النظرية الجسيمية للضوء

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

في علم البصريات ، تنص النظرية الجسيمية للضوء على أن الضوء يتكون من جسيمات صغيرة منفصلة تُسمى " جسيمات " (جسيمات صغيرة) تتحرك في خط مستقيم بسرعة محددة وتمتلك زخمًا (طاقة حركية) . وقد استند هذا المفهوم إلى وصف بديل للذرية في تلك الفترة.

وضع إسحاق نيوتن أسس هذه النظرية من خلال أعماله في علم البصريات. وكان هذا التصور المبكر لنظرية الجسيمات للضوء بمثابة مقدمة مبكرة للفهم الحديث للفوتون . هيمنت هذه النظرية على مفاهيم الضوء في القرن الثامن عشر، مُزيحةً نظريات الاهتزاز السائدة سابقًا، حيث كان يُنظر إلى الضوء على أنه "ضغط" الوسط بين المصدر والمستقبل، وهي نظرية دافع عنها رينيه ديكارت أولًا، ثم كريستيان هويغنز في شكل أكثر دقة . [ 1 ] ورغم صحة هذه النظرية جزئيًا، [ 2 ] لقدرتها على تفسير الانكسار والانعكاس والانتشار المستقيم ، وإلى حد أقل الحيود ، إلا أنها فقدت شعبيتها في أوائل القرن التاسع عشر، مع تراكم أدلة تجريبية جديدة لنظرية الموجة للضوء. [ 3 ] ويُعرف الفهم الحديث للضوء بمفهوم ازدواجية الموجة والجسيم .

النظرية الجسيمية للمادة

الفلسفة الميكانيكية

في أوائل القرن السابع عشر، بدأ فلاسفة الطبيعة بتطوير طرائق جديدة لفهم الطبيعة، لتحل تدريجيًا محل الأرسطية التي هيمنت على النظرية العلمية لقرون، وذلك خلال ما عُرف بالثورة العلمية . تبنى فلاسفة أوروبيون مختلفون ما عُرف بالفلسفة الميكانيكية في الفترة ما بين عامي 1610 و1650 تقريبًا، والتي وصفت الكون ومحتوياته كآلية واسعة النطاق، وهي فلسفة تُفسر أن الكون يتكون من المادة والحركة . [ 4 ] استندت هذه الفلسفة الميكانيكية إلى الأبيقورية ، وأعمال ليوكيبوس وتلميذه ديموقريطس ونظريتهما الذرية ، التي ترى أن كل شيء في الكون، بما في ذلك جسد الإنسان وعقله وروحه وحتى أفكاره، يتكون من ذرات ؛ وهي جسيمات صغيرة جدًا من المادة المتحركة. خلال أوائل القرن السابع عشر، طوّر غاسيندي ورينيه ديكارت وغيرهما من الذريين الجانب الذري من الفلسفة الميكانيكية بشكل كبير.

نظرية المادة الذرية لبيير غاسيندي

جوهر فلسفة بيير غاسيندي هو نظريته الذرية للمادة . في كتابه " سينتاغما فيلوسوفيكوم " (الرسالة الفلسفية)، الذي نُشر بعد وفاته عام 1658، حاول غاسيندي تفسير جوانب من المادة والظواهر الطبيعية للعالم من منظور الذرات والفراغ . وقد أخذ المذهب الذري الأبيقوري وعدّله ليتوافق مع اللاهوت المسيحي، مقترحًا أن الله خلق عددًا محدودًا من الذرات غير القابلة للتجزئة والمتحركة، وأن له علاقة إلهية مستمرة بالخلق (المادة). [ 4 ]

اعتقد غاسيندي أن الذرات تتحرك في فراغ، يُعرف تقليديًا بالفراغ ، وهو ما يتعارض مع الرؤية الأرسطية القائلة بأن الكون مصنوع بالكامل من المادة. كما أشار غاسيندي إلى أن المعلومات التي تجمعها الحواس البشرية لها شكل مادي، وخاصة في حالة الرؤية . [ 5 ]

تتشابه النظريات الجسيمية، أو الجسيمية ، مع نظريات الذرية، باستثناء أن الذرات في الذرية كانت تُفترض غير قابلة للتجزئة، بينما يمكن من حيث المبدأ تقسيم الجسيمات. الجسيمات عبارة عن جزيئات مفردة متناهية الصغر، لها شكل وحجم ولون وخصائص فيزيائية أخرى تُغير وظائفها وتأثيراتها في الظواهر في العلوم الميكانيكية والبيولوجية. وقد أدى هذا لاحقًا إلى الفكرة الحديثة القائلة بأن للمركبات خصائص ثانوية تختلف عن خصائص عناصرها. يؤكد غاسيندي أن الجسيمات هي جزيئات تحمل مواد أخرى، وهي من أنواع مختلفة. كما تُعد هذه الجسيمات انبعاثات من مصادر متنوعة مثل الأجرام الشمسية والحيوانات والنباتات. كان روبرت بويل من أشد المؤيدين للجسيمية، واستخدم هذه النظرية لتوضيح الفرق بين الفراغ والحجم الكامل ، بهدف دعم فلسفته الميكانيكية ونظريته الذرية بشكل عام. [ 5 ] بعد حوالي نصف قرن من غاسيندي، استخدم إسحاق نيوتن النظريات الجسيمية الموجودة لتطوير نظريته الجسيمية لفيزياء الضوء. [ 6 ]

نظرية نيوتن للضوء

انكبّ إسحاق نيوتن على دراسة علم البصريات طوال مسيرته البحثية، فأجرى تجارب متنوعة ووضع فرضيات لتفسير نتائجها. [ 7 ] وقد رفض نظرية ديكارت للضوء لأنه رفض فهم ديكارت للفضاء، المستمد منها. [ 8 ] ومع نشر كتابه "البصريات " عام 1704، [ 9 ] اتخذ نيوتن لأول مرة موقفًا واضحًا يدعم التفسير الجسيمي، مع أن مهمة تنظيم هذه النظرية ستقع على عاتق أتباعه. [ 10 ]

في طبعة عام 1718 من كتاب البصريات ، أضاف نيوتن عدة فرضيات غير مؤكدة حول طبيعة الضوء، مصاغة على شكل استفسارات. في الاستفسار رقم 16، تساءل عما إذا كانت الطريقة التي تُحدث بها حركة ارتعاش إصبع يضغط على قاع العين إحساسًا برؤية دوائر ملونة تُشبه كيفية تأثير الضوء على الشبكية، وما إذا كان استمرار الإحساس المُستحث بشكل مستقل لمدة ثانية تقريبًا يُشير إلى طبيعة اهتزازية للحركات في العين. في الاستفسار رقم 17، قارن نيوتن الاهتزازات بالموجات المنتشرة في دوائر متحدة المركز بعد إلقاء حجر في الماء، وبـ"الاهتزازات أو الارتعاشات التي يُحدثها القرع في الهواء". لذلك، اقترح أن أشعة الضوء ستُثير بالمثل موجات من الاهتزازات في وسط عاكس أو كاسر، والتي بدورها يُمكن أن تسبق أشعة الضوء وتُسرّعها وتُبطئها بالتناوب. ثم اقترح نيوتن في الاستفسارين 18 و19... 19 أن الضوء ينتشر عبر الفراغ من خلال " وسط أثيري " دقيق للغاية ، تمامًا كما كان يُعتقد أن الحرارة تنتشر.

على الرغم من أن الفرضيات السابقة تصف الجوانب الموجية للضوء، إلا أن نيوتن ظل يؤمن بخصائصه الجسيمية. في السؤال 28، تساءل: "أليست جميع الفرضيات التي تفترض أن الضوء يتكون من ضغط أو حركة تنتشر عبر وسط سائل خاطئة؟" لم يقتنع نيوتن بأن الحجج تفسر التعديلات الجديدة المقترحة على الأشعة، وأكد أن الضغط والحركة لا ينتشران عبر السوائل في خطوط مستقيمة متجاوزين العوائق كما تفعل أشعة الضوء. في السؤال 29، تساءل: "أليست أشعة الضوء أجسامًا صغيرة جدًا تنبعث من مواد لامعة؟ لأن هذه الأجسام ستمر عبر الأوساط المتجانسة في خطوط مستقيمة دون أن تنحني في الظل، وهذه هي طبيعة أشعة الضوء. كما أنها ستكون قادرة على امتلاك العديد من الخصائص، وستتمكن من الحفاظ على خصائصها دون تغيير عند مرورها عبر أوساط مختلفة، وهذا شرط آخر لأشعة الضوء." ربط نيوتن هذه الخصائص بالعديد من تأثيرات تفاعل أشعة الضوء مع المادة والفراغ. [ 11 ] [ 12 ]

كانت نظرية نيوتن الجسيمية بمثابة تطوير لرؤيته للواقع باعتباره تفاعلات بين نقاط مادية عبر قوى. لاحظ وصف ألبرت أينشتاين لمفهوم نيوتن للواقع الفيزيائي:

تتميز الحقيقة الفيزيائية عند نيوتن بمفاهيم المكان والزمان والنقطة المادية والقوة (التفاعل بين النقاط المادية ) . تُعتبر الأحداث الفيزيائية حركاتٍ وفقًا لقانون النقاط المادية في الفضاء. النقطة المادية هي الممثل الوحيد للواقع من حيث قابليتها للتغيير. من الواضح أن مفهوم النقطة المادية مستوحى من الأجسام المرئية ؛ حيث يُفهم هذا المفهوم على أنه قياس على الأجسام المتحركة، مع إغفال خصائص الامتداد والشكل والموقع المكاني وجميع صفاتها "الداخلية"، والاحتفاظ فقط بالقصور الذاتي والانتقال ، بالإضافة إلى مفهوم القوة . [ 13 ] [ 14 ]

الاستقطاب

في عام 1810، فسّر نيوتن لأول مرة، باستخدام نظرية الجسيمات، إمكانية استقطاب الضوء تفسيراً نوعياً. وفي العام نفسه، وضع إتيان لويس مالوس نظرية رياضية للجسيمات في الاستقطاب. وفي عام 1812، أثبت جان باتيست بيو أن هذه النظرية تفسر جميع ظواهر استقطاب الضوء المعروفة. آنذاك، اعتُبر الاستقطاب دليلاً على صحة نظرية الجسيمات. أما اليوم، فيُعتبر الاستقطاب خاصية من خواص الموجات، وقد يظهر فقط في الموجات المستعرضة ، بينما قد لا تكون الموجات الطولية مستقطبة.

نهاية النظرية الجسيمية

كان هيمنة الفلسفة الطبيعية النيوتونية في القرن الثامن عشر أحد العوامل الحاسمة التي ضمنت انتشار نظرية الجسيمات الضوئية. [ 15 ] فقد رأى النيوتونيون أن جسيمات الضوء عبارة عن مقذوفات تنتقل من المصدر إلى المستقبل بسرعة محددة. وفي هذا الوصف، يُعدّ انتشار الضوء بمثابة انتقال للمادة.

لكن مع مطلع القرن، وبدءًا من تجربة توماس يونغ ذات الشق المزدوج عام ١٨٠١، ظهرت أدلة أخرى، تمثلت في تجارب جديدة حول الحيود والتداخل والاستقطاب ، كشفت عن إشكاليات في النظرية. وتجسدت نظرية موجية جديدة للضوء، استنادًا إلى أعمال يونغ وأوغستين-جان فرينل وفرانسوا أراغو . [ ١٦ ]

ميكانيكا الكم

عادت فكرة الضوء كجسيم إلى الظهور في القرن العشرين مع ظهور التأثير الكهروضوئي . وفي عام 1905، شرح ألبرت أينشتاين هذا التأثير من خلال تقديم مفهوم كمات الضوء أو الفوتونات . وتُعتبر الجسيمات الكمومية ذات طبيعة مزدوجة موجية-جسيمية .

يرى بعض المؤلفين أن نظرية نيوتن للضوء، حيث تتفاعل الجسيمات مع الأثير المضيء ، قد أسست لنظرية الموجة الدليلية ، وهي إحدى تفسيرات ميكانيكا الكم . [ 12 ]

في نظرية المجال الكمومي ، يتم تفسير الفوتونات على أنها إثارات للمجال الكهرومغناطيسي باستخدام التكميم الثاني .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ باولو مانكوسو، "علم الصوتيات والبصريات"، في تاريخ كامبريدج للعلوم المجلد 3: العلوم الحديثة المبكرة، تحرير كاثرين بارك ولورين داستون (كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج، 2006)، 623-626.
  2. ↑ "مقدمة في مجهر التعبيرات الجزيئية: فيزياء الضوء واللون - الضوء: جسيم أم موجة؟" . micro.magnet.fsu.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17-11-2024 .
  3. ^ برات، جوزيف ؛ توروك، بيتر (2019). تصوير البصريات . مطبعة جامعة كامبريدج . ص 1 – 2. رقم ISBN  978-1-108-42808-8.
  4. 1 2 أوسلر، مارغريت ج. (2010). إعادة تشكيل العالم: الطبيعة، والله، والفهم البشري من العصور الوسطى إلى أوائل العصر الحديث في أوروبا . بالتيمور، ماريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة جامعة جونز هوبكنز. الصفحات 78-82 ، 84-86 . ISBN  978-0801896552.
  5. 1 2 plato.stanford.edu موسوعة ستانفورد للفلسفة: بيير غاسيندي. فيشر، سول. 2009.
  6. ↑ virginia.edu – ملاحظات محاضرة نظرية نيوتن للجسيمات الضوئية. ليندغرين، ريتشارد أ. أستاذ باحث في الفيزياء. جامعة فرجينيا، قسم الفيزياء.
  7. ↑ آلان إي. شابيرو، "بصريات نيوتن"، في كتاب أكسفورد لتاريخ الفيزياء، تحرير جيد زد. بوخوالد وروبرت فوكس (أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد، 2013).
  8. ↑ أوليفييه داريغول، تاريخ البصريات: من العصور اليونانية القديمة إلى القرن التاسع عشر، (أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد، 2012)، 80.
  9. ↑ السير إسحاق نيوتن. 1704. تم إصدار الكتاب الإلكتروني لمشروع غوتنبرغ في 23 أغسطس 2010.
  10. ↑ جيفري كانتور، البصريات بعد نيوتن: نظريات الضوء في بريطانيا وأيرلندا، 1704-1840 (مانشستر: مطبعة جامعة مانشستر، 1983)، 11-12، 24-26.
  11. ↑ نيوتن، السير إسحاق (1718). البصريات ... الطبعة الثانية، مع إضافات . دبليو. وجيه. إينيس. الصفحات 321-323 ، 336-349 . 
  12. 1 2 باتشياغالوبي، غيدو؛ فالنتيني، أنتوني (22-10-2009). نظرية الكم على مفترق الطرق: إعادة النظر في مؤتمر سولفاي لعام 1927. مطبعة جامعة كامبريدج. ص 31+33. ISBN  978-0-521-81421-8.
  13. ↑ تأثير ماكسويل على تطور مفهوم الواقع المادي (ترجمة سونيا بارغمان الإنجليزية لعام 1954)، تقدير من ألبرت أينشتاين، الصفحات 29-32، النظرية الديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي (1865)، جيمس كلارك ماكسويل، حرره توماس ف. تورانس (1982)؛ يوجين، أوريغون: دار نشر ويبف آند ستوك، 1996
  14. ↑ تأثير ماكسويل على تطور مفهوم الواقع المادي ، ألبرت أينشتاين، في جيمس كليرك ماكسويل: مجلد تذكاري 1831-1931 (كامبريدج، 1931)، الصفحات 66-73
  15. ↑ داريغول، تاريخ البصريات، 164-165.
  16. ↑ أسبكت، آلان (نوفمبر 2017). "من موجات هيغنز إلى فوتونات أينشتاين: ضوء غريب" . Comptes Rendus Physique . 18 ( 9-10 ): 498-503 . Bibcode : 2017CRPhy..18..498A . doi : 10.1016/j.crhy.2017.11.005 .