رابعاً: قياس الضوء

    يقيس العلماء الطول الموجي للضوء، بمقاييس متنوعة، من الوحدات المترية والإمبراطورية. وإحدى الوحدات المترية المعروفة، هي المايكروميتر، الذي يساوي 0.000001متر. والطول الموجي للضوء، في الطيف المرئي، محصور في المنطقة، من نحو 0.4 مايكروميتر للبنفسجي الغامق، إلى نحو 0.7 مايكروميتر للأحمر القاني. والتردد لأي موجة، يساوي نسبة سرعتها إلى طولها الموجي، ويقاس بوحدات، تسمَّى الهرتز. فالموجة لها تردد، يساوي هرتزاً واحداً، إذا كانت قمة واحدة، تمرّ من خلال نقطة محددة، في كلِّ ثانية. والموجة لها تردد، يساوي 100 هرتز، إذا كانت 100 قمة، تمرّ من خلال نقطة محددة للقياس، في كلِّ ثانية. يسير الضوء في الفراغ بسرعة 300 مليون متر، في الثانية، تقريباً. ولأن للضوء المرئي طولاً موجياً قصيراً، وسرعة عالية، فإن تردده يكون عالياً؛ فتردد الضوء البنفسجي، مثلاً، يساوي 750 مليون هرتز (أُنظر شكل الوحدات الأساسية لقياس الضوء)

1. سطوع الضوء

    استخدم العلماء وحدات مختلفة، في قياس سطوع مصدر الضوء، وكمية الطاقة في الشعاع الآتي من ذلك المصدر.

    تسمى كمية الضوء، المنتجة بوساطة أي مصدر ضوئي، شدة الاستضاءة لذلك المصدر؛ والوحدة المستخدمة في قياسها تسمى الشمعة. واتُّخذت شدة الاستضاءة، المنتجة بوساطة شمعة بحجم معين، مصنوعة من زيت الحوت، لسنوات عديدة، وحدة قياس ثابتة، وسُميت هذه الوحدة الشمعة؛ ومع ذلك، لم توفر شمعة زيت الحوت استخداماً بسيطاً وثابتاً، لقياسات الضوء. وتعرف الشمعة الواحدة، الآن، بأنها كمية الضوء المنطلقة من مصدر، ينبعث عند تردّد محدّد، (540 مليار هرتز)، وعند شدة محددة، (1/683 واطاً، لكل وحدة مساحة، تسمى ستيراديان).

    ولا تشير شدة ضوء المصدر، بالشموع، إلى مدى سطوع الضوء، عندما يصل إلى سطح جسم، مثل كتاب أو منضدة. وقبل قياس كثافة التدفق الضوئي، أو الدفق الضيائي (الضوء الساقط على السطح)، يجب قياس مسافة انتقال الضوء، من خلال الفراغ بين المصدر والجسم. ويمكن قياس شعاع الضوء بوحدة، تُسمى لومن. ولمعرفة كيفية قياس اللومن، تصوّر أن هناك مصدراً ضوئياً، في وسط تجويف كروي، وفي سطحه الداخلي مساحة، تساوي مربع نصف قطر الجسم الكروي. فإذا كان نصف القطر متراً واحداً، على سبيل المثال، وكان مصدر الضوء ذا شدة إضاءة، تساوي شمعة واحدة، فإن المساحة المقطوعة، ستحصل على فيض ضوئي (سرعة تدفق الضوء) يُقدَّر بلومن واحد.

    ويقيس المهندسون، في النظام المتري، كثافة التدفق الضوئي، بوحدات، تُسمى لكس. وتنتج كثافة تدفق ضوئي، مقدارها لكس واحد، لومناً واحداً من الضوء، على مساحة متر مربع واحد. ويستخدم في النظام الإمبراطوري، وحدات، تُسمى قدم ـ شمعة. وتنتج كثافة تدفق ضوئي، مقدارها قدم ـ شمعة واحدة، لومناً واحداً من الضوء، يسقط على مسافة، مقدارها قدم مربعة واحدة.

    تتغير شدة الضوء الساقط على مساحة، عكسياً، مع مربع المسافة بين المصدر والسطح. ولهذا، إذا ازدادت المسافة، قلّت كثافة التدفق الضوئي بمقدار مربع تلك الزيادة، وتُسمّى هذه العلاقة بقانون التربيع العكسي. فإذا كان السطح يحصل على لكس واحد من الضوء، على بعد مسافة من المصدر، مقدارها متر واحد، ثم أزيح لمسافة مترَين مربعَين من المصدر، فإنّ هذا السطح، سيحصل على لكس من الضوء؛ لأن الضوء سينتشر، خارجاً من المصدر.

2. سرعة الضوء

    على الرغم من أن الضوء يبدو، لحظة رفع ستارة النافذة كأنه ينتقل خلال الغرفة، فإنه، في الحقيقة، يستغرق بعض الوقت للانتقال عبْر مسافة. وسرعة الضوء، خلال الفراغ، الذي لا تعطّل فيه الذرات انتقاله ـ هي 299.792 كم/ث. ويقال عن هذه السرعة، إنها ثابتة؛ لأنها لا تعتمد على حركة مصدر الضوء. فعلى سبيل المثال، تكون للضوء المنبعث من مشعل كهربائي متحرك، السرعة نفسها للضوء المنبعث من مشعل كهربائي ثابت. ولا يعرف العلماء كُنْه هذه الحقيقة، وهي واحد من أُسُس نظرية أينشتاين في النسبية.

    اختلف الناس، منذ القدم، في سرعة الضوء: أهي محددة أم لانهائية. ولكن عالم الطبيعة الإيطالي، جاليليو، صمم، في أوائل القرن السابع عشر الميلادي، على تجربته لقياس سرعة الضوء، ليحسم الأمر. فأرسل أحد مساعديه إلى هضبة بعيدة، موصياً إياه بفتح غطاء "فانوس" يحمله، عندما يشاهد جاليليو، واقفاً على هضبة أخرى. وكان هدف العالم الإيطالي، أنه بمعرفته للمسافة بين الهضبتَين، يستطيع حساب سرعة الضوء، بوساطة قياسه للزمن، بين لحظة فتحه الغطاء ولحظة رؤيته ضوء "الفانوس" الثاني. وفشلت التجربة، على الرغم من أن تفكير جاليليو، كان معقولاً؛ إذ أن سرعة الضوء العالية جداً، أفسدت عليه حسبان الزمن القصير.

    أتى الفلكي الدانمركي، أولاوس رومير، نحو عام 1675، بشواهد، برهنت على أن الضوء، ينتقل بسرعة ثابتة (محددة). ولاحظ رومير، خلال عمله في باريس، أن الفترة الفاصلة بين اختفاء أقمار المشتري خلف الكواكب، يتغير بتغير المسافة بين المشتري والأرض؛ فأدرك أن السرعة الثابتة للضوء، تسبب هذا الاختلاف في الوقت الفاصل. وأشارت ملاحظاته إلى أن سرعة الضوء الثابتة، هي 226 ألف كم/ث، ويمثل هذا الرقم 25% من السرعة الفعلية.

    وتوصل الفيزيائي الأمريكي، ألبرت مايكلسن، عام 1926، إلى واحد من القياسات الدقيقة لسرعة الضوء؛ إذ استخدم مرآة، تدور بسرعة، تعكس الشعاع الضوئي إلى عاكس بعيد. ثم إن الشعاع انعكس مرة أخرى إلى الملاحظ، من خلال المرآة الدوارة. ثبَّت مايكلسن سرعة المرآة، لترجع إلى الزاوية الصحيحة، في خلال زمن مسار الضوء إلى العاكس، ورجوعه مرة أخرى. سرعة المرآة، إذاً، تشير إلى سرعة الضوء. استخدم مايكلسن، في الحقيقة، عدة مرايا على أسطوانة، جعل زاوية دورانها، أثناء انتقال الضوء إلى العاكس ورجوعه، صغيرة. واستنتج من ذلك، أن سرعة الضوء، تساوي 266796كم/ث. ونسبة الخطأ المحتمل في هذا الرقم، أقلّ من أربعة كيلومترات، لكل ثانية.