سرعة الضوء

ما سرعة الضوء؟

يقطع الضوء المتحرك في الفضاء الفارغ 299,792,458 مترًا كل ثانية بالضبط. وهذا يعادل نحو 299,792 كم في الثانية، أو قرابة 1.08 مليار كم في الساعة.

لكلمة «بالضبط» أهمية هنا. فمنذ عام 1983 صار المتر نفسه يُعرَّف بالضوء: المتر هو المسافة التي يقطعها الضوء في 1/299,792,458 من الثانية. لذا لم تعد السرعة شيئًا نقيسه بدقة أكبر كل عام، بل صارت رقمًا ثابتًا تُبنى مساطرنا حوله.

يتباطأ الضوء حين يمر عبر المواد. ففي الماء يتحرك بنحو ثلاثة أرباع سرعته في الفراغ، وفي الزجاج بنحو الثلثين. وحين يقول العلماء «سرعة الضوء» دون تفصيل، فهم يقصدون السرعة في الفراغ، ويُرمز إليها عادة بالحرف c.

رومر وأقمار المشتري

افترض الناس معظم التاريخ أن الضوء يصل في لحظته. وجاء أول دليل جيد على خلاف ذلك عام 1676 من الفلكي الدنماركي أولي رومر، الذي كان يعمل في مرصد باريس.

كان رومر يوقّت آيو، أقرب الأقمار الكبيرة إلى المشتري. يدخل آيو ظل المشتري وفق جدول منتظم، كل نحو 42.5 ساعة. ولاحظ أن هذه الخسوفات تأتي مبكرة قليلًا حين تتحرك الأرض نحو المشتري، ومتأخرة قليلًا حين تبتعد عنه.

كان تفسيره بسيطًا وجريئًا. فحين تكون الأرض أبعد عن المشتري، على ضوء آيو أن يقطع مسافة إضافية، فيصلنا خبر كل خسوف متأخرًا. قدّر رومر التأخير عبر عرض مدار الأرض كله بنحو 22 دقيقة، والرقم الحقيقي أقرب إلى 17. وجمع العالم الهولندي كريستيان هويغنز هذا التأخير مع الحجم المقدّر لمدار الأرض فحصل على نحو 211,000 كم في الثانية. كان الرقم منخفضًا جدًا، لكن الفكرة الأساسية كانت صحيحة: للضوء سرعة محدودة.

فيزو وميكلسون والأرقام الدقيقة

في عام 1849 قاس الفيزيائي الفرنسي إيبوليت فيزو سرعة الضوء على الأرض لأول مرة. فقد أرسل حزمة ضوء عبر فجوات عجلة مسننة سريعة الدوران نحو مرآة على بعد نحو 8 كم. وعند سرعة دوران معينة، كان السن التالي يحجب الضوء العائد. ومن سرعة العجلة والمسافة حصل على قيمة لا تبعد عن القيمة الحديثة إلا بنحو 5 بالمئة.

وفي أواخر القرن التاسع عشر وحتى العشرينيات من القرن العشرين، حسّن الفيزيائي الأمريكي ألبرت ميكلسون الطريقة بمرايا دوّارة. وفي سلسلة شهيرة من تجاربه أرسل الضوء بين جبلين في كاليفورنيا يفصل بينهما نحو 35 كم. وجاءت نتائجه على بعد أجزاء من الكيلومتر في الثانية من القيمة المعتمدة اليوم. وصار ميكلسون أول أمريكي ينال جائزة نوبل في الفيزياء عام 1907، ويعود ذلك في معظمه إلى هذا النوع من العمل البصري الدقيق.

لماذا لا يبلغها شيء له كتلة

تشرح نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، المنشورة عام 1905، لماذا تعمل سرعة الضوء حدًا كونيًا للسرعة. ومن أفكارها المحورية أن الضوء يتحرك بالسرعة نفسها لكل راصد، مهما كانت سرعة ذلك الراصد.

ومن نتائج ذلك أن دفع جسم له كتلة يصبح أصعب كلما ازدادت سرعته. فقرب سرعة الضوء تضيف كل دفعة إضافية سرعة أقل فأقل. ولكي يبلغ الجسم سرعة الضوء تمامًا سيحتاج قدرًا لا نهائيًا من الطاقة، وهو ما لا يستطيع أي صاروخ أو مسرّع جسيمات توفيره.

أما الضوء نفسه فلا كتلة له، لذا يسير دائمًا بالسرعة c. ويدفع مصادم الهادرونات الكبير البروتونات إلى أكثر من 99.9999 بالمئة من سرعة الضوء، ومع ذلك لا تبلغها أبدًا.

أزمنة انتقال الضوء في الفضاء

لأن الفضاء شاسع جدًا، يحتاج حتى الضوء وقتًا لعبوره. فضوء الشمس يغادرها ويصل إلى الأرض بعد نحو 8 دقائق و20 ثانية. أما الضوء المنعكس عن القمر فلا يستغرق إلا نحو 1.3 ثانية.

والمريخ مثال جيد على تأثير ذلك في المهمات الحقيقية. فبحسب موضع الكوكبين في مداريهما، تستغرق الإشارة اللاسلكية قرابة 3 إلى 22 دقيقة في الاتجاه الواحد. ولا يستطيع سائق المركبة الجوالة على الأرض توجيهها في الزمن الحقيقي، لذا تنفّذ المركبات أوامر مخططة وتستعمل برمجياتها الخاصة لتجنب المخاطر.

وأبعد من ذلك تطول التأخيرات. ففوياجر 1، أبعد مركبة فضائية، بعيدة جدًا حتى إن إشاراتها تستغرق قرابة يوم كامل لتصلنا.

النظر إلى السماء نظرٌ إلى الماضي

كلما رأيت شيئًا في السماء، فأنت تراه كما كان حين انطلق ضوؤه. فالشمس التي تراها هي شمس ما قبل نحو 8 دقائق. ونجم لامع مثل الشِّعرى اليمانية يبدو كما كان قبل أكثر من 8 سنوات.

وفي المجرات يصبح التأثير هائلًا. فقد غادر الضوء مجرة المرأة المسلسلة (أندروميدا) قبل نحو 2.5 مليون سنة. ويجمع تلسكوب جيمس ويب الفضائي ضوءًا بدأ رحلته قبل أكثر من 13 مليار سنة، فيستطيع الفلكيون دراسة مجرات فتية كما بدت بعد وقت قصير من نشأة الكون.

وهذه من أنفع الأدوات في علم الفلك. فالمسافة والزمن مترابطان، لذا تعمل السماء العميقة مثل كتاب تاريخ متعدد الطبقات، فصوله الأقدم هي الأبعد.