ما هي نظرية هيجنز للضوء
كان كريستيان هيجنز أول شخص يشرح كيف يمكن لنظرية الموجات تفسير قوانين البصريات الهندسية في عام 1670 ، وفي ذلك الوقت لم ينتبه إليه أحد ، ثم إعاد اكتشاف عمله لاحقًا بعد الانتصار النهائي لنظرية الموجة ، وكان لدى هيجنز نظرة ثاقبة مهمة للغاية في طبيعة انتشار الموجات والتي تسمى في الوقت الحاضر مبدأ أو نظرية هيجنز.
تقول نظرية هيجنز أن كلنقطة في الجبهة الأمامية للموجة هي مصدر للموجات الثانوية التي تنتشر في جميع الاتجاهات بسرعة الموجة، وبالتالي فإذا نظرنا إلى مصدر نقطي، فإن واجهة الموجة ستنبعث منه وستكون طبيعتها كروية.
ووفقًا لمبدأ هيجنز، ستصبح جميع النقاط على واجهة الموجة مصدرًا ثانويًا، وبالتالي فإن واجهات الموجة ستكون في الاتجاه الأمامي، وستنبعث منها جميع المصادر الثانوية للموجات، والظل المرسوم على جميع الموجات يمثل الموضع الجديد لشكل الموجة.
من هو كريستيان هيجنز
كريستيان هيجنز عالم هولندي في الفيزياء والرياضيات والفلك، ولديه إسهامات عديدة في حقل العلوم، حيث تعتبر نظرية موجات الضوء واحدة من أهم اكتشافاته في الفيزياء، واكتشف أيضًا ساعة البندول وشكل حلقات زحل وتيتان، وهو أكبر أقمار زحل.
ما هو الضوء؟
الضوء عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي ضمن جزء معين من الطيف الكهرومغناطيسي ، تشير الكلمة عادة إلى الضوء المرئي ، وهو الطيف المرئي للعين البشرية والمسؤول عن حاسة البصر ، الطيف هو عبارة عن مجموعة من جميع الموجات ، والتي تشمل الضوء المرئي والميكرويف وموجات الراديو (AM و FM و SW) والأشعة السينية وأشعة جاما.
بداية نظرية هيجنز للضوء
اعتنق السير إسحاق نيوتن نظرية أن الضوء يتكون من جسيمات دقيقة ، في عام 1678 اعتقد الفيزيائي الهولندي كريستيان هيغنز أن الضوء يتكون من موجات تهتز لأعلى ولأسفل بشكل متعامد مع اتجاه انتقال الضوء ، وبالتالي صاغ طريقة لتصور انتشار الموجات ، أصبح هذا معروفًا باسم نظرية هيجنز ، كانت نظرية هيجنز هي النظرية الناجحة لحركة الموجة الضوئية في ثلاثة أبعاد ، اقترح هيجنز أن قمم الموجة الضوئية تشكل أسطحًا مثل طبقات البصل ، في الفراغ أو غيره من الوسائط المنتظمة ، تكون موجات الضوء كروية ، وتتقدم أسطح الموجات هذه أو تنتشر أثناء انتقالها بسرعة الضوء ، تشرح هذه النظرية سبب انتشار الضوء الساطع عبر ثقب الدبوس أو الشق بدلاً من السير في خط مستقيم ، وجاءت نظرية نيوتن أولاً ، لكن نظرية هيجنز وصفت التجارب المبكرة بشكل أفضل ، ويتيح مبدأ هيجنز التنبؤ بمكان وجود واجهة موجة معينة في المستقبل إذا كان لديك معرفة بمكان وجود جبهة الموجة المحددة في الوقت الحاضر.
في ذلك الوقت كانت بعض التجارب التي أجريت على نظرية الضوء ، على كل من نظرية الموجة ونظرية الجسيمات ، لها بعض الظواهر غير المبررة ، لم يستطع نيوتن تفسير ظاهرة تداخل الضوء ، وهذا دفع نظرية نيوتن للجسيمات لصالح نظرية الموجة لهيجنز ، كانت هذه الصعوبة بسبب ظاهرة استقطاب الضوء غير المبررة وكان العلماء على دراية بحقيقة أن حركة الموجة كانت موازية لاتجاه انتقال الموجة ، وليست متعامدة مع اتجاه انتقال الموجة ، كما يفعل الضوء.
في عام 1803، قام توماس يونغ بدراسة تداخل موجات الضوء عن طريق إشعاع الضوء من خلال شاشة مشقوقة بشكل متساو. ينتشر الضوء الخارج من الشقين وفقا لمبدأ هايجنز، حيث يتداخل الموجتان وتتشابك. إذا وضعنا شاشة في نقطة التداخل، ستظهر مناطق فاتحة ومظلمة، وهذا يؤكد صحة مبدأ هايجنز للضوء.
نظرية موجات الضوء لهيجنز
في هذه النظرية يثبت أنه يمكن أن يظهر الطبيعة الموجية للضوء والجسيمية في نفس الوقت، وغالبا يتصرف الضوء كموجة. وتسمى الموجات الضوئية أيضا الموجات الكهرومغناطيسية لأنها تتكون من كلا من المجال الكهربائي (E) والمجال المغناطيسي (H). وتتذبذب الحقول الكهرومغناطيسية بشكل عمودي على اتجاه حركة الموجة وعموديا على بعضها البعض. وتعرف الموجات الضوئية أيضا بالموجات المستعرضة لأنها تتذبذب في اتجاه انتقال الموجة
سرعة الضوء
تُعد سرعة الضوء في الفراغ ثابتة عالميًا، وتبلغ حوالي 300،000 كيلومتر في الثانية أو 186000 ميل في الثانية، والسرعة الدقيقة للضوء هي: 299،792.458 كيلومتر في الثانية
تستغرق حوالي 8.3 دقائق للضوء من الشمس للوصول إلى الأرض (150،000،000 / 300،000 / 60 = 8.3)
بالنظر إلى أن المسافة بين الأرض والشمس تبلغ 150 مليون كيلومتر، وأن الضوء ينتقل بسرعة 300000 كيلومتر في الثانية، فإن ذلك يوضح مدى سرعة انتقال الضوء بشكل واضح.
التعديل على نظرية هيجنز
مبدأ هيجنز ينطبق ليس فقط على موجات الضوء ولكن أيضا على جميع أنواع الموجات، بما في ذلك الموجات الصوتية. ومع ذلك، لا يمكن لهذا المبدأ أن يفسر تأثيرات الانعكاس. تم توضيح المبدأ بشكل أكثر تفصيلا لظاهرة الانعكاس من قبل العالم أوغستين جان فريسنل، كما وصف انتشار الضوء مباشرة وفقا لنظرية الموجة. أشار فريسنل إلى أن موجات الضوء هي موجات عرضية، وقد قام بتوسيع المبدأ بالإشارة إلى أن انتشار الموجة الضوئية في نقطة ما يتراكب مع انتشار الموجات الثانوية في تلك النقطة، وذلك لأن الموجات الثانوية لها نفس تردد الموجة الأصلية. في وقت لاحق، اعتمد جوستاف كيرشهوف مبدأ هيجنز من معادلة ماكسويل.
الفرق بين الطبيعة الموجية والجسيمية للضوء
هناك وجهة نظر ترى أن الضوء يشبه الموجة في الطبيعة، وبالتالي ينتج طاقة تنتقل عبر الفضاء بطريقة مشابهة لتموجات الماء في بركة ثابتة بعد أن تزعجها سقوط صخرة. ومن الجهة الأخرى، يعتقد الرأي المقابل أن الضوء يتألف من تيار متواصل من الجزيئات، مثل قطرات الماء الصغيرة التي ترش عبر فوهة خرطوم الحديقة. وعلى مر العصور القليلة الماضية، تباينت الآراء، وظهرت وجهة نظر سائدة لفترة من الزمن. ومع ذلك، بعد العديد من الدراسات والتجارب العلمية، تبين أن كلا النظريتين صحيحتين، على الأقل جزئيا. وبالتالي، ينتشر الضوء المرئي كموجات، ومع ذلك، يتم امتصاص الطاقة التي تنقلها الأمواج في مواقع فردية بطريقة مشابهة لامتصاص الجسيمات. ويسمى الطاقة التي تمتصها الموجات الكهرومغناطيسية “الفوتون”، وتمثل كميات الضوء عند تحويل الموجة الضوئية وامتصاصها كفوتون. وعند ذلك، تنهار الطاقة الموجية فورا في مكان واحد، وهذا المكان يسمى “انهيار الدالة الموجية”. وتعرف طبيعة الضوء التي تشبه الموجة والجسيم بمصطلح “ثنائية الموجة والجسيم”، أي أن الضوء يتصرف كموجة وجسيم في نفس الوقت.