستغرق ما بين عشر إلى إحدى عشرة دقيقة ليقطع مسافة تعادل نصف قطر مدار الأرض." وبعد ذلك بعامين، قدم ريمر النتائج التي توصل إليها إلى الأكاديمية الفرنسية للعلوم.
كان التقدير الذي جاء من ملاحظات ريمر لسرعة الضوء حوالي 225 ألف كيلومتر في الثانية، وهو أمر جيد جدًا بالنظر إلى هذه الطريقة. تم إجراء الحساب نفسه بواسطة عالم فلكي مشهور آخر - كريستيان هويجنز. أول حساب شبه دقيق أجراه عالم الفلك جان بابتيست جوزيف ديليمبيرت عام 1809 عندما أظهر أن الوقت الذي يستغرقه الضوء للوصول إلى الأرض من الشمس هو ثماني دقائق و12 ثانية، مما يعني أن سرعة الضوء ضئيلة. أكثر من 300 في الثانية.
سرعة الضوء ومبدأ النسبية لأينشتاين
منطقيًا، يتوقع المرء أن يكون الحد الأقصى للسرعة في الكون هو اللانهاية، حيث يتم تعريفه أيضًا على أنه أكبر رقم يمكن تخيله. ومع ذلك، في عالمنا، السرعة المتواضعة نسبيًا البالغة 300,000 ألف كيلومتر في الثانية، سرعة الضوء، هي السرعة القصوى النظرية، وعمليًا لا يستطيع أحد منافسة شعاع الضوء. كانت هذه هي البصيرة التي تلقاها ألبرت أينشتاين وهو في السادسة عشرة من عمره في السنوات الأخيرة من القرن التاسع عشر.
في عام 1868، قام عالم الرياضيات والفيزياء الاسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل بحسابات بناءً على أعمال أمبير وكولوم وفارداي أن جميع الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل بنفس سرعة الضوء في الفضاء الفارغ وأن الضوء نفسه هو نوع من الموجات التي تتأرجح عبر المجال المغناطيسي غير المرئي والمجالات الكهربائية. توصل ماكسويل إلى استنتاج مفاده أن الضوء والموجات الكهرومغناطيسية الأخرى يجب أن تتحرك بسرعة ثابتة في وسط أسماه "الأثير".
تجربة مايكلسون مورلي الشهيرة عام 1887، في محاولته الفاشلة لإثبات أن الضوء ينتقل عبر الوسط المعروف بالأثير، كشفت بشكل مفاجئ أن الضوء ينتقل بنفس السرعة بغض النظر عما إذا تم قياسه في اتجاه حركة الأرض أو بزوايا قائمة. إليها، على الأقل عندما ينتقل الضوء عبر الفراغ. عندما ينتقل الضوء من وسط إلى وسط (مثل الهواء الزجاجي على سبيل المثال)، يمكن أن تتغير سرعته اعتمادًا على خصائص الوسط الجديد. انحناء الضوء ينتج عن عمل العدسات.
ولذلك، إذا كان مصدر الضوء يتحرك نحونا أو بعيدًا عنا، فإن الضوء يظل يتحرك بسرعة ثابتة تبلغ 300 ألف كيلومتر في الثانية، على عكس الفيزياء الكلاسيكية والحس السليم. في عام 1905، أوضح الشاب أينشتاين سبب ثبات سرعة الضوء وعدم اعتمادها على سرعة مصدره أو راصده. أدرك أينشتاين (وكذلك عالم الرياضيات الفرنسي هنري بوانكاريه، الذي توصل إلى استنتاجات مماثلة في نفس الوقت تقريبًا، وإن كان ذلك من وجهة نظر رياضية) أن فكرة الأثير برمتها كوسيلة يتحرك فيها الضوء كانت غير ضرورية على الإطلاق وبالتالي وكان من الضروري التخلي عن فكرة الزمن المطلق.
كما أدرك أينشتاين أن معادلات ماكسويل أدت إلى مفارقة أو عدم توافق ظاهري مع قوانين الفيزياء، لأنه يستنتج منها أنه لو أمكن التمسك بشعاع من الضوء لرأى الراصد موجة كهرومغناطيسية ثابتة، وهو أمر مستحيل . ولذلك افترض أينشتاين أن سرعة الضوء تلعب في الواقع دور السرعة اللانهائية في كوننا، وأنه في الواقع لا شيء يمكن أن يتحرك أسرع من سرعة الضوء، وبالتالي لا شيء في الكون يمكن أن يتحرك بسرعة لا نهائية أيضًا. وتجدر الإشارة إلى أن أينشتاين لم يثبت فعليًا ثبات سرعة الضوء، بل استخدم هذا الرقم كبديهية (مقدمة) استمد منها بقية نظريته. البديهية يمكن التحقق منها تجريبيا، ولكن لم يتم إثباتها بأي معنى نظري.
وكانت سرعة الضوء الثابتة أحد الركائز الأساسية لنظريته النسبية الخاصة. كان الركن الثاني هو "مبدأ النسبية" (أو "مبدأ الثبات")، وهي فكرة ذكرها لأول مرة الفيزيائي الإيطالي جاليليو جاليلي في عام 1632. وادعى جاليليو أن قوانين الفيزياء هي نفسها لكل تسارع ولكل مراقب. (السرعة الثابتة في خط مستقيم)، ولذلك فإنه فقط من خلال ملاحظة نتائج التجارب الميكانيكية لا يمكن التمييز بين حالة السكون وحالة السرعة الثابتة.
واستخدم جاليليو مثال السفينة التي تبحر بسرعة ثابتة، دون أن تهتز، في بحر أملس، وأشار إلى أن أي مراقب يقوم بتجارب في غرفة مظلمة لن يتمكن من معرفة ما إذا كانت السفينة تتحرك أم ثابتة.
تضافرت رؤية جاليليو هذه مع مبدأ النسبية لأينشتاين مع سرعة الضوء الثابتة، وأصبح واضحًا لأينشتاين أن سرعة الضوء ستكون هي نفسها بغض النظر عن سرعة الراصد أو مصدر الضوء وذلك من أي مكان. سيظهر القياس 300 ألف كيلومتر في الثانية.
بالنسبة للمقال عن موقع فيزياء الكون
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 10
بن أور
ما هو الهدف من أسئلتك؟ لديهم جميعا إجابات.
يتم إجراء تجارب لقياس سرعة الضوء كل يوم. عدة مرات كل يوم.
المسافة إلى المشتري معروفة من قانون كبلر الثالث.
لا - لا يستطيع الإنسان البسيط قياس سرعة الضوء بمفرده. لكن كل جهاز خاص بك وكل جهاز GPS والعديد من أدوات القياس البسيطة تعتمد على سرعة الضوء.
كيف قمت بقياس سرعة الضوء في الفراغ وهي 299,792,458 متر في الثانية؟
كيف عرفوا بوجود فراغ في الفضاء؟
وما هي البديهيات التي اعتمدوا عليها؟
هل يوجد وصف تفصيلي للتجربة بالضبط!
هل تكررت هذه التجربة مرة ثانية وثالثة؟
هل أستطيع كشخص بسيط أن أقيس سرعة الضوء بنفسي؟
كيف عرفوا المسافة إلى العدالة؟؟
توضيح لرسالتي السابقة:
المهم هو أن الأرض في الموضع A تقع بين المشتري والشمس.
في الموضع B، تكون الأرض على الجانب الآخر. الشمس في المنتصف. في هذه الحالة يكون من الصعب جدًا رؤية كوكب المشتري والكسوف. لكن، حتى لو كان من الممكن رؤيتها، فلا تنس أن زاوية النظر إلى العدالة قد تغيرت. كوكب المشتري يتحرك في السماء. نراه من الجانب. الكسوف موجود بالفعل في توقيت مختلف. كل هذا يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار عند إعداد الجدول المعني. ومع ذلك، مع العمل الصبور والدقيق، سيكون من الممكن إعداد الطاولة التي تحدثت عنها.
لماذا الفرق 7 دقائق فقط وليس 16 دقيقة؟ لأن زاوية الرؤية تغيرت أيضًا في هذه الأثناء ولها تأثير أيضًا. (بالإضافة إلى ذلك، ربما تم إجراء القياس بعد 3 أشهر وليس 6 أشهر). بسبب صعوبة الملاحظة.
الخطأ في حسابات ريمر (خطأ بنسبة 30%) كان بسبب أنه لم يكن يعرف كل ما هو معروف اليوم.
وفيما يلي شرح واضح لهذه الظاهرة:
لنفترض أنه عند النقطة الزمنية A، تكون الأرض قريبة من كوكب المشتري. نرى خسوف القمر آيو (يختفي خلف كوكب المشتري). ومن المعروف أن هذا القمر يدور حول المشتري كل 42 ساعة (ويكيبيديا).
ومن أجل التبسيط، لنفترض أن كوكب المشتري ثابت في مكانه، وأن الأرض تدور حول الشمس.
ولذلك، أعلم أنه بعد ستة أشهر، ستكون الأرض على الجانب الآخر من مدارها. لقد مرت 180 يومًا، أي 24 ساعة. وهذا يعني أن شايو مر بـ 102 خسوفًا خلال هذا الوقت. وهي 102*42 ساعة تمر بين الخسوف. أي أننا قادرون على حساب جدول سنوي لخسوفات القمر آيو. على سبيل المثال: في 1 يناير الساعة 00:00:00، وفي 2 يناير الساعة 18:00:00، وما إلى ذلك. (الأمر ليس صعبًا. يمكنك حساب عدد حالات الخسوف التي قام بها آيو على مدار عام، وحساب متوسط الأوقات).
وهذا ما فعله أولي ريمر. لقد صنع طاولة.
ثم اكتشف أن هناك فروق زمنية. هناك استثناءات للجدول. في بعض الأحيان إيجابية وأحيانا سلبية. متوسط الانحراف: 0.
ثم أدرك أن للضوء سرعة محدودة. ولذلك عندما نكون قريبين من المشتري نرى الخسوف بعد وقت غير معروف T. وعندما نكون بعيدين عن المشتري نرى الخسوف بعد زمن T+7 دقائق. والـ 7 دقائق الإضافية هي الوقت الذي يستغرقه الضوء لعبور مدار الأرض.
مهلا، انتظر، ألم نكن مخطئين؟ ومن المعروف أن الضوء يصل إلينا من الشمس بعد 8 دقائق. أعني أن عبور المسار يستغرق 16 دقيقة، ما المشكلة هنا؟ لماذا الفارق 7 دقائق فقط؟
والجواب على ذلك في فاتحة كلامي "لنفترض أن كوكب المشتري ثابت في مكانه..."
كلامي لا يصلح للكتابة في المقال. كما ادعى رعنان أن هناك خطأ في المقال، لكنه أخطأ أيضا في كلامه. لا يرجع الاختلاف إلى السرعتين النسبيتين لكوكب المشتري والأرض (النظرية النسبية لا تسمح بذلك) بل إلى المواضع النسبية. الرسم صحيح بالفعل.
عذراً رعنان، لكن الرسم المرفق يتوافق مع الاستنتاج بأن للضوء سرعة محدودة. تنقذ الأرض التي تقترب من المشتري بسبب التقدم بحوالي 300 مليون كيلومتر في نصف عام، لذلك يبدو أن دورات آيو تتقدم عندما تقترب الأرض من المشتري وتطول عندما تبتعد الأرض عن المشتري. ومن هذا يمكننا أن نستنتج سرعة الضوء. ولم يكن من المقرر قياس حجم الوحدة الفلكية، ومن هنا الخطأ في حسابه.
بعض التعليقات.
1. كان الغرض الأصلي منه هو توفير جدول زمني لظهور القمر حتى يمكن تثبيت خط الطول في الملاحة في وسط البحر.
2. الرسم والشرح خاطئان. كانت الاختلافات في قياسات زمن دورة إن شاه بسبب السرعة النسبية بين الأرض والمشتري. وليس في فروق المسافات. فرق المسافة كما ذكرت لن يسمح بقياس فروق زمن الدورة لأن السرعة النسبية في كلتا الحالتين هي 0.
لقد قمت بالتحرير مرة أخرى. شكرا
كثرة الأخطاء الإملائية والأخطاء النحوية تجعل الأمر صعبًا على القارئ
لسوء الحظ، يبدو أن الترجمة هي ترجمة آلية. على سبيل المثال الاقتباس التالي: "ادعى جاليليو أن القوانين الميكانيكية للفيزياء هي نفسها لكل تسارع للمراقب (سرعة ثابتة في خط مستقيم)،" نهاية الاقتباس.
اقتباس آخر: "استخدم جاليليو مثال السفينة التي تسير بسرعة ثابتة، دون أن تهتز، في بحر هادئ." نهاية الاقتباس.
ولكن بخلاف ذلك المقال مثير للاهتمام.