قياس الضوء

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

Photometrie, sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae ، والمعروف باسم Photometria ، هو كتاب عن قياس الضوء من تأليف يوهان هاينريش لامبرت نُشر عام 1760. [ 1 ] وقد وضع نظامًا كاملاً للكميات والمبادئ الضوئية ؛ باستخدامها لقياس الخصائص البصرية للمواد، وتحديد جوانب الرؤية، وحساب الإضاءة.

محتوى

كُتب الكتاب باللاتينية ، وعنوانه كلمة ابتكرها لامبرت من اليونانية القديمة : φῶς, φωτος (تُنطق phôs ، photos ) وتعني الضوء، و μετρια (تُنطق metria ) وتعني القياس. وقد دخلت كلمة لامبرت إلى اللغات الأوروبية بصيغ مختلفة مثل photometry و photometrie و fotometria . كان كتاب Photometria أول عمل يُحدد بدقة معظم المفاهيم الأساسية في علم القياس الضوئي، ويُجمعها في نظام متماسك من الكميات الضوئية، ويُعرّف هذه الكميات بدقة كافية لصياغة المعادلات الرياضية، ويبني عليها نظامًا من المبادئ الضوئية. ولا تزال هذه المفاهيم والكميات والمبادئ مستخدمة حتى اليوم.

بدأ لامبرت بمسلمتين بسيطتين: ينتقل الضوء في خط مستقيم في وسط متجانس، والأشعة المتقاطعة لا تتفاعل. ومثل يوهانس كيبلر من قبله، أدرك أن "قوانين" القياس الضوئي ما هي إلا نتائج مباشرة لهذين الافتراضين. [ 2 ] وبهذه الطريقة ، أثبت علم القياس الضوئي (بدلاً من أن يفترض) أن

  1. تتناسب شدة الإضاءة عكسياً مع مربع المسافة من مصدر ضوئي نقطي،
  2. تتغير شدة الإضاءة على سطح ما تبعاً لجيب تمام زاوية السقوط المقاسة عمودياً على السطح، و
  3. يتلاشى الضوء بشكل أُسّي في وسط ماص.

بالإضافة إلى ذلك، افترض لامبرت وجود سطح يُصدر الضوء (سواءً كمصدر أو عن طريق الانعكاس) بطريقة تتناسب فيها كثافة الضوء المنبعث ( شدة الإضاءة ) مع جيب تمام الزاوية المقاسة من العمودي على السطح. في حالة السطح العاكس، يُفترض أن هذا النوع من الانبعاث هو الحال، بغض النظر عن اتجاه سقوط الضوء. تُعرف هذه الأسطح الآن باسم "الأسطح المشتتة تمامًا" أو "اللامبرتية". انظر: انعكاس لامبرتي ، باعث لامبرتي .

أثبت لامبرت هذه المبادئ بالطريقة الوحيدة المتاحة آنذاك: من خلال ابتكار ترتيبات بصرية بارعة في كثير من الأحيان، تجعل حقلين مضيئين متجاورين يبدوان متساويين في السطوع (وهو أمر لا يمكن تحديده إلا بالملاحظة البصرية) عندما يكون هناك اختلاف بين كميتين فيزيائيتين تُنتجان الحقلين بمقدار محدد (وهي أمور يمكن قياسها مباشرة، مثل الزاوية أو المسافة). وبهذه الطريقة، قام لامبرت بتحديد خصائص بصرية بحتة (مثل القدرة الضوئية ، والإضاءة، والشفافية ، والانعكاسية ) من خلال ربطها بمعايير فيزيائية (مثل المسافة، والزاوية، والقدرة الإشعاعية، واللون). يُعرف هذا اليوم باسم "القياس الضوئي البصري". كان لامبرت من أوائل من أرفقوا القياسات التجريبية بتقديرات للشكوك بناءً على نظرية الأخطاء وما حدده تجريبيًا على أنه حدود التقييم البصري. [ 3 ]

على الرغم من أن الباحثين السابقين [ 4 ] [ 5 ] قد أعلنوا عن قانوني القياس الضوئي الأول والثالث، إلا أن لامبرت وضع القانون الثاني وأضاف مفهوم الأسطح المشتتة تمامًا . والأهم من ذلك، كما أشار إرنست أندينغ في ترجمته الألمانية لكتاب "فوتومتريا" ، أن "لامبرت كان لديه أفكار أوضح بكثير حول القياس الضوئي" [ 6 ] ، وبناءً عليها أسس نظامًا متكاملًا للكميات الضوئية. واستنادًا إلى قوانين القياس الضوئي الثلاثة وفرضية الأسطح المشتتة تمامًا، طوّر كتاب "فوتومتريا" وأثبت ما يلي:

1. اختلافات ملحوظة بالكاد
في القسم الأول من كتاب "فوتومتريا" ، وضع لامبرت قوانين القياس الضوئي وبرهن عليها. وقد فعل ذلك باستخدام القياس الضوئي البصري، ولتحديد أوجه عدم اليقين التي ينطوي عليها، وصف حدوده التقريبية من خلال تحديد أصغر فرق في السطوع يمكن للجهاز البصري أن يميزه.
مثال على القياس الضوئي المرئي من برنامج فوتومتريا . تُنتج الشاشة العمودية حقل EFDC مُضاءً بشمعة واحدة، وحقل GFDB المجاور مُضاءً بشمعتين. تُغيّر المسافات بين الشمعتين حتى يتساوى السطوع على جانبي FD. ومن ثم، يُمكن تحديد القدرة الضوئية النسبية من المسافات بين الشمعتين.
2. انعكاسية ونفاذية الزجاج والمواد الشائعة الأخرى
باستخدام القياس الضوئي المرئي، عرض لامبرت نتائج العديد من القياسات التجريبية للانعكاس المرآوي والمنتشر، بالإضافة إلى نفاذية ألواح الزجاج والعدسات. ومن بين أكثر التجارب ابتكارًا التي أجراها تحديد انعكاس السطح الداخلي للوح زجاجي.
3. انتقال الإشعاع الضوئي بين الأسطح
بافتراض أسطح منتشرة وقوانين القياس الضوئي الثلاثة، استخدم لامبرت حساب التفاضل والتكامل لإيجاد انتقال الضوء بين أسطح ذات أحجام وأشكال واتجاهات مختلفة. وقد ابتكر مفهوم انتقال التدفق الضوئي لكل وحدة بين الأسطح، وفي كتابه "القياس الضوئي" (Photometria) بيّن الصيغة المغلقة للعديد من التكاملات الثنائية والثلاثية والرباعية، مما أدى إلى اشتقاق معادلات للعديد من الترتيبات الهندسية المختلفة للأسطح. تُعرف هذه الكميات الأساسية اليوم باسم عوامل الرؤية ، أو عوامل الشكل، أو عوامل التكوين، وتُستخدم في انتقال الحرارة الإشعاعي وفي رسومات الحاسوب .
4. السطوع وحجم البؤبؤ
قام لامبرت بقياس قطر بؤبؤ عينه بنفسه من خلال النظر إليه في المرآة. وقاس التغير في القطر عند النظر إلى جزء أكبر أو أصغر من لهب الشمعة. وتُعد هذه أول محاولة معروفة لقياس رد فعل بؤبؤ العين للضوء .
5. انكسار وامتصاص الغلاف الجوي
باستخدام قوانين قياس الضوء والكثير من الهندسة، قام لامبرت بحساب أوقات وأعماق الشفق.
6. القياس الضوئي الفلكي
بافتراض أن للكواكب أسطحًا عاكسة بشكل منتشر، حاول لامبرت تحديد مقدار انعكاسها، بالنظر إلى سطوعها النسبي ومسافتها المعروفة عن الشمس. بعد قرن من الزمان، درس زولنر علم قياس الضوء ، واستكمل ما بدأه لامبرت، وأسس بذلك مجال الفيزياء الفلكية. [ 7 ]
7. عرض توضيحي لخلط الألوان المضافة وقياس الألوان
كان لامبرت أول من سجل نتائج مزج الألوان المضافة . [ 8 ] من خلال النقل والانعكاس المتزامنين من لوح زجاجي، قام بتراكب صورتين مختلفتين من الورق الملون ولاحظ اللون المضاف الناتج.
8. حسابات الإضاءة الطبيعية
بافتراض أن السماء كانت قبة مضيئة، قام لامبرت بحساب الإضاءة الناتجة عن ضوء السقف من خلال نافذة، والضوء المحجوب والمنعكس بواسطة الجدران والفواصل.

المواضيع

كتاب لامبرت تجريبيٌّ في جوهره. فقد أجرى لامبرت التجارب الأربعين الموصوفة في كتابه "فوتومتريا" بين عامي 1755 و1760، بعد أن قرر تأليف أطروحةٍ في قياس الضوء. وشمل اهتمامه بجمع البيانات التجريبية مجالاتٍ عديدة: البصريات ، وقياس درجة الحرارة ، وقياس الإشعاع الحراري ، وقياس الرطوبة ، والمغناطيسية . هذا الاهتمام بالبيانات التجريبية وتحليلها، الذي يتجلى بوضوح في "فوتومتريا" ، موجودٌ أيضًا في مقالاتٍ وكتبٍ أخرى ألفها لامبرت. [ 9 ] ولأعماله في مجال البصريات، كانت المعدات محدودةً للغاية: بضع ألواحٍ زجاجية، وعدساتٍ محدبةٍ ومقعرة، ومرايا، وموشورات، وورقٍ وكرتون، وأصباغ، وشموع، ووسائل لقياس المسافات والزوايا.

كتاب لامبرت ذو طابع رياضي أيضًا. مع أنه كان يعلم أن الطبيعة الفيزيائية للضوء غير معروفة (إذ استغرق الأمر 150 عامًا قبل إثبات ازدواجية الموجة والجسيم)، إلا أنه كان على يقين من إمكانية قياس تفاعل الضوء مع المواد وتأثيره على الرؤية. لم تكن الرياضيات بالنسبة للامبرت ضرورية لهذا القياس فحسب، بل كانت أيضًا دليلًا قاطعًا على الدقة. استخدم الجبر الخطي والتفاضل والتكامل على نطاق واسع بثقة عملية نادرة في الأعمال البصرية في ذلك الوقت. [ 10 ] بناءً على ذلك، يُعد كتاب "فوتومتريا" بالتأكيد غير مألوف لأعمال منتصف القرن الثامن عشر.

الكتابة والنشر

بدأ لامبرت إجراء تجارب قياس الضوء عام ١٧٥٥، وبحلول أغسطس ١٧٥٧ كان لديه ما يكفي من المواد لبدء الكتابة. [ ١١ ] من المراجع الواردة في كتاب "فوتومتريا" وفهرس مكتبته التي بيعت في مزاد علني بعد وفاته، يتضح أن لامبرت استشار الأعمال البصرية لإسحاق نيوتن ، وبيير بوجيه ، وليونهارد أويلر ، وكريستيان هويغنز ، وروبرت سميث ، وأبراهام جوتلف كاستنر . [ ١٢ ] أنهى لامبرت كتاب "فوتومتريا" في أوغسبورغ في فبراير ١٧٦٠، وكان الكتاب متاحًا لدى المطبعة بحلول يونيو ١٧٦٠.

كانت ماريا ياكوبينا كليت (1709-1795) [ 13 ] مالكة دار نشر إيبرهارد كليت، إحدى أهم دور النشر البروتستانتية في أوغسبورغ . نشرت العديد من الكتب التقنية، [ 14 ] بما في ذلك كتاب لامبرت "فوتومتريا " ، وعشرة من مؤلفاته الأخرى. استعانت كليت بكريستوف بيتر ديتليفسن (1731-1774) لطباعة "فوتومتريا" . كانت طبعته الأولى والوحيدة محدودة، وفي غضون عشر سنوات أصبح من الصعب الحصول على نسخ منه. في دراسة جوزيف بريستلي لعلم البصريات عام 1772، يظهر كتاب "فوتومتريا لامبرت" ضمن قائمة الكتب التي لم يتم الحصول عليها بعد. يشير بريستلي تحديدًا إلى "فوتومتريا" ، مؤكدًا على أهميته وعدم إمكانية الحصول عليه. [ 15 ]

ظهرت ترجمة ألمانية مختصرة لكتاب Photometria في عام 1892، [ 6 ] وترجمة فرنسية في عام 1997، [ 16 ] وترجمة إنجليزية في عام 2000. [ 17 ]

التأثير اللاحق

قدّم كتاب "فوتومتريا" تطوراتٍ هامة، ولعلّ هذا هو السبب في استقباله بفتورٍ عام. كان السؤال البصري المحوري في منتصف القرن الثامن عشر: ما طبيعة الضوء ؟ لم يكن عمل لامبرت مرتبطًا بهذا الموضوع إطلاقًا، ولذا لم يحظَ كتاب "فوتومتريا" بتقييمٍ منهجي فوري، ولم يُدمج في التيار الرئيسي لعلم البصريات. ظهر أول تقييمٍ لكتاب "فوتومتريا" عام 1776 في الترجمة الألمانية التي قام بها جورج سيمون كلوغل لمسح بريستلي للبصريات عام 1772. [ 18 ] ثم ظهرت نسخةٌ مُنقّحة ومُفصّلة مع شروحٍ عام 1777. [ 19 ]

لم يُقيّم كتاب "فوتومتريا" ويُستخدَم بجدية إلا بعد قرابة قرن من نشره، عندما احتاج علم الفلك وتجارة إضاءة الغاز إلى قياس الضوء. [ 20 ] وبعد خمسين عامًا، اعتمد مجال هندسة الإضاءة نتائج لامبرت كأساس لحسابات الإضاءة التي رافقت التوسع الهائل في مجال الإضاءة في أوائل القرن العشرين. [ 21 ] وبعد خمسين عامًا أخرى، اعتمدت رسومات الحاسوب نتائج لامبرت كأساس لحسابات الإشعاعية اللازمة لإنتاج الرسومات المعمارية. كان لكتاب "فوتومتريا" تأثير كبير، وإن كان متأخرًا، على التكنولوجيا والتجارة بمجرد انطلاق الثورة الصناعية ، وهو السبب في كونه أحد الكتب المذكورة في كتاب "الطباعة وعقل الإنسان" .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ لامبرت، يوهان هاينريش، القياس الضوئي، sive de mensura et gradibus luminis، colorum et umbrae ، Augsburg: Eberhard Klett، 1760.
  2. ↑ ماخ، إي.، مبادئ البصريات الفيزيائية: معالجة تاريخية وفلسفية ، ترجمة جيه إس أندرسون وإيه إف إيه يونغ، داتون، نيويورك، 1926.
  3. ↑ شينين، أو بي، "عمل جيه إتش لامبرت حول الاحتمالات"، أرشيف تاريخ العلوم الدقيقة، المجلد 7، 1971، ص 244-256.
  4. ↑ Gal, O. and Chen-Morris, R., “The Archaeology of the Inverse Square Law,” History Science , Vol 43, Dec. 2005 pp. 391–414.
  5. ↑ أريوتي، بي إي وماركولونجو، إف جيه، "قانون الإضاءة قبل بوجيه (1720)"، حوليات العلوم ، المجلد 33، العدد 4، الصفحات 331-340.
  6. 1 2 أندينج، إي.، القياس الضوئي لامبرت ، رقم 31، 32، 33 من Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften ، Engelmann، Leipzig، 1892.
  7. ^ زولنر، JCF، Photometrische Unter suchungen mit Besonderer Rücksicht auf die Physische Beschaffenheit der Himmelskörper، لايبزيغ، 1865.
  8. ↑ رود أون، علم الألوان الحديث ، أبلتون، نيويورك، 1879، ص 109-139.
  9. ^ لامبرت، جيه إتش، Pyrometrie oder vom Maaße des Feuers und der Wärme ، برلين، 1779.
  10. ↑ بوخوالد، جيه زد، صعود نظرية الموجة للضوء ، شيكاغو، 1989، ص 3
  11. ^ بوب، ك.، “يوهان هاينريش لامبرتس موناتسبوخ،” Abhandlungen der Königlich Bayerischen Akademie der Wissenshaften، Mathematisch-physikalische Klasse، السابع والعشرون. الفرقة 6. ميونيخ، 1916.
  12. ↑ Verzeichniß der Bücher und Instrumente, welche der verstorbene Königl. تم بيع قبعة أوبر باورث والبروفيسور هير هاينريش لامبرت، وتم بيعها بالكامل. برلين، 1778 .
  13. ^ "كليت، ماريا جاكوبينا" . bach-digital.de .
  14. ↑ "دليل VD 18 للمطبوعات الألمانية في القرن الثامن عشر" . VD 18 .
  15. ↑ بريستلي، ج.، تاريخ وحالة الاكتشافات الحالية المتعلقة بالرؤية والضوء والألوان ، لندن، 1772
  16. ^ Boye، J.، J. Couty، and M. Saillard، Photométrie ou de la Mesure et de la Gradation de la lumière، des couleurs et de l'Ombre ، L'Harmattan، Paris، 1997.
  17. ↑ دي لورا، دي إل ، القياس الضوئي، أو، في قياس وتدرجات الضوء والألوان والظلال ، ترجمة من اللاتينية بقلم ديفيد إل. دي لورا. نيويورك، جمعية هندسة الإضاءة، 2001.
  18. ^ Klügel، GS، Geschichte und gegenwärtiger zustand der Optik nach der Englischen Priestelys Bearbeitet ، لايبسيغ، 1776، ص 312-327.
  19. ^ كارستن، WJG، Lehrbegrif der gesamten رياضيات؛ دير أشتي ثيل، Die Photometrie، غرايفسفالد، 1777.
  20. ↑ DiLaura, DL, “Light's Measure: A History of Industrial Photometry to 1909,” LEUKOS , Jan 2005, Vol 1, No. 3, pp. 75–149.
  21. ↑ ياماوتي، ز.، "دراسة إضافية للحساب الهندسي للإضاءة الناتجة عن الضوء من مصادر سطحية مضيئة ذات شكل بسيط"، أبحاث المختبر الكهروتقني ، رقم 194، طوكيو، 1927، رقم 1، ص 3.