نبذة تعريفية عن طبيعة “الضوء” وظواهره المتعددة

2001 موسوعة الكويت العلمية الجزء الثاني عشر

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

طبيعة الضوء ظواهر الضوء الفيزياء

الضَّوْءُ ظاهِرَةٌ طَبيعِيَّةٌ حَظِيَتْ باهْتِمامِ العُلَماءِ والباحِثينَ مُنْذُ القِدَمِ.

وكانَتْ آراءُ فَلاسِفَةِ الإغْريقِ هيَ أَوَّلَ ما سَجَّلَهُ تَاريخُ العِلْمِ في مُحاوَلَةِ فَهْمِ طَبيعَةِ الضَّوْءِ وتَعْليلِ ظَواهِرِه. لَكِنَّ مُعْظَمَ آرائِهم كانَ ذا طابعَ فَلْسَفِيٍّ قائِمٍ عَلى التَّأَمُّلِ العَقْلِيِّ ولا يَحْتَكِمُ إلَى التَّجْرِبَةِ.

ويُعَدُّ الحَسَنُ بنُ الهَيْثَمِ (965 – 1040م) المُؤَسِّسَ الحَقيقِيَّ لِعِلْمِ الضَّوْءِ والبَصَريَّات، وكتَبَ فيهِ مُؤَلَّفاتٍ عَديدَةً، اشْتَهَرَ مِن بَيْنَها كتابُهُ «المَناظِر» الّذي اعْتَمَدَ عَلَيْه كُلُّ من جاءَ بَعْدَه.

 

ودَعَا الاهْتِمامُ العَالَمِيُّ بِهِ إلَى وَضْعِ تَرْجَمَةٍ لاتينِيَّةٍ كامِلَةٍ لَهُ عامَ 1572م أَخَذَ عَنْها الكثيرُ مِنْ عُلَماءِ الغَرْبِ.

ومن بَيْنِ الأشْياءِ المُهِمَّةِ الّتي حَقَّقَها ابنُ الهَيْثَم أنَّه أَثْبَتَ إثْباتًا قاطِعًا أَنَّ الضَّوءَ يَنْبَعِثُ مِن الجِسْمِ المَرْئِيِّ إلَى العَيْنِ الّتي تُبْصِرُه، لا مِنَ العَيْنِ إلى الجِسْمِ المرئِيِّ، كما كانَ يَعْتَقِدُ أَرسطو وأتْباعُهُ.

وفِيمَا يَتَعَلَّقُ بِطَبيعَةِ الضَّوْءِ، هُناكَ نَظَرِيَّتان مُتَنافِسَتان: تُنْسَبُ إِحْداهُما إلَى العالَمِ العَرَبيِّ الحَسَنِ بنِ الهَيْثَمِ، ومِنْ بَعْدِه العالِمُ الإنجِليزِيُّ «إسْحَق نِيوتُن» (1642 – 1727م)، وتَقْضِي باعْتِبارِ أَشِعَّةِ الضَّوْءِ مُكَوَّنَةً من جُسَيماتٍ دَقيقَةٍ مُتَناهِيَةٍ في الصِّغَرِ.

 

أمَّا النَّظَرِيَّةُ الأُخْرَى فَتُنْسَبُ إلَى العالِمِ الهولَنْدِيِّ «كريسْتيانْ هِيجِنْز» (1629 – 1695م) وتَقْضـي باعْتِبارِ الطَّاقَةِ الضَّوْئِيَّةِ ذَاتَ طبيعَةٍ مَوْجِيَّةٍ.

وقَدْ ظَلَّ الخِلافُ حَوْلَ طَبيعَةِ الضَّوْءِ الجُسَيْمِيَّةِ والمَوْجيّةِ مَحَلَّ جَدَلٍ بَيْنَ العُلَماءِ حَتَّى أَواسِطِ القَرْنِ التَّاسِعَ عَشَر المِيلادِيِّ.

عِنْدَما أَثْبَتَ الفيزْيائِيُّ الاسْكَتْلَنْدِيُّ «جيمسْ كلارْكْ ماكْسْوِيل» (1831 – 1879م) أنَّ مواجاتِ الضَّوْءِ تَشْغَل حَيِّزًا ضئيلاً طَيْفِ المَوْجاتِ الكَهْرومِغْناطِيسِيَّةِ الّتي تَتَمَيَّزُ بِقُدْرَتِها عَلَى الانْتِشَارِ في الفَراغِ (أو الفَضَاءِ) بِسُرْعَـةٍ ثابِتَةٍ، مِقْدارُها ثلاثُمئةِ أَلْفِ كيلومترٍ في الثَّانِيَةِ، (300000 كم/ ث).

وسُرْعَةُ الضَّوْءِ هَذِه مِنَ الثَّوابِتِ الكَوْنِيَّةِ المُهِمَّةِ. وهي عَالِيَةٌ جِدًّا إذَا ما قُورِنَتْ بِسُـرْعَةِ مَوْجَاتِ الصَّوتِ الّتي تَصِلُ في الهَواءِ إلَى حَوَالَيْ 340 مترًا فقط في الثانيةِ (أي مِليونَ مثلِها تقريبًا).

 

ولِذَا فإنَّ ضَوْءَ البَرْقِ يُرَى قَبْلَ سَمَاعِ صَوْتِ الرَّعْدِ الصَّادِرِ عَنْه، كما يُرَى ضَوْءُ القَذيفَةِ عِنْدَ إِطْلاقِها من المدْفَع قبل سماعِ الصَّوتِ الصَّادِرِ عَنها.

ولَقَدْ حَقَّقَتْ النَّظَرِيَّةُ المَوْجِيَّةُ انْتِصارًا مَلْحوظًا علَى نَظَرِيَّةِ الجُسَيْماتِ، خَاصَّةً عِنْدَما نَجَحَتْ في تَفْسيرِ ظاهِرَةِ حُيودِ الضَّوءِ عِنْدَما يَعْتَرِضُ مَسارَهُ عائِقٌ أو حاجِزٌ، حَيْثُ يُلاحَظُ تَكَوُّنُ هالَةٍ ضَعِيفَةٍ من الضَّوْءِ حَوْلَ حُدودِ ظِلِّ هذا الحاجِزِ نَتيجَةً لانْتِشارِ الضَّوْءِ عَلَى هَيْئَةِ مَوْجاتٍ، ولَيْسَ في جُسَيْمات.

لكنَّ أيًّا مِنَ النَّظَرِيَّتَيْن المُتَنافِسَتَيْن لَمْ تَسْتَطِعْ أَنْ تُحَقِّقَ نَصْـرًا حاسِمًا. فالضَّوْءُ في بَعْضِ الأَحْيانِ يَتَصَـرَّفُ كَمَوْجاتٍ يُمْكِنُها أَنْ تَحِيدَ أَوْ تَتَدَاخَلَ، وأَحْيانًا أُخْرَى يَسْلُكُ سُلوكَ الجُسَيْماتِ الدَّقيقَةِ عِنْدَما تَنْعَكِسُ أَشِعَّتُهُ أو تَنْكَسِرُ أَوْ تَنْتَشِرُ في خُطوطٍ مُسْتَقيمَةٍ.

 

وبَعْدَ أَنْ ظَهَرَتْ قَوانينُ الفيزْياءِ الحديثَةِ وتَطَوَّرَتْ نَظَرِيَّةُ بِنَاءِ الذَّرَّةِ حَتَّى نَحْوِ عامِ 1930م، اتَّفَقَ العُلماءُ عَلَى حلٍّ وَسَطٍ يَقْضي باعْتِبارِ الضَّوْءِ ذا طبيعَةٍ ثُنائِيَّةٍ أوْ مُزْدَوَجَةٍ، بِحَيْثُ يُمْكِنُ التَّعامُلُ مَعَهُ كأمواجٍ وكجُسَيْماتٍ مُتَناهِيَةِ الصِّغَرِ في آنٍ واحدٍ.

وساعَدَ اكْتِشافُ عَديدٍ مِنَ الظَّواهِرِ الضَّوْئِيَّةِ الجَديدَةِ عَلَى ازْدِهارِ نَظَرِيَّةِ «الكَمِّ» الّتي تقولُ بأنَّ مَوْجاتِ الضَّوْءِ لا تَنْبَعِثُ بِصورَةٍ مُسْتَمِرَّةٍ، ولكنَّها تَنْطَلِقُ في دَفَعاتٍ مُتَتَالِيَةٍ، يُطْلَقُ عَلَى كُلٍّ مِنها اسْمُ «فوتون»، وعلَـى ما تَحْمِلُه من طاقَةٍ اسْمُ «الكَمِّ».

عَلَى أَنَّ هَذا لا يَعْني أَنَّ حَقيقَةَ الضَّوْءِ قَدْ أَصْبَحَتْ مَعْروفَةً بِشَكْلٍ نِهائِيٍّ، فَلا يزالُ البَحْثُ العِلْمِيُّ مُسْتَمِرًّا لِمَعْرِفَةِ المَزيدِ عَنْ طَبيعَةِ الضَّوْءِ وخَواصِّهِ.

 

وبناءً عَلَى التَّصَوُّرِ العِلْمِيِّ الحَديثِ لِطَبيعَةِ الضَّوْءِ، أَمْكَنَ التَّمييزُ بَيْنَ أَشِعَّةِ الضَّوْءِ المَرْئِيِّ الّتي نَسْتَطيعُ بِواسِطَتِها رُؤْيَةَ الأشْياءِ المادِيَّةِ وأَلْوانَها الطَّبيعِيَّة بالعَيْنِ المُجَرَّدَةِ، وبَيْنَ الأَشِعَّةِ فَوْقَ البَنَفْسَجِيَّةِ والأشِعَّةِ تَحْتَ الحمْراءِ الّتي تُمثِّلُ الجُزْءَ غَيْرَ المَرْئِيِّ مِنَ الطَّيْفِ الضَّوْئِيِّ.

يَرْجِعُ الفَضْلُ في ذَلِكَ إلَى العالِمِ الشَّهيرِ «إسْحَق نيوتُن»، عِنْدَما قامَ بإِجراءِ تَجْرِبَةٍ عَمَلِيَّةٍ بَسيطَةٍ ورائِدَةٍ اسْتَخْدَم فيها مَنْشورًا زُجاجِيًّا ثُلاثِيًّا، وسَمَح بِسُقوطِ أَشِعَّةِ الشَّمْسِ عَلَى أَحَدِ جانِبَيْهِ، واسْتِقبالِها مِنَ الجانِبِ الآخَرِ علَى حاجِزٍ أَبْيَضَ. 

فَوَجَدَ أَنَّ ضَوْءَ الشَّمْسِ الأَبْيَضَ قَدْ تَحَلَّلَ إلَى عِدَّةِ أَلْوانٍ شَبيهَةٍ بِحُزْمَةِ أَلْوانِ قَوْسِ قُزَح الّتي تَظْهَرُ عَقِبَ طُلوعِ الشَّمْسِ في الأُفُقِ بَعْدَ المَطَرِ.

 

وتُمَيِّزُ العَيْنُ مِنْها سَبْعَةَ أَلْوانٍ هي: الأَحْمَرُ، والبُرْتُقالِيُّ، والأَصْفَرُ، والأَخْضَرُ، والأَزْرَقُ، والنِّيلِيُّ، والبَنَفْسَجِيُّ.

ومِنَ الطَّريفِ أنْ نَذْكُرَ أنَّ نيوتُن عِنْدَما أَجْرَى تَجْرِبَةَ التَّحليلِ الضَّوْئِيِّ كانَ تَرتيبُ أَلوانِ الطَّيفِ العُلْيَا واحتلَّ اللونُ الأَحمرُ النهايةَ السُّفْلَى.

وحاوَلَ العُلماءُ بَعْدَ ذَلِكَ دِراسَةَ هذهِ الأَلوانِ بِوَضْعِ تِرمومِتْرٍ عِنْدَ كلِّ لونٍ، فلوحِظَ أنَّ دَرَجَةَ الحرارَةِ تَرْتَفِعُ ارتفاعًا مَحسوسًا لِتَدُلَّ علَى وجودِ أَشِعَّةٍ حرارِيَّةٍ غير مَرْئِيَّةٍ أَسْفَلَ الضَّوْءِ الأَحْمَرَ مُباشَرَةً، ولِذا أُطْلِقَ عَلَيْها «الأَشِعَّةُ تَحْتَ الحمراءِ». كذلِكَ لوحظَ وجودُ أَشِعَّةٍ أُخْرَى فوقَ الضَّوْءِ البَنَفْسَجِيِّ مباشَرَةً، ولِذا سُمِّيَتْ «الأَشِعَّةُ فَوْقَ البَنَفْسَجِيَّة».

 

ومَعَ تَقَدُّمِ البُحوثِ واسْتِخدامِ أَجْهِزَةٍ أَدَقّ، كانَ الطيفُ الضَّوئِيُّ يتكوَّن فيها أُفُقِيًّا لا رَأْسيًّا، وكادَ اللَّفْظان «تَحْتَ الحَمراء» و«فَوْقَ البَنَفْسَجِيَّةِ» يفْقِدان مَعْنَيْهِما الحَرفِيَّيْن.

غَيْرَ أَنَّهُ رُوئِيَ الاحْتِفاظُ بِتَسْمِيَةِ نيوتن مع الإبْقاءِ عَلَى اللَّفْظينِ بدلالَةِ التَّرَدُّدِ. ذَلِكَ أَنَّ طَيْفَ الضَّوْءِ المَرْئِيِّ يَتكَوَّنُ في حَقيقَتِهِ من عَدَدٍ لا نِهائِيٍّ من الأَلْوانِ المُتَدَرِّجَةِ في التَّغَيُّرِ، وأَصْبَحَ منَ المَأْلوفِ التَّفْرِقَةُ بينَ أَلْوانِ الضَّوْءِ المُخْتَلِفَةِ بِدلالَةِ الطُّولِ المَوْجِيِّ لِكُلٍّ مِنْها.

فالضُّوْءُ الأَحْمَرُ هو أطوَلُ مَوجاتِ الطَّيْفِ المَرْئِيِّ وأَقَلُّها تَرَدُّدًا، ويَليهِ بالتَّدريجِ بَقيَّةُ الأَلْوانِ حَتَّى البَنَفْسَجِيِّ وهُوَ أَقْصَرُها طولاً وأَكْبَرُهَا تَرَدُّدًا. ومِنْ ثَمَّ يكونُ تَرَدُّدُ الأشِعَّةِ تَحْتَ الحمراءِ هو الأَدْنَى تَرْتيبًا، وتَرَدُّدُ الأَشِعَّةِ فَوْقَ البَنَفْسَجِيَّةِ هو الأَعْلَى.

 

ويُسَمَّى الجِهازُ المُسْتَخْدَمُ لِتَحليلِ الضَّوْءِ بالمِطيافِ (أو سِبكْتروميتَرْ). وقَدْ تَطَوَّرَتْ أَنْواعُه كثيرًا، وتَعَدَّدَتْ أَشْكالُهُ وخصائِصُهُ مع تَطَوُّر اسْتِخداماتِهِ للأَغْراضِ المُخْتَلِفَةِ.

والعَيْنُ تَرَى الأَشْياءَ بالألْوانِ الّتي تَرْتَدُّ منها بَعْدَ أَنْ تَمْتَصَّ بَقيَّةَ الأَلْوانِ السَّاقِطَةِ عَلَيْها.

فَأَوْراقُ الشَّجَرِ تَبْدو لِلْعَيْنِ خَضْراءَ اللَّوْنِ لأَنَّها تَمْتَصُّ جميعَ الأَلوانِ فيما عَدا اللَّونَ الأَخْضَـرَ، ونَورَةُ عَبَّادِ الشَّمْسِ تَمْتَصُّ كُلَّ أَلْوانِ الضَّوْءِ السَّاقِطِ عَلَيْها ولا يَرْتَدُّ مِنْها إلَى العَيْنِ سِوى اللونِ الأَصْفَرِ. وهَكَذَا تَكْتَسِبُ الأَجْسَامُ أَلْوانَها الطَّبيعِيَّةَ المُمَيَّزَةَ الّتي نَراها عَلَيْها.

 

أمَّا الجِسْمُ الأَبْيَضُ فهُو الّذي يَعْكِسُ جميعَ الأَلْوانِ، بَيْنَما يَمْتَصُّ الجِسْمُ الأَسْوَدُ كلَّ أَلْوانِ الضَّوْءِ السَّاقِطِ عَلَيْهِ ولا يَعْكِسُ شَيْئًا فَنَراهُ أَسْوَدَ.

ولِهَذا يُفَضَّلُ ارْتِداءُ الملابِسِ البَيْضاءِ أو فَاتِحَةِ اللَّوْنِ خِلالَ فَصْلِ الصَّيْفِ، لأَنَّها لا تَمْتَصُّ أَشِعَّةَ الشَّمْسِ؛ في حين أنَّه يُفَضَّل ارْتِداءُ الملابِسِ قاتِمَةِ اللَّونِ في الشِّتاءِ لأَنَّها تَمْتَصُّ الأَشِعَّةَ وتُسَبِّبُ الإحْساسَ بالدِّفْءِ.

وقَدْ أَفَادَتْ دِراسَةُ الضَّوْءِ وخَصائِصِهِ في اسْتِحْداثِ العَديدِ مِنَ الأَجْهِزَةِ البَصَـرِيَّةِ الّتي تُسْتَخْدَمُ في شَتَّى المجالاتِ.

 

ففي مجالاتِ الرَّصْدِ الفَلَكِيِّ والمِساحِيِّ والعَسْكَرِيِّ يُسْتَخْدَمُ المِنْظَارُ الفَلَكيُّ (المِقْرابُ أو التِّلِسْكوب)، وفي مَجالِ الفُحوصِ المَعْمَلِيَّةِ والبُحوثِ العِلْمِيَّةِ يُسْتَخْدَمُ المِجْهَرُ (المَيكروسْكوب) بأنواعِهِ المُخْتَلِفَةِ.

وفي المجالاتِ الطِّبِّيَّةِ تُسْتَخْدَمُ المَنَاظِيرُ بأنواعِها المُخْتَلِفَةِ لرُؤْيَةِ ما في داخِلِ الجِسْمِ رُؤْيَةً مُباشِرَةً. وتَعْمَلُ هَذِه الأَجْهِزَةُ كُلُّها عَلَى تَعزيزِ قُدْرَةِ الإبصارِ بالعَيْنِ ومُشاهَدَةِ المَرْئِيَّاتِ بِشَكْلٍ مُفَصَّلٍ ودَقيقٍ.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]