سرعة النور

سرعة شعاع ليزر فى الهواء وبيكون 99.97% منها فى الفضاء

سرعة النور مصطلح فى الغالب بيستخدم علشان يشير لسرعة النور فى الفضاء. وده علشان سرعة النور بتختلف من ماده للتانيه بس فى الفراغ سرعة النور ثابته ومبتعتمدش على اللون ولا على الكثافه ولا على اتجاه الحركه بتاع النور. ده غير كمان ان سرعة النور مبتعتمدش على حركة مصدر النور ولا على حركة الراصد.

سرعة النور عباره عن كميه ثابتة فى الفيزيا, وعلشان نعبر عنها فى قوانين الفيزيا بنستخدم حرف الـ $c$ والى قيمته بالظبط بتساوى 299,792,458 م/ث. و هو بيساوى ( بعد ما نقربه لأقرب تلات ارقام) 300.000الف كم/ث ودا بيساوى 186 الف ميل فى التانيه او تقريبا مليار كم/س ودا بيساوى 671 مليون ميل فى الساعة.

و من النسبيه خاصه لـ البرت اينشتاين نقدر نقول ان سرعة النور او (الثابت $c$ ) هى اكبر سرعة تقدر اى حاجة من ( طاقة او مادة او معلومات ) فى الفضاء . وسرعة النور هى سرعة الى بتسافر بيها الاجسام الى ماهالش كتلة ( زى الإشعاع الكهرومغناطيسى زى الضوء ) فى الفضاء . وبتسافر الأجسام و الأمواج بالسرعة $c$ مهما كانت سرعة المصدر او مكان المراقب . فى نظرية النسبية الـ $c$ بيربط بين المكان و الزمان وبرضوا بيظهر فى معادلة الكتلة والطاقة الى بالصيغة<E = mc^{2.^[1]}

السرعة الى بيمشى بيها النور فى المواد الشفافة زى المية و الزجاج بتكون اقل من $c$ والسرعة دى بتتمثل بحرف الـ $v$ . والنسبة ( ناتج قسمة ) بين سرعة النور فى الفضاء $c$ وسرعته فى المادة الشفافة $v$ اسمها معامل الإنكسار المادة دى $n$ وبتكون المعادلة الى بتوصف دا هى ( n = c / v ). ومثال على دا : معامل إنكسار النور فى الزجاج بيساوى 1.5 ومعناه ان النور بيمشى فى الزجاج بسرعه 200.000 الف كم/ث تقريبا ودا بناء على المعادلة v = c / 1.5 وفى نفس الوقت بيكون معمال إنكسار النور فى الهوا بيساوى 1.0003 وبالتالى بيكون سرعة النور فى الهواء بتساوى 299,705 كم/ث اى اقل تقريبا بـ 90 كم/ث من الثابت $c$ . ونقدر نقول ان الشمس تبعد عنا حوالى 150 مليون كيلو متر وضوء الشمس يستغرق حوالى 8 دقائق 17 ثانيه للوصل الى الارض واقرب مجره هيا مجره المرأه المسلسله وتبعد عنا حوالى 4.3 سنه ضوئيه

فى بعض الحالات , بنفتكر ان الضوء وبعض الموجات الكهرومغناطيسية Electromagnetic waves بتتحرك حركة فورية , لاكن فى المسافات الطويلة و القياسات الدقيقة بيكون لسرعتهم المحدودة ( $c$ ) دور مهم . امثلة : فى التواصل مع المسابر الفضائية , ممكن ناخد من 10 دقائق علشان نوصل رسالة من الارض للمسبار و العكس بالعكس . الضوء الى بنشوفه من النجوم طلع منهم من سنين , ودا بيسمح لنا اننا ندرس تاريخ الكون. السرعة المحدودة للضوء برضوا بتحد من السرعة النظرية للكمبيوترات . وممكن تستخدم فى مقاييس وقت الرحلة ودا لقياس المسافات البعيدة بدقة كبيرة.

سنة 1676 "اولى روم" " Ole Rømer " هو اول شخص اثبت ان للنور سرعة محدودة ( عكس "الفورية" ) ودا عن طريق دراسته لقمر المشترى " IO ". سنة 1865 , جايمس كلارك ماكسويل افترض ان النور موجه كهرومغناطيسية Electromagnetic wave , وعلشان كدا بيسافر بسرعة $c$ ودا بيظهر فى نظريته الكهرومغناطيسيه.^[2] . سنة 1905 , افترض اينشتاين ان النور بيكون منفصل عن مصدره,^[3] واكتشف نتايج الفرضية عن طريق اشتقاق نظرية النسبيه خاصه ووضح ان للثابت $c$ اهمية برة سياق النور والكهرومغناطيسية. و بعد عقود من زيادة دقة القياس , سرعة النور اتعرفت أنها بتساوى 299,792,458 م/ث بس ب غلط فى القياس وصل لـ 4 اجزاء لكل البليون. سنة 1983 , اتعاد تعريف المتر فى النظام الدولى للوحدات (International System of Units (SI انه "المسافة الى بيقطعها الضوء فى الفضاء فى زمن قدره ${\frac {1}{299.792.458}}$ ثانيه".

المصادر

↑ The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants. Springer. 2008. ص. 43–4. ISBN:0-387-73454-6.
↑ واحدى نتائج قوانين الكهرومغناطيسييه (مثل معادلات ماكسويل) هيا ان c سرعه الامواج المكهرومغناطيسيه هيا لا تتعلق بسرعه الجسم الى بيطلقها’ يعنى سرعه موجه ضوئيه منبعثه من جسم متحرك مش بتختلف باختلاف سرعه المصدر وستكون سرعه الضوء ثابته (مع أن لون شعاع النور هيختلف ، لو هيختلف طول موجته ، وده اسمو تأثير دوبلر). كانت استنتاجات ماكسويل المذهلة هيا الصيغة اللى بعد كده اللى تمثل سرعة النور c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}} \ حيث: c - سرعة النور أو الموجة الكهرومغناطيسية μ0 - معامل النفاذية وقيمته 4π × 10-7 H/m (هنري\متر) ε0 - معامل السماحية وقيمته 8.854187817 × 10-12 F/m (فاراد\متر) لعلاقة بين سرعة النور وطول الموجة مثل طول الموجة فى العاده بالحرف الإغريقى لامدا (λ). وتربط المعادلة البسيطة اللى بعد كده العلاقة بين طول الموجة الضوئية وترددها وسرعتها ، يعنى سرعة النور c: \lambda=\frac{c}{f} حيث: f هو تردد الموجة. سرعة تقدم الموجة الضوئية فى الفراغ تساوى 3\cdot10^8 \frac{m}{sec} ، ويتكون دائما بالحرف c. وعلشان لكون النور ما هو إلا موجة كهرومغناطيسية دى المعادلة تطبق كمان على كل الموجات الكهرومغناطيسية ، على اختلاف أنواعها من موجة راديو (لاسلكية) أو أشعة فوق البنفسجية أو أشعة تحت الحمراء ، أو موجة ميكروويف ، أو أشعة سينية أو أشعة جاما. من المعادلة ديه ممكن استنتاج تردد الموجة بمعرفة طول الموجة. يعنى لوم كان طول موجة شعاع الاسلكى 30 سنتيمتر يكون تردده 1 جيجا هرتز. ونلاحظ استخدام الوحدات : فمثلا نقيس سرعة النور بالمتر/الثانية أو السنتيمتر/ ثانية ، ونقيس طول الموجة بالمتر أو بالتالى سنتيمتر ، فينتج التردد 1/ثانية ، أى هرتز ، علشان 1 هرتز = 1/ثانية. اشتقاق سرعة النور من معادلات ماكسويل Crystal Clear app kdict.png طالع كمان : معادلات ماكسويل قام ماكسويل بتجميع أربع معادلات شهيرة فى الكهرومغناطيسية هي: قانون غاوس لتدفق الحقل الكهربائي: \nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\epsilon} قانون غاوس للمغناطيسية: \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 قانون الحث لفرداي: \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t} قانون أمبير: \nabla \times \mathbf{B} = \mu\mathbf{J}_c إضافة علشان كده فقد عمل ماكسويل على تعميم قانون أمبير للمجالات المتغيرة زمنى وبكده العلاقة بالصورة \nabla \times \mathbf{H} = \mu\mathbf{J} + \mu\epsilon\frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t} لما ماكسويل حل دى المعادلات الأربعه فى الفراغ وتوصل لالصلة الوثيقة بين سرعة الموجة الكهرومغناطيسية وبين ثابت العازلية وثابت المغناطيسية. يمكن إعادة المعادلات السابقة على افتراض أن النور ينتشر فى الفراغ حيث لاتوجد أى شحنات كهربائية أى أن \rho=0\, و\mathbf{J}=0\, فتصبح بالصورة \nabla \cdot \mathbf{E} = 0 \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \nabla \times \mathbf{B} = \mu_0\epsilon_0\frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t} لإيجاد معادلة الموجة لازم نجيب المشتقة التانيه فى الزمن والفضاء. بداية بأخذ الالتواء لطرفى المعادلة التالتة وبتعويض النتيجة فى المعادلة الرابعة نجد أن \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = -\frac{\partial \mathbf{\nabla \times \mathbf{B}}}{\partial t} من نظرية تفاضل المتجه، نعلم أن \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = -\nabla^2\mathbf{E} + \nabla \cdot(\nabla \cdot \mathbf{E}) على ده الأساس تصبح \nabla^2\mathbf{E}= \mu_0\epsilon_0\frac{\partial^2 \mathbf{E}} {\partial t^2} ودى معادلة موجة فى 3 أبعاد، وللتبسيط ممكن دراستها فى بعد واحد بالشكل \frac{\partial^2 E} {\partial x^2}= \mu_0\epsilon_0\frac{\partial^2 E} {\partial t^2} بالبحث عن حل للمعادلة الجيبية، بدلالة السرعة v والطول الموجى \lambda يفترض أن تكون E = E_0 sin(2\pi\frac{x-vt}{\lambda}) بمفاضلة دى المعادلة مرتين نحصل على \frac{\partial^2 E} {\partial x^2}= - E_0 \left(\frac{2\pi}{\lambda}\right)^2 sin\left(2\pi\frac{x-vt}{\lambda}\right) و \frac{\partial^2 E} {\partial t^2}= - E_0 \left(\frac{2\pi v}{\lambda}\right)^2 sin\left(2\pi\frac{x-vt}{\lambda}\right) بالتعويض عنها تانى فى معادلة الموجة نجد أنها تمثل حل شريطة أن v^2=\frac{1}{\mu_0\epsilon_0} أثارت دى النتيجة فضول آينشتين و كانت السبب الرئيس فى تطويره لنظرية النسبية الخاصة. How is the speed of light measured.
↑ Einstein from "B" to "Z" – Volume 9 of Einstein studies. 2002. ص. 226. ISBN:0-8176-4143-2.

[LeClerq-1] The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants. Springer. 2008. ص. 43–4. ISBN:0-387-73454-6.

[2] واحدى نتائج قوانين الكهرومغناطيسييه (مثل معادلات ماكسويل) هيا ان c سرعه الامواج المكهرومغناطيسيه هيا لا تتعلق بسرعه الجسم الى بيطلقها’ يعنى سرعه موجه ضوئيه منبعثه من جسم متحرك مش بتختلف باختلاف سرعه المصدر وستكون سرعه الضوء ثابته (مع أن لون شعاع النور هيختلف ، لو هيختلف طول موجته ، وده اسمو تأثير دوبلر). كانت استنتاجات ماكسويل المذهلة هيا الصيغة اللى بعد كده اللى تمثل سرعة النور c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}} \ حيث: c - سرعة النور أو الموجة الكهرومغناطيسية μ0 - معامل النفاذية وقيمته 4π × 10-7 H/m (هنري\متر) ε0 - معامل السماحية وقيمته 8.854187817 × 10-12 F/m (فاراد\متر) لعلاقة بين سرعة النور وطول الموجة مثل طول الموجة فى العاده بالحرف الإغريقى لامدا (λ). وتربط المعادلة البسيطة اللى بعد كده العلاقة بين طول الموجة الضوئية وترددها وسرعتها ، يعنى سرعة النور c: \lambda=\frac{c}{f} حيث: f هو تردد الموجة. سرعة تقدم الموجة الضوئية فى الفراغ تساوى 3\cdot10^8 \frac{m}{sec} ، ويتكون دائما بالحرف c. وعلشان لكون النور ما هو إلا موجة كهرومغناطيسية دى المعادلة تطبق كمان على كل الموجات الكهرومغناطيسية ، على اختلاف أنواعها من موجة راديو (لاسلكية) أو أشعة فوق البنفسجية أو أشعة تحت الحمراء ، أو موجة ميكروويف ، أو أشعة سينية أو أشعة جاما. من المعادلة ديه ممكن استنتاج تردد الموجة بمعرفة طول الموجة. يعنى لوم كان طول موجة شعاع الاسلكى 30 سنتيمتر يكون تردده 1 جيجا هرتز. ونلاحظ استخدام الوحدات : فمثلا نقيس سرعة النور بالمتر/الثانية أو السنتيمتر/ ثانية ، ونقيس طول الموجة بالمتر أو بالتالى سنتيمتر ، فينتج التردد 1/ثانية ، أى هرتز ، علشان 1 هرتز = 1/ثانية. اشتقاق سرعة النور من معادلات ماكسويل Crystal Clear app kdict.png طالع كمان : معادلات ماكسويل قام ماكسويل بتجميع أربع معادلات شهيرة فى الكهرومغناطيسية هي: قانون غاوس لتدفق الحقل الكهربائي: \nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\epsilon} قانون غاوس للمغناطيسية: \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 قانون الحث لفرداي: \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t} قانون أمبير: \nabla \times \mathbf{B} = \mu\mathbf{J}_c إضافة علشان كده فقد عمل ماكسويل على تعميم قانون أمبير للمجالات المتغيرة زمنى وبكده العلاقة بالصورة \nabla \times \mathbf{H} = \mu\mathbf{J} + \mu\epsilon\frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t} لما ماكسويل حل دى المعادلات الأربعه فى الفراغ وتوصل لالصلة الوثيقة بين سرعة الموجة الكهرومغناطيسية وبين ثابت العازلية وثابت المغناطيسية. يمكن إعادة المعادلات السابقة على افتراض أن النور ينتشر فى الفراغ حيث لاتوجد أى شحنات كهربائية أى أن \rho=0\, و\mathbf{J}=0\, فتصبح بالصورة \nabla \cdot \mathbf{E} = 0 \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \nabla \times \mathbf{B} = \mu_0\epsilon_0\frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t} لإيجاد معادلة الموجة لازم نجيب المشتقة التانيه فى الزمن والفضاء. بداية بأخذ الالتواء لطرفى المعادلة التالتة وبتعويض النتيجة فى المعادلة الرابعة نجد أن \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = -\frac{\partial \mathbf{\nabla \times \mathbf{B}}}{\partial t} من نظرية تفاضل المتجه، نعلم أن \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = -\nabla^2\mathbf{E} + \nabla \cdot(\nabla \cdot \mathbf{E}) على ده الأساس تصبح \nabla^2\mathbf{E}= \mu_0\epsilon_0\frac{\partial^2 \mathbf{E}} {\partial t^2} ودى معادلة موجة فى 3 أبعاد، وللتبسيط ممكن دراستها فى بعد واحد بالشكل \frac{\partial^2 E} {\partial x^2}= \mu_0\epsilon_0\frac{\partial^2 E} {\partial t^2} بالبحث عن حل للمعادلة الجيبية، بدلالة السرعة v والطول الموجى \lambda يفترض أن تكون E = E_0 sin(2\pi\frac{x-vt}{\lambda}) بمفاضلة دى المعادلة مرتين نحصل على \frac{\partial^2 E} {\partial x^2}= - E_0 \left(\frac{2\pi}{\lambda}\right)^2 sin\left(2\pi\frac{x-vt}{\lambda}\right) و \frac{\partial^2 E} {\partial t^2}= - E_0 \left(\frac{2\pi v}{\lambda}\right)^2 sin\left(2\pi\frac{x-vt}{\lambda}\right) بالتعويض عنها تانى فى معادلة الموجة نجد أنها تمثل حل شريطة أن v^2=\frac{1}{\mu_0\epsilon_0} أثارت دى النتيجة فضول آينشتين و كانت السبب الرئيس فى تطويره لنظرية النسبية الخاصة. How is the speed of light measured.

[Stachel-3] Einstein from "B" to "Z" – Volume 9 of Einstein studies. 2002. ص. 226. ISBN:0-8176-4143-2.

[1]

[2]

[3]