هل الضوء مادة ام موجة؟

Posted on by

يتصرف الضوء ايام الاثنين و الاربعاء و الجمعة كأنه مادة بينما يتصرف ايام الثلاثاء و الخميس و السبت وكأنه موجة. هذه العبارة لوليام براج الحاصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام  1915 تعبر عن حالة التخبط اللتي كانت تسود بين العلماء بشأن طبيعة الضوء: هل هو مادة ام موجة؟

اول من بحث  في ماهية الضوء كان نيوتن اللذي قال ان الضوء عبارة عن سيل من الجسيمات المادية الدقيقة و استطاع ان يفسر كل الظواهر الضوئية المعروفة وقتها بناء على هذا التصور. فالضوء ينعكس عند اصطدامه باسطح عاكسة بالظبط  كما ترتد كرة مطاطية مرنة عند ارتطامها بحائط. بل وحتى في حالة الأصطدام المائل  تكون زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس. وفسر نيوتن ظاهرة انكسار الضوء كالاتي: عند مرور الضوء بين وسطين مختلفين كالهواء و الماء يكون الضوء معرضا لقوي جذب الوسطين. فعندما يكون شعاع الضوء في الهواء يكون معرضا لقوي جذب جزيئات الهواء وعندما يكون في الماء يكون معرضا لجذب جزيئات الماء. وحيث ان الماء اثقل من الهواء فيكون جذب جزيئات الماء لجسيمات الضوء اقوي منه في حالة جذب جزيئات الهواء وبهذا تكون سرعة الضوء في الماء اعلى منها في الهواء. ولهذا يعاني الضوء من الانكسار عند مروره من الهواء للماء.

وكان العالم الهولندي هيجنز معاصرا لنيوتن ولكنه كان له رأي مخالف حول طبيعة الضوء. فالضوء كان بالنسبة له كما الصوت عبارة عن موجة. فالضوء ينعكس كما تنعكس موجات الصوت. وظاهرة صدي الصوت هي خير دليل على ذلك. وينكسر الضوء كما تنكسر الموجات. وفي حالة المرور بين الماء والهواء تكون سرعة الضوء في الماء اقل منها في الهواء ولهذا يتم الانكسار.

اذن كان المعيار الحاسم بين الرأيين هو سرعة الضوء في الماء. هل هو اقل في الماء منه في الهواء وفي هذه الحالة يكون الضوء عبارة عن موجة او العكس فيكون الضوء عبارة عن جسيمات مادية. ولم تكن التقنية في ذلك الزمان تسمح بقياس سرعة الضوء في الماء. فامن الفيزيائيون في هذا الوقت بما قاله نيوتن لان القائل هو العظيم نيوتن.

في بداية القرن التاسع عشر ظهر الطبييب والفيريائي وعالم المصريات توماس يونج اللذي قال ان هيجنز على حق وان نيوتن هو المخطئ. واستدل على هذا بظاهرة التداخل و اللتي لا تفسير لها الا بكون الضوء عبارة عن موجة. فما هي ظاهرة التداخل؟

يقول المثل الشعبي المصري زيادة النور نورين. ولكن في الفيزياء هذا ليس صحيحا بالضرورة. فقد يكون عندك ضوء و  تضيف له ضوءا اخر فتكون النتيجة هي الظلام! كيف هذا؟ ان الموجات حسب ماهو معروف تتكون من قمم و قيعان. فاذا تقابلت موجتان بحيث تطابقت القمم مع القمم والقيعان مع القيعان حصلنا على موجة اكبر ذات قمم اعلى و قيعان اعمق. اما اذا تقابلت الموجتان بحيث تقابلت قمة الموجة الاولي مع قاع الموجة الثانية والعكس صحيح  للاشت الموجتان بعضهما البعض ونشأ عن هذا ظلام. ولكن اكتشاف يونج قوبل باستخفاف واستمر هذا الوضع لمدة 25 سنة اخري حتى اتي الفرنسي فرسنل واللذي استطاع قياس سرعة الضوء في الماء وانه اقل منه في الهواء.

اذن الضوء عبارة عن موجة وسقطت نظرية نيوتن. ولكن ظهرت مشكلة اخري فعند مرور الضوء في ورق شفاف ذو صفات استقطابية فان الضوء يمر. فاذا وضعنا ورقة اخري مشابهة فوق الورقة الاولي فان الضوء لايزال  يمر و لاتوجد اي مشكلة. ولكن اذا ادرنا احدي الورقتين بزاوية مقدارها 90 درجة فان الضوء لن يمر. وحار الفيزيائيون في تفسير هذا. وبعد فترة  توصل فرسنل الى ان الضوء ليس كالصوت تماما. فموجات الصوت موجات طولية بينما موجات الضوء موجات عرضية. ولذلك فان مرت موجات الضوء من احدي الورقتين المستقطبتين فانها تمر في اتجاه معين. فاذا وضعنا الان ورقة جديدة في اتجاه مخالف. فان الموجات المارة من الورقة الاولي لن تستطيع المرور من الورقة الثانية

وكان العلماء سعيدون بهذا الوضع فقد استطاعوا تفسير كل الظواهر الضوئية باستثناء بعض الاشياء اللتي كانت تبدو  بسيطة وليست ذات شأن كبير. ولكن هذه الاشياء استعصت على التفسير. حتي اتي اينشتاين واتي بافكار جديدة كانت مفاجئة للجميع.  فعند سقوط اشعة ذات لون ازرق على اسطح معدنية غير مؤكسدة فان الكترونات تنبعث من هذه الاسطح. بينما الضوء الاحمر لا يستطيع عمل هذا مهما زدنا من تركيز الاشعاع الاحمر. وكان تفسير اينشتاين ان الضوء يتكون من جسيمات مادية دقيقة تسمي الفوتونات. وفوتونات الضوء الازرق ذات طاقة اعلي من فوتونات الضوء الاحمر ولذلك تستطيع فوتونات الضوء الازرق تحرير الالكترونات بينما لا تستطيع فوتونات اللون الاحمرعمل ذلك.

وقد حصل اينشتاين على جائزة نوبل على هذا الاكتشاف ولم يحصل عليها بسبب نظرية النسبية و اللتي لم يكن هناك اجماع بشأنها في هذه الفترة. وكان اينشتاين يتعجب من هذا ويقول كيف انه حصل على جائزة نوبل من اجل شئ تافه بينما الشئ العظيم اللذي استغرق منه مجهودا كبيرا لم يحصل بسببه على الجائزة.

والظاهرة السابقة  تفسر لماذا ان المذنبات عندما تقترب من الشمس يكون ذنبها متجها دائما بعيدا عن الشمس. فالذنب يتكون من اجسام دقيقة غبارية تؤثر عليها قوتان: قوة جذب الشمس وهي تجذبها نحو الشمس وقوة صدم الفوتونات و هي تبعدها عن الشمس. وفي حالة الاجسام الدقيقة تكون قوة صدم الفوتونات هي الاكبر ولذلك يتجه الذنب بعيدا عن الشمس.

لكن اكتشاف اينشتانين هذا زاد حالة البلبلة. هل الضوء مادة ام موجة؟ هنا ظهرت نظرية الكوانتم على الساحة و اللتي تقول ان للضوء طبيعة مزدوجة فهم يتصرف كموجة في الفراغ اما اذا اصطدم بجسم ما فانه يتصرف كجسيم مادي.

 

30 thoughts on “هل الضوء مادة ام موجة؟”

  1. أتعجب من الادعاء القائل بأن الضوء موجة فقط..الموجة عبارة عن شكل الحركة فهناك حركة دائرية وهناك حركة موجية الخ..لا تعارض بين كون الضوء يسير في شكل موجي وكونه جسيم مادي ..أما أن نقول أن الضوء يتصرف كموجة أحيانا وكجسيم أحيانا أخرى فلا أستسيغ هذا الكلام ولا أفهمه ..الضوء ماهيته جسيم مادي وحركته موجية ..ما الداعي للحيرة؟؟

    • المشكلة ان الضوء يتصرف احيانا كموجة وليس كجسيم مادي. وهنا اعطي تجربتين لا يمكن تفسيرهما الا بكون الضوء يتصرف كموجة.
      التجربة الاولي وهي تجربة التداخل. وفيها ان عندنا مصدر للفوتونات اي مصدر ضوئي. وامامه حاجز به فتحتان. وامام الحاجز حاجز اخر مسدود تماما. تتم التجربة كالاتي:
      1 نغلق فتحة من الفتحتين و ندع فتحة واحدة مفتوحة . ونشاهد تأثير الضوء على الحاجز المسدود. فنري ان هناك بقعة نور مضيئة على الحاجز الثاني في مقابل الفتحة تماما ثم تخفت شدة الضوء على الاجناب
      2 نغلق القتحة اللتي كانت مفتوحة ونفتح الفتحة اللتي كانت مغلقة. نشاهد نتيجة مشابهة للحالة الاولي. بقعة مضيئة متصلة. مركز النور يكون مقابل الفتحة المفتوحة وتخفت شدة الضوء على الاجناب
      3 الان نفتح الفتحتن معا في نفس الوقت. فلو كان الضوء جسيم مادي اذن لحصلنا على فوتونات اكثر لان الفتحتين مفتوحتان في نفس الوقت. ومعني هذا نحصل علي اضاءة اقوي من السابق. ولكن هذا لا يحدث. ما نراه هو فعلا بعض الاماكن تكون مضيئة اكثر من الحالتين 1 و 2 لكن بين هذه الاماكن مواضع اخرى مظلمة تماما. وهذا لايمكن تفسيره باعتبار ان الضوء جسيمات مادية لان الجسيمات المادية لا تلاشي بعضها البعض ولكنها هي الموجات اللتي تلاشي بعضها في بعض الاماكن وتقوي بعضها في اماكن اخري.

      التجربة الاخري الخاصة بالحيود. والحيود من خواص الموجات فقط وفيها يتم تسليط ضوء على حاجز دائري. وامام الحاجز الدائري حائط. ونراقب شكل الظل على الحائط. فنجد ان شكل الظل عبارة عن دائرة سوداء ولكن في مركزها نقطة صغيرة مضيئة. فاذا كان الضوء مادة فلا يمكن تفسير هذه النقطة المضيئة في المركز. ولكن اذا كان الضوء عبارة عن موجة فيمكن تفسير ذلك.

  2. افتراض ان الضوء ماهيته جسيم مادي وحركته موجية افتراض مكلف ويثير اسئلة اكثر ما يعطي اجوبة لانه يخالف نظريات فيزيائية اخري. فطبقا للقانون الاول لنيوتن ان كل الاجسام المادية اللتي لاتؤثر عليها قوة خارجية فيجب ان تتحرك في خط مستقيم او تبقى ثابتة بدون اي حركة. اذن جسيمات الضوء في الفراغ الكوني حيث لا توجد اي قوي يجب ان تأخد خط مستقيم وليس شكل حركة اهتزازية

  3. اتمني ان تكون فكرتي قد وضحت. واحب ان اضيف تعليق اخير. انه لا توجد حركة موجية لنقطة. النقطة ممكن ان تتحرك حركة اهتزازية. اما معني موجة فان هناك وسط او مجال ما يحتوي على عدد لا نهائي من النقاط وتتحرك هذه النقاط او تتغير قيمها بشكل اهتزازي. ولذلك فان كان هناك شعاع من الضوء ينطلق من نقطة ا نحو نقطة ب فالتصوران مرة اخري كالتالي:
    1 التصور المادي للضوء: هو ان جسيم مادي صغير او جسيمين او الف او مليون ينطلقون من النقطة ا نحو النقطة ب في خط مستقيم
    2 التصور الموجي: ان هناك بين النقطتين أ و ب مجال او وسط ما. ربما يكون غير مرئي ولكنه موجود ونقاطه هي اللتي تهتز او تتغير قيم معينة فيها بشكال اهتزازي

  4. حسنا الضوء عبارة عن عدد لا نهائي من النقاط (الجسيمات المادية)تتحرك بشكل موجي
    لكن..هل الضوء نفسه هو المسبب للحركة الموجية أي أنه هو الوسط المهتز أم هناك وسط آخر كالأثير مثلا ينقل جسيمات الضوء بطريقة موجية؟؟ وهل حسم العلم هذا الأمر..
    أما عن الحيود والتداخل فإنهما يحدثان في الموجات الصوتية مثلا وهي موجات مادية فلا تعارض

    • انت تسألين فعلا الاسئلة الصحيحة و المنطقية. فأول ما فكر العلماء فكان في فكرة ان الاثير هو الوسط المهتز. وهذه هي تدوينتي القادمة ان شاء الله واللتي ارجو ان تتابعينها. ولكن اينشتاين عندما اتي بنظرية النسبية الغي فكرة الاثير تماما. ولكن اسمحي لي ان اصحح بعض العبارات اللتي جاءت في تعليقك السابق:
      1(هل الضوء نفسه هو المسبب للحركة الموجية) الضوء ليس المسبب للحركة الموجية لكنه هو الموجة نفسها. اي ان هذه الموجة تشعر بها اعيننا على انها الضوء
      2 الموجة ليست بالضرورة حركة. فالموجات اللتي هي حركة تسمي الموجات الميكانيكية. لكن توجد موجات اخري غير الموجات الميكانيكية. ففي حالة الضوء مثلا الموجة هي عبارة تغيير في المجالين المناطيسي والكهربائي. وفكرة المجال ستكون احد تدويناتي التالية. اذا اعطاني الله العمر و القدرة
      3 كما انه لا توجد (الجسيمات المادية) في حالة الضوء بعد سقوط فكرة الاثير. فالوسط اللذي تنتشر فيه الموجة هو المكان نفسه. هذا بعد اعتماد فكرة المجال

      اجابة لسؤالك فنظرية الكم هي النظرية العلمية الاحدث و الاصح حتى الان اللتي تفسر الضوء بشكل كامل. وربما اتناولها في مرحلة لاحقة. ولكن هدفي في الحقيقة من هذه المرحلة من تدويناتي هو الوصول للنظرية النسبية. ولكني احاول الا تكون تدويناتي ككتاب اي لا تعتمد التدوينات علي بعضها البعض. ولكني احاول ان اجعلها اشبه بالمقالات. فكل تدوينة مستقلة بذاتها حتي يستطيع اي قارئ الدخول في اي لحظة الي مدونتي و متابعة ما اكتبه. ولذلك قد تلمس المدونة اكثر من ميدان فيزيائي في نفس الوقت وقد اسبق الاحداث احيانا حتى اعطي التدوينة صفة الاستقلالية. واشكرك على اسئلتك اللتي تساعدني على التأمل و جلاء افكاري

  6. أولاً أنا هاو لدي بعض الاسئلة :
    يرجى الاجابة ممن لديه الجواب العلمي ,
    ماهي العتمة ( الظلام ) ؟ وإن كان الضوء فوتونات فما هي ماهية العتمة ؟ وادا كانت إنارة الضوء في الليل تلغي العتمة , فهل من اختراع ( أو تجربة أجريت ) تمكن من إحلال العتمة – لا الظل – في ضوء النهار ؟

    • الظلام هو انعدام الضوء. وهو امر مستحيل فى الفيزياء . فالفوتونات موجودة فى كل مكان. والظلام بمعناه اللغوى نقوله عنما لا تستطيع اعيننا ان تدرك الفوتونات الموجودة. لان العين البشرية ليست كاملة او مثالية. وكثير من عيون الحيوانات افضل من العين البشرية. فالعين البشرية تستطيع ان ترى الفوتونات ذوات ترددات معينة فقط. لكن اذا كان للفوتونات ترددات مختلفة فالعين لا تراها. ولذلك نعمة كبيرة فلو كانت اعيننا تستطيع ان تري كل الفوتونات لما استطعنا ان ننام بالليل فكنا سنرى موجات التلفزيون والراديو والمحمول. فكل هذه الموجات هى ضوء. ولكنه ضوء من نوع لا تستطيع عيننا البشرية ان تراه

  9. قرأت في كتاب الصف الثالث علمي بان الضوء مزدوج من جسيمات و موجات بحيث يتصرف كجسيم احيانا وكموجات احيانا اخرى وهذا مقتبس من الكتاب “قبل بداية القرن التاسع عشر اعتبر الضوء على انه تيار من الجسيمات تنطلق من الجسم الى العين واعتبرت هذه نظرية نيوتن لطبيعية الضوء ومن هذه الفكرة فسرت ظواهر مثل الانعكاس و الانكسار”
    اذا في هذه الفقرة قال نيوتن بان الضوء جسيم
    وفي الفقرة التالية “في عام 1678 قام العالم الالماني هيجنز بوضع مبادئ حول الضوء بانه حركة موجية حيث من خلالها فسر الظواهر:الانعكاس و الانكسار و الحيود و التداخل و التشتت”
    وفي هذه الفقرة قال هيجنز بان الضوء امواج
    حسنا لنرى هذه الفقرة ” في عام 1801 قام العالم توماس يونج بتجربته الشهيرة ذات الشقين واثبت صحة النظرية الموجية للضوء من خلال ظاهرتي التداخل و الحيود اللتان حققتا في تجربته , ثم توالت تجارب علماء اخرين على الضوء مثل تجربة ان سرعة الضوء في السوائل اقل من سرعتها في الفراغ مما ازاح ان فكرة الضوء جسيمات ثم وضع ماكوسيل في عام 1873 تصوره لطبيعة الضوء في انه موجات كهرومغناطيسية وذات تردد عالي”
    السؤال: بما ان الضوء في حالته الموجية يفسر ظاهرة الانكسار و الانعكاس و ظواهر اخرى لا يفسرها في حالته المادية اذا لم لا يعتبر ان الضوء موجات طالما انه يفسر كل الظواهر بما فيها الانعكاس و الانكسار اللتين يفسرهما في حالته المادية ايضا..
    والسؤال الثاني : هل يمكن ان يعتبر الضوء مزدوج اي موجات و جسيمات في ان واحد؟
    (لانني غير مقتنعه بانه يمكن ان يكون جسيمات اذ ان الموجات اشمل ويحدث لها ما يحدث للجسيمات )
    ارجو ان تفيدونني بجواب شامل و مقنع
    وشكرا

    • الانعكاس و الانكسار هى خواص مشتركة بين الموجات و المادة. فكرة تنس تنعكس عند ارتطامها بحائط . والصوت ينعكس ونسمع صدي الصوت. وكذلك الانكسار. فقطعة نقود موجودة بداخل كوب ملئ بالماء يراها الانسان فى غير موضعها. كما ان صف من الجنود يسير فى خط مستقيم ينكسر عندما تتغير سرعته بان ينتقل من ارض اسفلتية الى ارض رملية.

      لكن هناك صفات خاصة بالموجات فقط كالتداخل. فالموجة تتكون من قمم وقيعان وقد تتداخل موجتات مع بعضهما بطريقة خاصة جدا قيقابل قاع الموجة الاولى قمة الموجة الثانى فتلاشى الموجتات بعضهما. بينما لا يمكن ان تلاشى مادة مادة اخرى. وهذا يحدث بالنسبة للضوء فشعاعى ضوء من فتحتين متجاورتين يتداخلان مع بعضهما ويلاشيان بعضهما فى اماكن يراها الانسان على حائط امام الفتحتين. حتى هنا لاتوجد اي مشكلة بالنسبة لك

      لكن هناك ظواهر اخرى خاصة بالمادة فقط وهى تظهر عند الضوء ايضا. وقال ذلك اينشتاين عندما اكتشف الظاهرة الكهروضوئية. حيث وجد اينشتاين ان الضوء الازرق قادر فقط على تحرير الالكترونات من سطح شريحة معدنية عند اصطدامه بها. فلو كان الضوء موجات فقط. لتمكنا مثلا عند رفع طاقة الضوء الاحمر مثلا برفع شدة تركيزه للوصول الى نفس النتيجة. لكن هذا لا يحدث. اذن تفسير ذلك بان الضوء ليس عبارة عن موجات لا شكل واضح لها. بل هى عبارة عن باقات طاقة او جسيمات مادية او فوتونات. وفى النهاية فان فوتون يصدم بالكترون . فاما انه يملك الطاقة اللازمة لتحريره من الصدمة الاولى او لا. واذا رفعنا شدة الضوء الاحمر اي اننا ازدنا عدد الفوتونات فلن يغير ذلك من الامر شئ لان كل فوتون مازال يحتوى على نفس الطاقة. مثال على ذلك. لو احتجنا مبلغ 1000 جنية فيمكننا عمل ذلك اكثر من طريقة. مثلا عن طريق توفير ورقتين نقديتين بقيمة 500 جنيه او بتوفير 1000 ورقة نقدية بقيمة جنية واحد. الضوء الازرق من النوع الاول و الضو الاحمر من النوع الثانى. وثمن تحرير الالكترون هو ثمنه هو 200جنيه مثلا. اي انه لا يقبل عند الاصدام به قيمة اقل من 200 جنية. فلو اصطدم به فوتونان احمران متتابعان فانه يتجاهلهما. اما اذا اصطدم به فوتون ازرق فهذه يدفعه لمغادرة مكانه.

      وهناك ظاهرة اخرى توضح ان للضوء طبيعة مزدوجة. فقد علمنا من قبل ان ظاهرة التداخل هى من خواص الموجات فقط. فالجسيمات المادية لا تتداخل فتلاشى بعضها. والضوء يتداخل ولكنه يفقد ايضا هذه الخاصية. عندما خلف الفتحتين المتجاورتين اللذين يخرج منهما الضوء وقبل الحائط اللذى يسقط فوقه الضوء عائق ما. فهنا يختفى نمط التداخل ويظهر عوضا عنه بقعتا ضوء غير متداخلتين

      النقطة الاخرى ا

  10. عايز أعرف أسم المادة العلمية
    للمادة الفسفورية المستخرجة من الضفضع
    وبالضافة بتستخدم فى أيه
    أهم حاجة الأسم العلمى لهذه المادة الفسفورية

    • جسيم هيجز عبارة عن بوزون. والمقابل للبوزونات هى الفرميونات. و الفرميونات هى اللتى محسوبة على المادة. بينما البوزونات محسوبه على القوى اللتى تربط المادة ببعضها. ولذلك لا تحسب البوزونات على المادة. وان كان الفارق فى فيزياء الكم غير قاطع تماما

  15. هل يمكنني تلاشي الموجات الكهرومغنطيسية بفعل موجات الصوت .. اود بحث مشروع التخرج يكون بدراسة مثل تلك الظواهر
    ومدى فاعليتها
    او بمعنى ادق .. نرى ان الموجات الفوق بنفسجية لو قابلت موجات تحت حمراء الأولى تلاشي الثانية
    تماما مابين الصوت والموجات الكهرومغناطيسية

    • لا لان الصوت موجات ميكانيكية و الاخرى موجات كهرومغناطيسية

    • نعم الضوء يتلاشى. لان خاصية التداخل تسمح بذلك. لكن ذلك يشترط تقابل موجتين ضؤيتين او اكثر بطريقة معينة بحيث تطابق قمم موجات القسم الاول قيعان موجات القسم الثانى والعكس صحيح.
      والضوء ينتشر فى الفراغ ويصل الى ابعد نقطة موجودة فيه حتى يقابل جسيم مادي يقوم بامتصاصه

  17. اشكرك علي الاجابة. هل معني ذلك انه اذا لم يقابل الضؤ جسيم مادي سيستمر الي ما لا نهاية ؟ و اذا استطعنا ان نجعله يدور في شكل دائرة بحيث يرجع الي نقطة بدايتة هل سيتلاشي

  18. Pingback: الغزالى و التحرر من سطوة ارسطو | روائع العلوم

  19. السلام عليكم استاذي الكريم
    اعذر بساطتي لدي سؤال قديم اتمنى أن تفيدني به :
    حين تصب الماء فانه سيزيح الهواء من الكأس
    فما الذي سيزيحه الضوء حين يتحرك ؟

  20. Pingback: قصة عدد أويلر e | روائع العلوم

Leave a Reply