هناك دائما لكن فى الفيزياء و ليس هناك ماهو نهائى او قطعى اوما لا يُقبل النقاش حوله او حتى مجرد الشك فى صحته
دعنا نبدأ باعطاء نبذة قصيرة لكل ما تعلمناه من الدراسة المكثفة للظواهر الكهرومغنطيسية فى ال 200 عام السابقة, ان كان على ان اللخص باختصار فان ما تعلمناه هو ان سرعة الضوء فى الفراغ هى عبارة عن ثابت طبيعى , اما سرعته فى الاوساط الاخرى تأخذ قيما مختلفة و هذا التغير فى سرعة الضوء فى الوسط هو نتيجة لخاصية ذاتية لذلك الوسط وتعرف بمعامل انكسار الوسط
جيد اذن سرعة الضوء فى الفراغ ثابتة اما سرعته فى الاوسط الاخرى يعتمد على طبيعة تلك الاوساط
ولكن.....
سوف نتحدث عن تجارب حديثة قام بها العلماء و استطاعوا ان يؤثروا على سرعة انتشارالضوء فى الاوساط المختلفة او بمعنى اخر , قد نجحوا و بشكل فعال فى تغير معاملات الانكسار لتلك الاوساط فاصبح باستطاعتهم ان يخدعوا الوسط الضوئى و التحكم فى سرعة الضوء فيه ويجعلوه ابطئ او اسرع مما هو عليه
اوليس هذا مدهشا ضوء اسرع!!!!!!!
حتى انه يمكنهم ان يصنعوا الشروط اللازمة لجعل سرعة الضوء فى الوسط اكبر من سرعته فى الفراغ!! ياللعجب قد صار كل ما تعلمناه فى قرنين من الزمان فى مهب الريح
ولكن
كيف استطاع العلماء و الباحثين ان يتلاعبوا بسرعة الضوء بهذه الطريقة؟ وما طبيعة تلك الانجازات (لا اظن ان السيد انشتاين كان سوف يسميها كذلك)؟
قامت مجموعة من الباحثين بتبريد سحابة من ذرات الصوديم الى درجة حرارة منخفضة جدا تصل الى حوالى 50 نانو كلفن و عند هذه الحرارة المنخفضة نجد ان ساحبة ذرات الصوديم سوف تتنتقل الى حالة تعرف بتكثيف بوز-انشتاين و هى حالة من حالات المادة عندما تكون جميع الذرات فى نفس الحالة الفيزيائية.. دعنا نكون اكثر دقة ونعطى وصفا اوضح لحالة تكثيف بوز-انشتاين هذه تخيل معى انك تنظر من نافذتك المطلة على سوق يقع اسفل البناية التى تسكن فيها و تراقب حركة المارة وطلب منك ان تصف حركتهم بالطبع ان احسن وصف لهذه الحركة هو انها حركة عشوائية تماما فكل واحد منهم فى حالة حركة تختلف عن حركة الاخر.. .الوضع معقد!!! و لكن اذا استبدلنا هولاء المارة بفصيل من الجنود سوف نلاحظ ان حركتهم منتظمة وان اى جندى حركته تشبه تماما حركة بقية الجنود وعليه نقول انهم يتحركون بانتظام وجميعهم فى نفس حالة الحركة. دعنا الان نرجع الى الفيزياء ونصف تاثير درجة الحرارة على ذرات سحابة الصوديوم
عندما ترتفع درجة الحرارة سوف تتحرك الذرات بحيث تشغل مستويات طاقة مختلفة اى حالات فيزيائية مختلفة (تشبة حالة حركة المارة فى السوق) اما عندما تنخفض درجة الحرارة فان الذرات سوف تقل حركتها وتشغل حالات فيزيائية اقل و اذا انخفضت الى الصفر المطلق سوف تتجمد الذرات عن الحركة ويكون لكل ذرة من الذرات نفس الحالة الفيزيائية وطالما انه من المستحيل الوصول الى درجة الصفر المطلق فقد توصل هولاء الباحثون الى درجة حرارة تقترب من الصفر وعليه تصبح جميع ذرات سحابة الصوديم فى نفس الحالة الفيزيائية تقريبا (تشبةحالة حركة الجنود) وهى ما يعرف بتكثيف بوز-انشتاين وعليه طالما ان جميع الذرات فى سحابة الصوديم لها نفس الحالة الفيزيائية فان جميع هذه الذرات سوف تستجيب للتأثير الخارجى بنفس الطريقة
يتميز اى وسط ضوئى بمستوى محدد من الامتصاصية و الشفافية فهناك اوساط ضوئية شفافة تسمح لمعظم الضوء الساقط عليها بالمرور من خلالها بينما تمتص نسبة قليلة منه, وهناك ايضا اوساط مُعتمة تمتص اغلب الاشعة الساقطة عليها و لا تمرر من خلالها الا القدر اليسير من الضوء الساقط عليها
و لكن دعنا الان نغوص الى اعماق المستوى الذرى للمادة وحتى لا يكون الموضوع مملا دعنا نقُص اولا حكاية مدينة عجيبة تدعى مدينة الكم والاحرى ان نقول عالم الكم.
فى هذه المدينة نظام غريب من العملة وعُملتهم بالطبع ليست الريال او الدينار وانما عُملة صغيرة جدا يسميها اصحابها اتش ويرمز لها اختصارا بالحرف (h) وسعر اى سلعة فى تلك المدينة هو مضاعف صحيح للعملة h. الان تخيل معى ان هناك مجموعة من المنازل التى تقع على طول خط سكة حديد ويجرى على هذه السكة قطار سريع ولا يتوقف هذا القطار الا عند تلك المنازل (اى محطات معينة) لياخذ على متنه راكب او ينزل من عليه راكب اَخر, وهذه المنازل لا تفصلها مسافات متساوية و لذلك فان قيمة التذكرة تعتمد على المسافة بين المنزلين المعنيين و افترض ان قيمة التذكرة الى المنزل الاول هى E1 والى المنزل الثانى E2 وعموما قيمة التذكرة الى المنزل رقم n هى En , ولذلك ان كان للراكب مثلا مبلغ يعادل E2-E1 فبمكانه ان يأخذ القطار من المنزل الاول الى المنزل الثانى اما ان كان لديه مبلغ يعادل En-Em فبمكان هذا الراكب ان يأخذ القطار من المنزل رقم m الى المنزل رقم n الان اذا اعطينا اى راكب واقف على المنزل الاول مثلا مبلغ f من وحدة العملة h اى (hf) . مالذى سوف يقوم بعمله هذا الراكب؟ بالطبع سوف يحسب فرق السعر فى التذكرة بين منزله واى منزل اخر فاذا كان هذا المبلغ يعادل تماما قيمة التذكرة من منزله الى منزل اخر سوف يخذ المبلغ ويركب على متن القطار وصولا الى ذلك المنزل, اما ان لم يكن كذلك فلن يأخذ هذا الراكب المبلغ وسوف يُفضل البقاء فى منزلهِ
جيد جدا هذا عالم بسيط دون تعقيد وشعار سكانه هو اعطينى المبلغ المناسب لكى اذهب الى المنزل المناسب
و لكن الغريب فى الامر ان هولاء السكان بستعدادهم التخلى عن بعض المال من اجل الذهاب الى منزل ادنى!!! وهذا مدهش جداً !!! لماذا على احدهم ان يدفع مالا من اجل الانتقال الى منزل ادنى ولكن لاعلينا انه عالمهم الخاص وان كنت سمعت ان هناك منزل يسمى المنزل الارضى هو ادنى تلك المنازل ولكنه فى نفس الوقت افضلها (اكثر استقراراً كما يُقال)
دعنا الان نقوم بدراسة المستوى الذرى للمادة (مدينة الكم) هناك مستويات طاقة معينة للمادة (المنازل) وذرات المادة تشغل هذه المستويات (سكان مدينة الكم) ولا تنتقل اى ذرة من مستوى طاقتها الى مستوى اخر مالم تمتص فوتونا (تذكرة) تعادل طاقته الفرق بين المستويين. مع ملاحظة ان طاقة الفوتون تساوى تردده مضروبا فى ثابت بلانك ( وحدة العملة فى مدينة الكم), فاذا اسقطنا ضوءا بترددت مختلفة فان هناك ترددت معينة يتم امتصاصها وهى تلك التى تتناسب مع الفرق بين مستويى طاقة معينين فى المادة وطالما ان للمواد المختلفة مستويات طاقة قد تكون مختلفة فان لاى مادة مدى محدد من الترددات التى يتم امتصاصها ولذلك يسمى هذا المدى من الترددت بنطاق الامتصاص لتلك المادة
والان دعنا نرجع الى سحابة ذرات الصوديوم المبردة الى درجة حرارة منخفضة حداً وفى حالة تكثيف بوز- انشتاين وعليه من الوضح ان جميع ذرات السحابة فى مستوى الطاقة (نفس المنزل فى مدينة الكم) وهكذا اذا اسقطنا ضوء بتردد محدد فان جميع الذرات فى السحابة سوف تسلك نفس السلوك فى استجابتها لهذا التاثير, فاذا اسقطنا ضوءا يقع فى مدى نطاق الامتصاص فان هذا الضوء سوف يتم امتصاصه تماما مما يجعل السحابة وسطا معتما لا يمرر هذا الضوء وعليه نتوقع من الباحثين و العلماء اسقاط ضوء على السحابة بحيث لا يكون تردد هذا الضوء واقعا فى مدى نطاق الامتصاص للصوديوم ولكن مافعله هولاء الباحثين هو العكس تماما فقد اسقطوا على ذرات سحابة الصوديوم ضوء تردده يقع فى مدى نطاق الامتصاص ( وهكذا اصبحت السحابة معتمة تماما للضوء بالنسبة لهذا التردد) ولكنفى نفس الوقت اسقطوا ترددا اخر (دعنا نسميه تردد الاقتران) يقع خارج نطاق الامتصاص, وسوف يتضح ان عملية الترددين هذه سوف تكون السبب فى انجاح التجربة بصورة لا تصدق لان عملية اقترن الترددين هذه جعلت المجال الكهرومغنطيسى لهما يتسبب فى الغاء عملية الامتصاص مما جعل سحابة الصوديم شفافة للضوء لاى ضوء ساقط عليها (تسمى هذه العملية بالشفافية الكهرومغنطيسيه المستحثة) ولكن.... ما دخل كل هذا بسرعة الضوء فى الوسط؟
الان نعود مرة اخرى الى موضوع سحابة الصوديوم . تمتاز سحابةالصوديوم بمعامل انكسار اكبر قليلا جدا من الواحد الصحيح وهذا يجعلها تشبه الفراغ عندما يمر خلالهاالضوء لذا تقل سرعة الضوء فيها بمقدار ضئيل لاحظ ان معامل الانكسار (n) يساوى سرعة الضوء فى الفراغ (c) مقسومة على سرعته فى الوسط (v) الان دعنا نستخدم هذه المعلومات لحساب سرعة الضوء فى سحابة الصوديوم
مع العلم بان سرعة الضوء فى الفراغ تساوى
ومعامل انكسار سحابة الصوديوم قريب جدا من الوحد الصحيح ولكن فقط من اجل ان تكون لنا صورة اوضح سوف نفترض انه يساوى 1.1 وعليه تصبح سرعة الضوء فى السحابة
وعليه يكون هناك تغير طفيف جدا فى سرعة الضوء
ولكن اذا اخذنا فى الاعتبار ان الضوء الساقط على سحابة ذرات الصوديوم له تردد يقع فى مدى نطاق الامتصاص فان معامل الانكسار سوف يتغير تغيرا كبيرا فى هذا المدى اذن ماهى العلاقة بين معامل انكسار الضوء و التردد؟ من المعلوم ان سرعة الموجة تعطى بالمسافة (الطول الموجى) مقسومة على الزمن (الزمن الدورى) اى ان
حيث ان f هو التردد الخطى ويمثل مقلوب الزمن الدورى ويقاس بوحدة الهيرتز يمكن ايضا كتابة المعادلة السابقة بدلالة الكميات الزاوية بدلا عن الكميات الخطية اى بدلالة التردد الزاوى (اوميقا) والذى يعرف ب 2pi*f والعدد الموجى (k) هو 2pi/lambda وهكذا نجد ان سرعة الموجة بدلالة التردد الزوى و العدد الموجى تكتب على النحو التالى
ولكن لهذه الموجة تردد زاوى وحيد و ثابت لذا فهى موجة اُحادية اللون اما نسبة لوجود ترددات مختلفة للضوء الساقط فان هناك مجموعة من الموجات المتحركة والاحرى بنا هو ايجاد سرعة المجموعة لهذه الموجات ولكن ماهل سرعة المجموعة؟ وكيف يمكن حسابها؟
افترض ان هناك قطارين طويلين جدا متحركين على مسارين متوازيين وفى نفس الاتجاه وسرعة القطار الاول v1 وسرعة القطار الثانى v2 , وبكل قطار صف من النوافذ التى تشع ضوءاً يسقط على جدار موازى لمسار القطار ين, وافترض ايضا ان المسافة بين مركزى اى نافذتين متجاورتين ثابتة وتساوى الطول الموجى للضوء فى ذلك القطار فى لحظة ما كانت هناك نافذة على القطار الاول تقابل تماما نافذة اخرى على القطار الثانى (دعنا نسميها النافذة المركزية) لذا فان الضوء الصادر من النافذة فى القطار الاول يتحد مع الضوء الصادر من النافذة المقابلة فى القطار الثانى لينتج بقعة من الضوء على الجدار لها شدة استضاءة مضاعفة (شدة استضاءة الضوء الصادر من النافذة فى القطار الاول + شدة استضاءة الضوء الصادر من النافذة المقابلة فى القطار الثانى)
ولكن ماذا عن بقية النوافذ؟
بالطبع النافذة المجاورة للنافذة المركزية فى القطار الاول وتقابل جزئيا النافذة المجاورة للنافذة المركزية فى القطار الثانى , وبالتالى فان الشعاعان الصادران منهما سوف يتحدان جزئيا لينتجا بقعة على الجدار ولكن بشدة استضاءة اقل من تلك التى تنتجها النافذة المركزية وهكذا كلما ا بعدنا عن النافذة المركزية فان التقابل بين النوافذ يقل وبالتالى تقل شدة استضاءة بقعة الضوء المقابلة على الجدار دعنا الان نسمى بقع الضوء على الجدار مجموعة ونفترض ان البقعة الاكثر شدة استضاءة تقع فى مركز المجموعة ولذلك فهى تمثل المجموعة ككل وسرعتها هى سرعة المجموعة
اذن نعرف سرعة المجموعة بانها سرعة النهاية القصوى لمحصلة موجتين او اكثر (فى حالة اكثر من قطار طبعا)
هناك سرعة اخرى تسمى سرعة الطور وهى السرعة التى تغير بها الموجة زاوية الطور فيها وهذه السرعة تكون دائما اكبر من سرعة الضوء!!!!!!!!!!!!!!!!!
حوار مع صديقى النسبى
صديقى: قلت ان سرعة المجموعة هى سرعة النهائية القصوى لمحصلة موجتين او اكثر من الضوء ولكن ماهى اكبر سرعة يمكن ان تأخذها سرعة المجموعة؟
انا: للاجابة على هذا السؤال دعنا نرجع الى مسألة القطارين السابقة
صديقى: اوفق
انا: افترض ان سرعة القطار الاول تساوى سرعة القطار الثانى وبالتالى فان سرعة النافذة المركزية ( سرعة المجموعة) على الجدار سوف تكون مساوية لسرعة القطارين
صديقى: نعم ولكن تتدخل النسبية وتقول لا يمكن للقطار ان يتحرك بسرعة اكبر من سرعة الضوء
انا : بالطبع معك حق ولذلك فان سرعة المجموعة دائما اقل من سرعة الضوء ( لنا عودة لهذه النقطة فى الحلقات القادمة)
ورتسمت البسمة على وجه صديقى ولذا لن نجيب على لكن هذه اليوم حتى لا نغير مزاج صديقى النسبى
صديقى: حسنا كيف يمكن ان تكون سرعة الطور دائما اكبر من سرعة الضوء هذا غريب جدا لان النسبية تقول لا توجد سرعة اكبر من سرعة الضوء.....؟
انا: نعم توجد سرعة اكبر من سرعة الضوء و لكن هى سرعة لموجة واحدة (احادية الطول الموجى) اى موجة لا تحمل معلومات
صديقى: جيد اذن لايمكن لموجة الطور ان تنقل معلومة اذن فهى لاتنقل التفاعل او القوى
انا: بالطبع لا تنقل قوى او تفاعل لذا لايمكن لجسم او معلومة ان تتحرك بها وعليه فان مبدأ السببية لن يختل وتتحقق قوانين النسبية.
صديقى: هذا جيد جدا لان اقصى سرعة لنقل التفاعل هى سرعة الضوء وطالما ان سرعة الطور هذه لا تنقل التفاعل فان النسبية لن تتدخل
.gif){kind=icon}
