طبيعة الضوء

يعتبر الضوء من أكثر الظواهر الفيزيائية التي تشعر بها حواسنا، أهمية بل وقد يكون من اكثرها إثارة للحيرة. إن إحساسنا بالضوء هو الذي يمدنا بمعرفة شكل وحجم ولون العالم المحيط بنا بدقة كبيرة وقد لاحظ البشر عبر تاريخهم الطويل أن الضوء يصدر عن الشمس والنار والأجسام الساخنة والبرق. وخلف الضوء يظهر في قصص التكوين في الديانات الرئيسية. وعلى الرغم من أن الضوء هو الذي يتيح لنا رؤية الأشياء إلا أننا لا نستطيع رؤية الضوء نفسه. أي اننا لا نستطيع أن نحس بالطبيعة الفيزيائية للضوء بشكل مباشر. فهل الضوء مكون من نوع من المادة؟ وهل هو مكون من تيار من الجسيمات أم هو نوع من الذبذبات أو الموجات؟ وما هي السرعة التي ينتقل بها ؟ وكيف نتلقى صورة جسم ما ليس بيننا وبينه أي اتصال فيزيائي؟ إن كلاً من العملية التي نستطيع من خلالها الرؤية وطبيعة الضوء، ظاهرتان كانت محل تفكير البشر قبل بدء العلوم الحديثة بوقت طويل جداً.

لقد تم فهم عملية تكون الصورة بواسطة العدسات بحلول نهاية القرن السابع عشر. وتم الاتفاق على أن الرؤية هي بمثابة العملية التي تنطوي على قياس عدسة العين بتجميع صورة الضوء الساقط على الشبكية. وقد رسخ عالم الفلك الدانماركي رومر ــ وهو معاصر لنيوتن ــ حقيقة ان سرعة الضوء ، وإن كانت كبيرة جداً ــ إلا أنها محددة وذلك بعد قيامه بإثبات ذلك بالتجربة. وإن كانت القيمة الحالية لسرعة الضوء أكبر بنحو خمسين بالمائة من النتيجة الأصلية التي حصل عليها رومر. ودق ثبت أن أصعب سؤال مطروح هو ما هو الضوء ؟ وهل يتكون من تيار من جسيمات ام من موجات من نوع ما ؟ وعبر العديد من السنين ظهرت آراء كثيرة تعضد أياً من هذين الرأيين المتنافسين.

دعنا نفحص أولاً ما هو المقصود بكلمة جسيم وكلمة موجة. يشير هذان المصطلحان من ناحية عامة إلى مفهومين متعاكسين من حيث المبدأ. فالجسيمات عادة ما تكون محددة بموضع في لحظة ما، مما يعنى أنها إما أن تكون كنقطة مثالية أو أن لها حدود معروفة ومن ثم تكون كميات تحركها وطاقتها محددة. أما الموجات ــ على الجانب الآخر ــ فإنها تمثل حركة متناسقة تمتد عبر مسافات كبيرة. وتعتمد طاقة الموجة على سعة الموجة، وهي ليست محددة بموضوع ولكنها خاصية للموجة بأكملها.

وقد رفض نيوتن النموذج الموجي للضوء، لأنه اعتبر الفضاء مجرد فراغ خاو وليس به أية مادة لازمة لحمل ونشر الاهتزازات. أما الجسيمات ، على الجانب الآخر فتستطيع الحركة دون أية عوائق خلال الفراغ في خطوط مستقيمة. اما كون الجسيمات الضوئية لا يبدو عليها أي تأثير بالجاذبية، فقد عزاه نيوتن إلى سرعتها الفائقة. وقد فسر نموذج الجسيمات قانون الانعكاس، لأن الاتجاه الذي يسلكه شعاع ضوئي ساقط حين ينعكس على مرآة هو نفس الاتجاه الذي تتخذه كرة حين ترتد بمرونة من سطح ما، أم الانكسار فقد فسره نيوتن على أنه التجاذب المؤثر على جسيمات الضوء من جانب جزيئات المادة الشفافة . . عند مرور تلك الجسيمات داخل المادة. ( والانكسار هو تغيير الاتجاه عندما ينتقل  الضوء من وسط إلى آخر). وتغير قوة التجاذب تلك من اتجاه الجسيم وذلك بزيادة مركبة سرعته العمودية على سطح المادة مما يجعل الجسيم ينحرف نحو العمود المقام على السطح. اما حقيقة أن الألوان المختلفة تنكسر بمقادير مختلفة فقد فسر بأن هناك جسيمات ذات ألوان مختلفة وتتفاوت في كتلها.

وقد صاغ عالم هولندي آخر معاصر لنيوتن وهو كريستيان هيجنز (1695 – 1629) النظرية الموجية للضوء. وقد وجد هيجنز أنه من الصعب تقبل السرعة المفترضة للجسيمات، كما لاحظ أنه عندما تقاطع حزمتين ضوئيتين ، فإن الضوء لا يظهر أي دلائل على التشتت نتيجة تصادم الجسيمات كما هو متوقع عند تقاطع تيارين من الجسيمات. وقد صاغ تفسيراً هندسياً (وهو مبدأ هيجنز) لشكل الموجات عند انتشارها عبر فتحات ومن حول حواف الحواجز، وبذلك وصف ظاهرة الحيود بشكل صحيح وقد فسر نظرية هيجنز الانكسار على أساس تباطؤ الضوء عند دخوله إلى السوط خلافاً لنموذج نيوتن. ولم تكن هناك وسيلة متاحة ــ للأسف ــ لقياس سرعة الضوء في مادة شفافة بحيث يمكن عندئذ الاختيار بين هاتين النظريتين المتنافستين. على أن نموذج نيوتن للجسيمات هو الذي ساد خلال القرن الثامن عشر نظراً لسمعة نيوتن وتأثيره.

ثم قدم العالم الإنجليزي توما يونج عام 1804 أول اختيار حاسم للنموذجين المتنافسين للضوء، فقد أجرى تجربة  اتضح منها أن مصدرين نقطيين للضوء يمكن أن ينتجاً نمطاً لشدة  الضوء ذا توزيع مماثل تماماً لمجموع شدتي موجتين متراكبتين وتوزيعهما ناتج عن تداخل الموجتين. وبما ان الجسيمات ليست لها خاصية تداخل السعات، فإن نتائج يونج أثبتت أن للضوء ــ بالقعل ــ خواص موجية.

على أن هذه النتيجة لم يتعرف بها إلا بعد نحو خمسة عشر عاماً عندما قام فيزيائي فرنسي هو أوجستين فرينل بصياغة النظرية الرياضية لتجربة يونج. وقد اقترحت نظرية فرينل أن الضوء عبارة عن موجات مستعرضة. وقد عزز ذلك الملاحظات التي بينت ان الضوء يمكن استقطابه (1815 – 1808) . . وقد كانت تلك الملاحظات تعارض هي الأخرى نموذج الجسيمات. لأن حزمة الجسيمات ليس لها خاصية طبقاً للنظرية الكلاسيكية. وأخيراً تمكن الفيزيائي الفرنسي فيزو من إجراء قياسات مباشرة لسرعة الضوء في الماء ، فوجد أن هذه السرعة أقل من سرعة الضوء في الهواء. وقد أيدت هذه النتائج ــ التي تعارض نموذج نيوتن للجسيمات مباشرة ــ نظرية هيجنز الموجية لتفسير الانكسار.