الضوء والأشعة

حاول الإنسان منذ قديم الأزل أن يفسر الضوء وسرعته ومصادره، فنجد أن أقليدس اقترح نظرية الإشعاع في الإبصار، والتي تقول أن الضوء ينبعث من العين، بدلا من دخوله العين من مصدر آخر. وكانت الاستنتاجات وقتها باستخدام هذه النظرية، بأن للضوء سرعة وهي غير محدودة، لأن الأجرام البعيدة كالنجوم تظهر فوراً بمجرد أن نفتح أعيننا. وظلت تلك الأفكار متداولة حتى شرح ابن الهيثم فهمه للضوء في كتابه المناظر، والذي أوضح أن الأجسام هي من تبعث أو تعكس الضوء والعين هي من تتلقاه وتترجمه، الأمر الذي أدى بابن الهيثم لأن يقترح أن الضوء له سرعة محددة، وأن تلك السرعة تتغير طبقا للوسط التي تمر فيه، فهي تنقص في الأجسام الأكثر كثافة، وقد أوضح أن الضوء هو مادة محسوسة يتطلب انتشارها وقتاً حتى لو كان مخفياً عن حواسنا. وجاء بعده العالم أبو الريحان البيروني والذي دعم رأي ابن الهيثم في أن الضوء له سرعة محددة ولاحظ أن سرعة الضوء تكون أعلى من سرعة الصوت. ووافق الفلكي العثماني تقي الدين بن معروف مع ابن الهيثم في أن سرعة الضوء ثابتة، ولكنها تتغير في الأجسام الأكثف، واقترح أن الضوء يستغرق وقتاً طويلاً للوصول من النجوم التي تبعد ملايين الكيلومترات ليصل الأرض.


وكانت أيضا نظرية نيوتن الذي حاول تفسير الضوء على أساس ميكانيكي بحت. فقد افترض نيوتن أن الضوء عبارة عن جسيمات بالغة الدقة تسير في خطوط مستقيمة ما لم يعترضها جسم ما، لكن سرعان ما اكتشفت ظواهر جديدة تناقض الفكرة الجسيمية للضوء، هذا دفع عالم أخر هو كريستيان هوجنس Christian Huygens‏ إلى إيجاد تفسير أخر وهو أن الضوء عبارة عن أمواج تنتشر في الفضاء بحيث تصبح كل نقطة من صدر الموجة هي منبع لموجة أخرى وهكذا. وجاء التفسير الذي وضح طبيعة الضوء على يد العالم الألماني ماكس بلانك والذي يعود له الفضل في اكتشاف حقيقة الضوء، والتي تبين أنها تحمل كلا الخاصيتين الموجية والجسيمية . والذي كان أول من ارتأى أن الضوء ليس موجي الطبيعة فقط ولا جسيمي الطبيعة فقط بل إن له خصائص الطبيعتين. وقام اينشتاين فيما بعد بتوسيع تلك النظرية واعتبر أن انعكاس الضوء وانكساره وحيوده هي مظاهر تدل على طبيعة الضوء الموجية بترددات وأطوال موجية مثل أمواج الصوت. وما يكتسبه من طبيعة جسيمية هي ظاهرة ابتعاث الذرات وامتصاصها للضوء مما يدل على أنها دفق من الجسيمات أطلق عليها اينشتاين اسم الفوتونات.


تعريف الضوء


الضوء هو عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي، له طول موجي، وتعرف هذه الموجات من خلال عدة تعريفات فيزيائية كارتفاع الموجة وطول الموجة (طول الموجة هو المسافة الفاصلة بين قمتين متتاليتين)، اللون الأبيض هو مزيج من كل ألوان الطيف بينما اللون الأسود هو غياب كامل للضوء، ويمكن للعين البشرية أن تستطيع رؤية الأجسام غير الشفافة من خلال انعكاس الضوء عليها. والذي تراه العين البشرية هو الضوء الذي يقع طول موجته بين نحو 750 نانومتر (وهو الضوء الأحمر) و370 نانومتر (وهو الضوء البنفسجي)، والعين قادرة كذلك على التمييز بين الألوان المختلفة المكونة للضوء العادي حيث لكل لون خواص مختلفة عن اللون الآخر وتقع ضمن حدود أطوال الموجات التي ذكرناها وهما حدود الإحساس بالرؤية، أما أطوال الموجات الأقصر أو الأعلى من ذلك لا نستطيع رؤيتها بالعين المجردة ونحتاج إلى أجهزة معينة كي نستطيع الاستدلال عليها، مثل الأشعة تحت البنفسجية أو فوق الحمراء أو أشعة جاما أو الأشعة السينية أو مثلاً الموجات المخصصة للراديو وغيرها.


سرعة الضوء


السرعة الدقيقة للضوء هي 299,792,458 متر في الثانية (1,079,252,848.8 كيلومتر في الساعة) في الفراغ. وعند عبور الضوء خلال مواد شفافة مثل الزجاج أو الهواء تقل سرعته، وتختلف سرعة الضوء خلال مروره في المواد حسب طبيعة شفافيتها وتصبح اقل من تلك المحسوبة في الفراغ، والنسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته خلال مادة تسمى معامل الانكسار. كذلك تتغير سرعة الضوء بتأثير الجاذبية ما يولد ظاهرة عدسات الجاذبية.



زرقة السماء



من المعروف أن سماء الارض ليست طبقة بحد ذاتها، وانما هي ناتجة عن الغلاف الجوي الذي يحيط بها، والذي بدوره يتألف من جزيئات من خليط من غازات مختلفة وبأحجام مختلفة والعوالق الجوية من أتربة وأغبرة وأبخرة ورمال عالقة، وعندما يصدم الضوء بالجزيئات التي هي أكبر من طول موجة الضوء ينعكس الضوء في جميع الاتجاهات ولهذا تعكس جزيئات الماء في الغيوم مثلاً كل ألوان الطيف نحو عيوننا فنرى الغيوم بيضاء، واذا أصطدم الضوء بجزيئات أصغر من طول الموجة مثل الأوكسيجين، يحدث للضوء تشتت، وبسبب وجود كميات كبيرة من الجزيئات الصغيرة، وحيث أن التشتت يرتبط بطول الموجة، وكذلك أن اللون الأزرق يتشتت بحوالي تسع مرات أكثر من اللون الاحمر، وبسبب هذا التشتت للون الأزرق أكثر من غيره، تظهر لنا السماء (أو بالادق الغلاف الجوي) زرقاء. لذا فإن الضوء الأزرق الناتج من الانعكاس على الجزيئات الصغيرة يتجه بكمية اكبر من الألوان الاخرى الى اعيننا وبذلك نرى السماء زرقاء. عدا في الشروق والغروب حيث يشاهد الشفق الأحمر صباحا ومساء نتيجة مرور الأشعة الشمسية بطبقات الغلاف الجوي الملوثة القريبة من الأفق، الأمر الذي يزيد من تشتت الموجات الضوئية ولا يصلنا من الشمس إلا الموجات الحمراء، فيبدو لذلك قرص الشمس والسماء حولها مائلا للإحمرار، ولو كنا على القمر مثلا، وحيث انه لا وجود لغلاف جوي يحيط به، لبدت السماء سوداء دائما سواء في الليل أو وفي النهار.




الضوء في الفضاء (عن كتاب منظومة الكون الأعظم في المكان والزمان للدكتور أحمد محمد عوف)


يسير الضوء في خط مستقيم في الفراغ، لكنه وعندما يمر بجوار ثقب أسود ينحرف عن مساره بزاوية أكبر من إنحرافه عندما يمر قرب حافة نجم، لأن شدة جاذبية الثقب الأسود أضعاف شدة جاذبية النجوم، ولو مر جسم كروي قرب حقل جاذبية ثقب أسود فإنه يصبح جسما ممطوطا وتحديد عمر كوننا يعتمد علي مسارات الضوء في الماضي مع إفتراض أن مساراته في خطوط مستقيمة ثابته وخالية لايعترضها شيء .



إلا أن الضوء كطبيعته يخضع للإنعكاس والإنكسار عتدما يقع علي جرم عاكس له كالمرآة، فالأضواء التي تنبعث من النجوم سوف تتعرض إلي الإنعكاسات الضوئية عندما تقابلها أجرام أخري أشبه بضوء الشمس عندما يقع علي سطح القمر فيضيء لأنه مرآة عاكسة، كما أن الضوء يمر بكثافات مختلفة لمواد وغبار كوني منتشر بالكون يشتته.



لهذا الضوء في الفضاء والمنبعث من النجوم لايسير في خط مستقيم ولكنه سيسير في خطوط إنعكاسية وإنكسارية مما قد يطيل مسافاته مما لايعطينا المسافات والزمن الكوني بدقة. لهذا نجد أن المعطيات حول قياسات أو أبعاد الكون أو الزمن التقديري لعمره إعتمادا علي الضوء المنبعث من النجوم القديمة ستكون معلومات غير دقيقة وغير حقيقية. وحسب قوانين الإنعكاس والإنكسار الضوئي نجد أننا لانري النجوم والأجسام الفضائية في مواقعها الحقيقية . لأن صورة السماء كما نراها فوقنا صورة مرآتية داخل كرة الكون ولايمكن تحديد مراكز الأجرام بها.



وعندما نتطلع للسماء من فوق الأرض، فإننا نعتبرها تجاوزا مركز الكون ومنها نقيس أبعاد ومسافات المجرات، وما نقيسه ليس قطر الكون في كل إتجاه بالنسبة لموقعنا علي الأرض التي تعتبر بالنسبة لحجم الكون ذرة غبار متناهية فيه أطلقنا عليها كوكب الأرض وتدور حول الشمس وتقع في أقصي جزء من مجرتنا المظلمة، والضوء يسير في الفراغ بسرعة 300 ألف كيلومتر /ثانية، ولقد إستطاع العلماء تجميد الضوء بإمرار نبضات ضوئية خلال سحب متناهية من الغازات درجة حرارتها تقترب من الصفر المطلق. ويمكن لجليد الغازات الإحـتفاظ بالنبضات الضوئية لإعادة إرسالها مرة ثانية. لهذا نجد أن العلماء أمكنهم تحضير الضوء المتباطيء أو المتجمد. كما توجد مواد عادية تبطيء سرعة الضوء. فالماء عندما يمر به الضوء يخفض سرعته 75%من سرعته في الفراغ (الخواء). وهذه النظرية تبين أيضا أن النبضات الضوئية عندما تمر بوسط بارد تبطيء في سيرها وعندما تمر بوسط حار تسرع في سيرها وتتسارع مع إزدياد معدل الحرارة. لهذا يمكن أن تنطبق هذه الحالات علي الضوء عندما يمر بالفضاء.



كما أن هذه الفرضية تبين أن الضوء كان سريعا بعد الإنفجار الكبير بالكون ثم أخذ يتباطيء مع برودته. لهذا لايمكن إعتبار حسابات إينشتين عن سرعة الضوء كشيء مطلق أو سرعته ثابتة (300 ألف كيلومتر ثانية) إلا لو كان الضوء يمر في فراغ مفرغ من الغازات تماما حتي لاتكون له حرارة تؤثر عليه. لهذا لاتطبق نسبية إينشتين علي كوننا الذي تتعدد فيه الحرارة ولكن علي كون خوائي لاحرارة فيه. وهذا الكون لاوجود له إلا في نظرية النسبية فقط . لهذا نجد أن قياس عمر الكون حسب سرعة الضوء والمسافات التي قطعها ليست مؤشرا دقيقا لتحديد عمر الأجرام التي نراها. لأن الضوء حسب قوانين الفيزياء يتعرض في رحلته المديدة لمفهوم الحرارة والبرودة والإنعكاس والإنكسار. كما أن الصور التي قد نراها قد تكون صورا مرآتية. لهذا مقاييس الكون بما فيه ليست مقاييس حقيقية أو واقعية للمسافات أو السرعة أو الزمن. وقد يكون الضوء القادم إلينا قد تجمد في سحابة باردة أو تباطيء في سيره لبرودتها أو ظل متجمدا أو انتقل معها وأعادت إرساله من مكانها الجديد لو إنتقلت السحابة لمنطقة دافئة لمواصلة سيره بالفضاء. لهذا نجد أن الضوء يتباطء ويتسارع أثناء رحلته بالفضاء حسب كيفية الوسط الذي يسير به ودرجة حرارته.



فإذا كان الكون في بدايته ساخنا جدا بسبب الفوتونات إلا أنه حاليا حرارته محدودة فوق الصفر المطلق .وخلال الساعات الأولي المعدودة أنتج الهيليوم والعناصر الأخري. وأخذت الإلكترونات والأنوية تفقد طاقتها. لتتحد معا مكونة الذرات بينما الكون يتمدد ويبرد. والمناطق التي أصبحت أكثر كثافة من المتوسط فإن سرعة تمددها تقل بسبب تزايد قوة الجاذبية. مما يسفر عنه توقف التمدد في بعض المناطق بالكون مما يجعلها تتقلص ثانية. وخارج هذه المناطق .. فإن قوة الجاذبية تجعل هذه المناطق المحيطة تبدأ في الدوران مما أظهر المجرات الدوارة التي تشبه القرص . أما المناطق التي لا يحدث بها الدوران فيصبح شكلها بيضاويا ويطلق عليها المجرات البيضاوية.

عن كتاب منظومة ( الكون الأعظم) في المكان والزمان

دكتور أحمد محمد عوف

موضوع ممتاز

بارك الله فيك