ضوء

يسمح الجسم الشفاف بمرور الضوء . في المقابل ، لا يسمح الجسم المعتم بمرور الضوء، بل يعكسه أو يمتصه . لا تعكس معظم الأجسام الضوء أو تنقله بشكل منتظم، بل تشتته إلى حد ما ، وهو ما يُعرف باللمعان . ينتج التشتت السطحي عن خشونة أسطح الانعكاس، بينما ينتج التشتت الداخلي عن اختلاف معامل الانكسار بين الجسيمات والوسط داخل الجسم. وكما هو الحال مع الأجسام الشفافة، تسمح الأجسام شبه الشفافة بمرور الضوء، ولكنها تشتت أيضًا أطوال موجية معينة من الضوء عبر التشتت الداخلي. ^{[ 23 ]}

الانكسار هو انحناء أشعة الضوء عند مرورها عبر سطح بين مادتين شفافتين. ويوصف بقانون سنيل .

$${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}}$$

حيث θ ₁ هي الزاوية بين الشعاع والعمودي على السطح في الوسط الأول، و θ ₂ هي الزاوية بين الشعاع والعمودي على السطح في الوسط الثاني، و n ₁ و n ₂ هما معامل الانكسار ، n = 1 في الفراغ و n > 1 في مادة شفافة .

عندما يعبر شعاع ضوئي الحد الفاصل بين الفراغ ووسط آخر، أو بين وسطين مختلفين، يتغير طول موجة الضوء، بينما يبقى تردده ثابتًا. إذا لم يكن الشعاع الضوئي متعامدًا (أو عموديًا) على الحد الفاصل، فإن تغير طول الموجة يؤدي إلى تغير في اتجاه الشعاع. يُعرف هذا التغير في الاتجاه بالانكسار .

تُستخدم خاصية انكسار الضوء في العدسات بشكل متكرر للتحكم في الضوء بهدف تغيير الحجم الظاهري للصور. وتُعدّ العدسات المكبرة والنظارات والعدسات اللاصقة والمجاهر والتلسكوبات الكاسرة أمثلة على هذا التحكم.

في القرن الخامس قبل الميلاد، افترض إمبيدوكليس أن كل شيء يتكون من أربعة عناصر : النار، والهواء، والأرض، والماء. واعتقد أن الإلهة أفروديت خلقت عين الإنسان من هذه العناصر الأربعة، وأنها أشعلت النار في العين التي أضاءت منها، مما أتاح الرؤية. وإذا صحّ هذا، لكان بإمكان المرء أن يرى ليلاً كما يرى نهاراً، لذا افترض إمبيدوكليس وجود تفاعل بين أشعة العين وأشعة مصدر كالشمس. ^{[ 35 ]}

في حوالي عام 300 قبل الميلاد، كتب إقليدس كتاب "البصريات" ، الذي درس فيه خصائص الضوء. افترض إقليدس أن الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة، ووصف قوانين الانعكاس ودرسها رياضياً. وتساءل عن كون الرؤية ناتجة عن شعاع ضوئي من العين، إذ تساءل كيف يمكن للمرء أن يرى النجوم فوراً إذا أغمض عينيه ثم فتحهما ليلاً. إذا كان الشعاع الضوئي من العين ينتقل بسرعة لا نهائية، فلن يكون هذا إشكالاً. ^{[ 36 ]}

في عام 55 قبل الميلاد، كتب لوكريتيوس ، وهو رومانيٌّ واصل أفكار علماء الذرة اليونانيين السابقين ، أن "ضوء الشمس وحرارتها يتكونان من ذرات دقيقة، عندما تُدفع، تنطلق فورًا عبر الفراغات الهوائية في الاتجاه الذي حددته قوة الدفع." (من كتابه "في طبيعة الكون "). ورغم تشابه آراء لوكريتيوس مع نظريات الجسيمات اللاحقة، إلا أنها لم تلقَ قبولًا عامًا. وقد كتب بطليموس (حوالي القرن الثاني الميلادي) عن انكسار الضوء في كتابه "البصريات" . ^{[ 37 ]}

في الهند القديمة ، طوّرت مدرستا سامخيا وفايشيشيكا الهندوسيتان ، منذ القرون الأولى الميلادية، نظرياتٍ حول الضوء. ووفقًا لمدرسة سامخيا، يُعدّ الضوء أحد العناصر الخمسة الأساسية "اللطيفة" ( تانماترا ) التي تنبثق منها العناصر المادية. ولم يُذكر تحديدًا عدد ذرات هذه العناصر، ويبدو أنها اعتُبرت متصلة. ^{[ 38 ]} ويشير كتاب فيشنو بورانا إلى ضوء الشمس باسم "أشعة الشمس السبعة". ^{[ 38 ]}

طوّر البوذيون الهنود ، مثل ديغناغا في القرن الخامس ودارماكيرتي في القرن السابع، نوعًا من الذرية، وهي فلسفة ترى أن الواقع يتكون من كيانات ذرية عبارة عن ومضات لحظية من الضوء أو الطاقة. وقد اعتبروا الضوء كيانًا ذريًا مكافئًا للطاقة. ^{[ 38 ]}

اعتبر رينيه ديكارت (1596-1650) أن الضوء خاصية ميكانيكية للجسم المضيء، رافضًا "المُثُل" لابن الهيثم وويتيلو، وكذلك "الأنواع" لروجر بيكون وروبرت غروسيتيست ويوهانس كيبلر . ^{[ 39 ]} في عام 1637، نشر نظرية انكسار الضوء التي افترضت، خطأً، أن الضوء ينتقل بسرعة أكبر في وسط أكثر كثافة منه في وسط أقل كثافة. توصل ديكارت إلى هذه النتيجة بالقياس على سلوك الموجات الصوتية. مع أن ديكارت أخطأ في تحديد السرعات النسبية، إلا أنه كان مصيبًا في افتراضه أن الضوء يتصرف كموجة، وفي استنتاجه أن الانكسار يُمكن تفسيره بسرعة الضوء في الأوساط المختلفة.

لم يكن ديكارت أول من استخدم التشبيهات الميكانيكية، ولكن لأنه يؤكد بوضوح أن الضوء ليس سوى خاصية ميكانيكية للجسم المضيء والوسط الناقل، فإن نظرية ديكارت عن الضوء تعتبر بداية علم البصريات الفيزيائية الحديث. ^{[ 39 ]}

اقترح بيير غاسيندي (1592-1655)، وهو عالم ذري، نظرية الجسيمات للضوء، والتي نُشرت بعد وفاته في ستينيات القرن السابع عشر. درس إسحاق نيوتن أعمال غاسيندي في سن مبكرة، وفضّل وجهة نظره على نظرية ديكارت عن الامتلاء . وذكر في فرضيته عن الضوء عام 1675 أن الضوء يتكون من جسيمات (جسيمات من المادة) تنبعث في جميع الاتجاهات من مصدر. ومن حجج نيوتن ضد الطبيعة الموجية للضوء أن الموجات معروفة بانحناءها حول العوائق، بينما يسير الضوء في خطوط مستقيمة فقط. ومع ذلك، فقد فسّر ظاهرة حيود الضوء (التي لاحظها فرانشيسكو غريمالدي ) بالسماح بأن جسيم الضوء يمكن أن يُحدث موجة موضعية في الأثير .

كان من الممكن استخدام نظرية نيوتن للتنبؤ بانعكاس الضوء، لكنها لم تستطع تفسير الانكسار إلا بافتراض خاطئ مفاده أن الضوء يتسارع عند دخوله وسطًا أكثر كثافة بسبب قوة الجاذبية الأكبر. نشر نيوتن النسخة النهائية من نظريته في كتابه "البصريات " عام ١٧٠٤. ساهمت شهرته في انتشار نظرية الجسيمات الضوئية خلال القرن الثامن عشر. دفعت هذه النظرية بيير سيمون لابلاس إلى القول بأن جسمًا ما قد يكون ضخمًا لدرجة أن الضوء لا يستطيع الإفلات منه، أي أنه سيتحول إلى ما يُعرف اليوم بالثقب الأسود . تراجع لابلاس عن اقتراحه لاحقًا، بعد أن ترسخت نظرية الموجات الضوئية كنموذج للضوء (كما سبق توضيحه، لا نظرية الجسيمات ولا نظرية الموجات الضوئية صحيحة تمامًا). نُشرت ترجمة لمقال نيوتن عن الضوء في كتاب " البنية واسعة النطاق للزمكان" لستيفن هوكينج وجورج إف آر إليس .

في عام 1810، قدّم نيوتن تفسيراً نوعياً لظاهرة استقطاب الضوء باستخدام نظرية الجسيمات. 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.

لتفسير أصل الألوان ، وضع روبرت هوك (1635-1703) "نظرية النبض" وقارن انتشار الضوء بانتشار الأمواج في الماء في كتابه " ميكروغرافيا " (الملاحظة التاسعة) عام 1665. وفي عام 1672، اقترح هوك أن اهتزازات الضوء قد تكون عمودية على اتجاه انتشاره. وفي عام 1678، وضع كريستيان هويغنز (1629-1695) نظرية موجية رياضية للضوء، ونشرها في كتابه " رسالة في الضوء" عام 1690. واقترح أن الضوء ينبعث في جميع الاتجاهات كسلسلة من الموجات في وسط يُسمى الأثير المضيء . ولأن الموجات لا تتأثر بالجاذبية، فقد افترض أنها تتباطأ عند دخولها وسطًا أكثر كثافة. ^{[ 40 ]} وكان ليونارد أويلر من المؤيدين الآخرين للنظرية الموجية ، حيث جادل في كتابه "نظرية جديدة للضوء والألوان " (1746) بأن الانعراج يمكن تفسيره بسهولة أكبر من خلال النظرية الموجية.

تنبأت نظرية الموجات بأن موجات الضوء يمكن أن تتداخل مع بعضها البعض مثل موجات الصوت (كما لاحظ توماس يونغ حوالي عام 1800 ). وقد أثبت يونغ، من خلال العديد من تجارب الحيود، أن الضوء يتصرف كموجات. ^{[ 42 ] : 101} وقد أعلن لأول مرة "قانونه العام" للتداخل علنًا في يناير 1802، في كتابه " مقرر دورة محاضرات في الفلسفة الطبيعية والتجريبية" : ^{[ 43 ]}

لكن القانون العام الذي تحكم كل هذه المظاهر يمكن استنتاجه بسهولة بالغة من تداخل موجتين متزامنتين، إما أن تتعاونا أو تدمرا بعضهما البعض، بنفس الطريقة التي تنتج بها نغمتان موسيقيتان توترًا وهبوطًا متبادلين، في دقات لحن غير متناغم تمامًا. ^{[ 44 ]}

كما اقترح أن الألوان المختلفة ناتجة عن أطوال موجية مختلفة للضوء، وشرح رؤية الألوان من حيث وجود مستقبلات ثلاثية الألوان في العين.

في عام 1816، طرح أندريه ماري أمبير فكرة على أوغستين جان فرينل مفادها أن استقطاب الضوء يمكن تفسيره بنظرية الموجات إذا كان الضوء موجة مستعرضة . ^{[ 45 ]} لاحقًا، وضع فرينل بشكل مستقل نظريته الخاصة عن موجات الضوء، وقدمها إلى أكاديمية العلوم عام 1817. طعن سيميون دينيس بواسون في نموذج فرينل، مدعيًا أنه يتنبأ بظهور بقعة مضيئة في الظل خلف عائق دائري، وهو ما يتعارض مع المنطق. أجرى دومينيك فرانسوا جان أراغو تجربة أظهرت البقعة المضيئة ، فأصبح طعن بواسون دليلًا جديدًا على صحة نظرية الموجات. ^{[ 42 ] : 109} في عام 1818، كتب يونغ إلى أراغو مقترحًا أن الضوء يجب أن يكون موجات مستعرضة، وليس موجات طولية مميزة للصوت. تبنى فرينل الفكرة، وتمكن من إثبات، عبر الأساليب الرياضية، أن الاستقطاب يمكن تفسيره بنظرية الموجات المستعرضة للضوء دون وجود اهتزاز طولي. ^{[ 42 ] : 115}

كان ضعف نظرية الموجات يكمن في أن الموجات الضوئية، مثل الموجات الصوتية، تحتاج إلى وسط لنقلها. وقد أُثيرت شكوك قوية حول وجود مادة الأثير المضيء المفترضة التي اقترحها هيغنز عام 1678 في أواخر القرن التاسع عشر من خلال تجربة ميكلسون-مورلي .

أشارت نظرية نيوتن الجسيمية إلى أن الضوء ينتقل بسرعة أكبر في وسط أكثر كثافة، بينما أشارت نظرية الموجة لهويجنز وآخرين إلى عكس ذلك. في ذلك الوقت، لم يكن بالإمكان قياس سرعة الضوء بدقة كافية لتحديد النظرية الصحيحة. وكان ليون فوكو أول من أجرى قياسًا دقيقًا بما يكفي ، عام 1850. ^{[ 46 ]} دعمت نتائجه نظرية الموجة، وتم التخلي نهائيًا عن نظرية الجسيمات الكلاسيكية (لتظهر جزئيًا في القرن العشرين كفوتونات في نظرية الكم ).

في عام 1845، اكتشف مايكل فاراداي أن مستوى استقطاب الضوء المستقطب خطيًا يدور عندما تسير أشعة الضوء على طول اتجاه المجال المغناطيسي في وجود مادة عازلة شفافة ، وهو تأثير يُعرف الآن بدوران فاراداي . ^{[ 47 ]} كان هذا أول دليل على وجود علاقة بين الضوء والكهرومغناطيسية . في عام 1846، افترض أن الضوء قد يكون نوعًا من الاضطراب ينتشر على طول خطوط المجال المغناطيسي. ^{[ 47 ]} اقترح فاراداي في عام 1847 أن الضوء عبارة عن اهتزاز كهرومغناطيسي عالي التردد، يمكنه الانتشار حتى في غياب وسط مثل الأثير. ^{[ 48 ]}

ألهم عمل فاراداي جيمس كلارك ماكسويل لدراسة الإشعاع الكهرومغناطيسي والضوء. اكتشف ماكسويل أن الموجات الكهرومغناطيسية ذاتية الانتشار تنتقل عبر الفضاء بسرعة ثابتة، تصادف أنها تساوي سرعة الضوء المقاسة سابقًا. ومن هذا، استنتج ماكسويل أن الضوء شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي؛ وقد ذكر هذه النتيجة لأول مرة عام 1862 في كتابه " حول خطوط القوة الفيزيائية" . وفي عام 1873، نشر "رسالة في الكهرباء والمغناطيسية" ، التي تضمنت وصفًا رياضيًا كاملًا لسلوك المجالات الكهربائية والمغناطيسية، والمعروفة حتى الآن بمعادلات ماكسويل . بعد ذلك بوقت قصير، أكد هاينريش هيرتز نظرية ماكسويل تجريبيًا من خلال توليد موجات الراديو والكشف عنها في المختبر، وأثبت أن هذه الموجات تتصرف تمامًا مثل الضوء المرئي، حيث تُظهر خصائص مثل الانعكاس والانكسار والحيود والتداخل . أدت نظرية ماكسويل وتجارب هيرتز مباشرةً إلى تطوير الراديو والرادار والتلفزيون والتصوير الكهرومغناطيسي والاتصالات اللاسلكية الحديثة.

في نظرية الكم، تُعتبر الفوتونات حزمًا موجية من الموجات الموصوفة في نظرية ماكسويل الكلاسيكية. وقد دعت الحاجة إلى نظرية الكم لتفسير ظواهر حتى مع الضوء المرئي لم تستطع نظرية ماكسويل الكلاسيكية تفسيرها (مثل الخطوط الطيفية ).

في عام 1900، اقترح ماكس بلانك ، في محاولته لتفسير إشعاع الجسم الأسود ، أنه على الرغم من أن الضوء موجة، إلا أن هذه الموجات لا يمكنها اكتساب أو فقدان الطاقة إلا بكميات محدودة تتناسب مع ترددها. أطلق بلانك على هذه "الكتل" من طاقة الضوء اسم " الكمات " (من كلمة لاتينية تعني "كمية"). في عام 1905، استخدم ألبرت أينشتاين فكرة الكمات الضوئية لتفسير التأثير الكهروضوئي ، واقترح أن هذه الكمات الضوئية لها وجود "حقيقي". في عام 1923، أثبت آرثر هولي كومبتون أن انزياح الطول الموجي الذي يُلاحظ عند تشتت الأشعة السينية منخفضة الشدة من الإلكترونات (ما يُعرف بتشتت كومبتون ) يمكن تفسيره بنظرية الجسيمات للأشعة السينية، وليس بنظرية الموجات. في عام 1926، أطلق جيلبرت ن. لويس على هذه الكمات الضوئية اسم الفوتونات . ^{[ 49 ]}

في نهاية المطاف، صوّرت ميكانيكا الكم الضوء على أنه (بمعنى ما) جسيم وموجة في آنٍ واحد ، و(بمعنى آخر) ظاهرة ليست جسيمًا ولا موجة (فهي في الواقع ظواهر عيانية، مثل كرات البيسبول أو أمواج المحيط). وبدلاً من ذلك، يمكن وصف الضوء، في ظل بعض التقريبات، أحيانًا باستخدام رياضيات مناسبة لنوع معين من الاستعارات العيانية (الجسيمات)، وأحيانًا أخرى باستخدام استعارة عيانية أخرى (الأمواج).

كما هو الحال بالنسبة للموجات الراديوية والأشعة السينية المشاركة في تشتت كومبتون، لاحظ الفيزيائيون أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يميل إلى التصرف كموجة كلاسيكية عند الترددات المنخفضة، وكجسيم كلاسيكي عند الترددات العالية، ولكنه لا يفقد تمامًا خصائص أي منهما. أما الضوء المرئي، الذي يقع في منطقة وسطى من حيث التردد، فيمكن بسهولة إثبات في التجارب أنه قابل للوصف باستخدام نموذج الموجة أو الجسيم، أو أحيانًا كليهما.

في عامي 1924-1925، أثبت ساتيندرا ناث بوس أن الضوء يخضع لإحصاءات مختلفة عن تلك الخاصة بالجسيمات الكلاسيكية. وبالتعاون مع أينشتاين، عمموا هذه النتيجة لتشمل مجموعة كاملة من الجسيمات ذات اللف المغزلي الصحيح، والتي تُسمى البوزونات (نسبةً إلى بوس)، والتي تخضع لإحصاءات بوس-أينشتاين . الفوتون هو بوزون عديم الكتلة ذو لف مغزلي يساوي 1.

في عام 1927، قام بول ديراك بتكميم المجال الكهرومغناطيسي . وعمّم باسكوال جوردان وفلاديمير فوك هذه العملية لمعالجة الأنظمة متعددة الأجسام باعتبارها إثارات للحقول الكمومية، وهي عملية تُعرف خطأً بالتكميم الثاني . وفي نهاية أربعينيات القرن العشرين، طُوّرت نظرية كاملة للديناميكا الكهربائية الكمومية باستخدام الحقول الكمومية استنادًا إلى أعمال جوليان شوينجر ، وريتشارد فاينمان ، وفريمان دايسون ، وشينيتشيرو توموناغا .

في خمسينيات وستينيات القرن العشرين، طبّق كلٌّ من جون آر. كلاودر ، وجورج سودارشان ، وروي جيه. غلاوبر ، وليونارد ماندل ، نظرية الكم على المجال الكهرومغناطيسي بهدف فهمٍ أدقّ لعملية الكشف الضوئي وإحصاءات الضوء (انظر درجة التماسك ). وقد أدى ذلك إلى ظهور مفهوم الحالة المتماسكة ، الذي تناول الاختلافات بين ضوء الليزر، والضوء الحراري، والحالات المضغوطة غير المألوفة ، وغيرها، إذ بات من الواضح أن الضوء لا يمكن وصفه وصفًا كاملًا بمجرد الإشارة إلى المجالات الكهرومغناطيسية التي تصف الموجات في النموذج الكلاسيكي. وفي عام ١٩٧٧، برهن إتش. جيف كيمبل وزملاؤه على أن ذرةً واحدةً تُصدر فوتونًا واحدًا في كل مرة، ما شكّل دليلًا إضافيًا قويًا على أن الضوء يتكون من فوتونات. ثم اكتُشفت لاحقًا حالات كمومية غير معروفة سابقًا للضوء، ذات خصائص تختلف عن الحالات الكلاسيكية، مثل الضوء المضغوط .

أدى تطوير نبضات الليزر القصيرة وفائقة القصر -التي تم إنشاؤها بتقنيات تبديل Q وقفل الأنماط- إلى فتح المجال لدراسة ما أصبح يُعرف بالعمليات فائقة السرعة. وتم اكتشاف تطبيقات لها في أبحاث الحالة الصلبة (مثل مطيافية رامان )، ودُرست القوى الميكانيكية للضوء على المادة. وقد أدى ذلك إلى رفع وتحديد مواقع سحب الذرات، أو حتى عينات بيولوجية صغيرة، في مصيدة ضوئية أو ملاقط ضوئية باستخدام شعاع الليزر. وكان هذا، إلى جانب تبريد دوبلر وتبريد سيزيف ، التقنية الحاسمة اللازمة لتحقيق تكثيف بوز-أينشتاين الشهير .

ومن النتائج البارزة الأخرى إثبات التشابك الكمومي ، والنقل الكمومي عن بعد ، وبوابات المنطق الكمومي . وتحظى هذه الأخيرة باهتمام كبير في نظرية المعلومات الكمومية ، وهو موضوع نشأ جزئياً من البصريات الكمومية، وجزئياً من علوم الحاسوب النظرية .