الضوء
يُعرف الضوء بأنه إشعاع كهرومغناطيسي يُوجد ضمن جزء محدد من الطيف الكهرومغناطيسي، وهو مرئي للعين البشرية. تمتد موجاته بين 380 و730 نانومتر، مما يضعه بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. يُعتبر ضوء الشمس المصدر الرئيسي للإضاءة على سطح الأرض، حيث توفر الطاقة المنبعثة منه الظروف الملائمة لعملية التمثيل الضوئي التي تُنتج السكريات في النباتات.
في العصور القديمة، كانت النار واحدة من المصادر الأساسية للضوء، ثم تطور الإنسان ليعتمد على المصابيح الحديثة والتقنيات الكهربائية. هناك أيضاً بعض أنواع الحيوانات، مثل اليراعات وبعض أنواع الحبّار، التي يمكنها إنتاج الضوء من أجسامها. وفي هذا السياق، تُعتبر الانبعاثات الحرارية شكلاً من أشكال الضوء، حيث تُشع حرارةً في جميع الاتجاهات بسرعة الضوء، بدون الحاجة إلى وسيلة ناقلة، مثلما يحدث مع تسخين الشمس لسطح الأرض.
نبذة تاريخية
كان الفلاسفة الإغريق في العصور القديمة من أوائل الذين طرحوا بعض النظريات المتعلقة بعلم الضوء، واستمرت هذه النظريات دون أي دليل علمي رسمي. وفي العصور الوسطى، لعب العلماء المسلمون دوراً بارزاً في التحقق من هذه الأفكار. حيث قام الحسن بن الهيثم بتقديم شروحات وافية حول طبيعة الضوء ووظيفته الأساسية، بالإضافة إلى دراسات حول المرايا، وظواهر الكسوف والخسوف، وشرح نظرية الإبصار في علم البصريات.
طبيعة الضوء
على مدار قرون عدة، استمر النقاش بين العلماء حول طبيعة الضوء وما إذا كان Waves أم لا. في القرن السابع عشر، قدم العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن نظرية تُعتبر الضوء تياراً متصلاً من الجسيمات، لكن هذا الرأي جوبه بمعارضة من العالم الهولندي كريستيان هيوغنز، الذي اعتبر الضوء عبارة عن موجات. استمر الاختلاف حول طبيعة الضوء حتى الآن، حيث يمتلك الضوء صفات الموجات، مثل الانعكاس، بينما يحمل أيضاً خصائص جسيمات. وفي القرن العشرين، توصل العلماء إلى إدراك أن الضوء يمكن أن يُعتبر جسيمات وموجات في نفس الوقت، وأطلق على هذه الظاهرة اسم ازدواجية موجة الجسيم.
خصائص الضوء
الانعكاس والانكسار
عندما يسقط الضوء على سطح يجمع مادتين مختلفتين من حيث معامل الانكسار، يحدث نوعان من الظواهر؛ الأولى هي انعكاس الضوء الساقط عند زاوية مساوية لزاوية السقوط، والثانية هي انكسار الضوء عند زاوية تعتمد على زاوية السقوط ونوع المادة. إذا كانت المادة شفافة، سيمر الضوء عبر السطح ذو معامل الانكسار المختلف.
التشتت
يؤدي اختلاف معاملات الانكسار لكل طول موجي من الضوء إلى حدوث ظاهرة تُعرف بالتشتت الضوئي. من أبرز الأمثلة على هذه الظاهرة هو مرور الضوء الأبيض عبر منشور ثلاثي، حيث ينكسر الضوء داخل المنشور عند زوايا مختلفة بحسب الأطوال الموجية، وعند خروج الضوء، يتباين الألوان الناتجة عن انكسار الضوء الأبيض. أطول طول موجي هو الأشعة الحمراء، التي تمتاز بمعامل انكسار أقل من الأشعة الأخرى كالأزرق.
الامتصاص
عند انتقال الضوء خلال مادة شفافة، يتم امتصاص جزء من طاقته على شكل حرارة، مما يؤدي إلى تقليل شدته. وعند حدوث ذلك، يظهر الضوء الذي تجاوز هذه المادة بلون يتوافق مع الأطوال الموجية غير الممتصة.
سرعة الضوء
تصل سرعة الضوء في الفراغ إلى 1.07 مليار كيلومتر في الساعة. كانت أول تجربة لقياس هذه السرعة قد أُجريت عام 1676 من قبل الفيزيائي الدنماركي رومر باستخدام التلسكوب. وقد أشار إلى أن الضوء يحتاج إلى 22 دقيقة لاجتياز قطر الأرض، لكن لم يتمكن من تحديد السرعة بدقة. وفي العصر الحديث، قام الفيزيائيان الفرنسيان هيبوليت فيزو وليون فوسلت بإجراء تجارب أدق في القرن التاسع عشر، حيث تم تحديد سرعة الضوء بحوالي 315 مليون متر في الثانية، وتم إجراء العديد من التجارب الإضافية لاحقاً من قبل علماء بارزين مثل ويلهيم إدوارد ويوبير وهيوغنز ونيوتن وآينشتاين.
كيف يرى الإنسان الضوء
عندما يصطدم الضوء بجسم معين، يقوم الجسم بامتصاص جزء من الضوء ويعكس الباقي (حيث إن الامتصاص والانكسار هما من خصائص الضوء). تعتمد الأطوال الموجية الممتصة والمُنعكسة على خصائص الجسم نفسه. عندما تنظر إلى جسم ما، تنعكس موجات الضوء من سطحه وتدخل إلى شبكية العين، مما يُنشط المخاريط الحساسة للضوء. تتفاعل كل مخاريط الشبكية بشكل مختلف استناداً إلى حساسيتها للون معين (64% من المخاريط حساسة للأحمر، 34% للأخضر، و2% للأزرق)، تُرسل الإشارات الناتجة عبر العصب البصري إلى القشرة البصرية في الدماغ لتحليلها. يتميز البشر بالقدرة على تمييز الألوان بشكل أفضل من معظم الثدييات الأخرى، بينما بعض الحيوانات مثل الطيور والأسماك تمتلك عددًا أكبر من المخاريط مما يُمكنها من رؤية أطوال موجية لا يستطيع الإنسان رؤيتها، مثل الأشعة فوق البنفسجية.