ضوء

الفيزياء الحديثة
${\displaystyle {\hat {H}}|\psi _{n}(t)\rangle =i\hbar {\frac {d}{dt}}|\psi _{n}(t)\rangle }$ ${\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={\kappa }T_{\mu \nu }}$ معادلات المجال لشرودنجر وأينشتاين
المؤسسون ماكس بلانك ألبرت أينشتاين نيلز بور ماكس بورن فيرنر هايزنبيرج إروين شرودنغر باسكوال جوردان ولفجانج باولي بول ديراك إرنست رذرفورد لويس دي بروجلي ساتيندرا ناث بوس
المفاهيم الطوبولوجيا فضاء وقت طاقة موضوع عمل عشوائية معلومة إنتروبيا ضوء جسيم موجة
الفروع مُطبَّق تجريبي نظري رياضيات فلسفة الفيزياء ميكانيكا الكم نظرية المجال الكمي المعلومات الكمومية الحوسبة الكمومية الكهرومغناطيسية التفاعل الضعيف التفاعل الكهروضعيف تفاعل قوي الذري جسيم نووي Atomic, molecular, and optical Condensed matter Statistical Complex systems Non-linear dynamics Biophysics Neurophysics Plasma physics Special relativity General relativity Astrophysics Cosmology Theories of gravitation Quantum gravity Theory of everything
Scientists Witten Röntgen Becquerel Lorentz Planck Curie Wien Skłodowska-Curie Sommerfeld Rutherford Soddy Onnes Einstein Wilczek Born Weyl Bohr Kramers Schrödinger de Broglie Laue Bose Compton Pauli Walton Fermi van der Waals Heisenberg Dyson Zeeman Moseley Hilbert Gödel Jordan Dirac Wigner Hawking P. W. Anderson Lemaître Thomson Poincaré Wheeler Penrose Millikan Nambu von Neumann Higgs Hahn Feynman Yang Lee Lenard Salam 't Hooft Veltman Bell Gell-Mann J. J. Thomson Raman Bragg Bardeen Shockley Chadwick Lawrence Zeilinger Goudsmit Uhlenbeck
Categories Modern physics
v t e

الضوء أو الضوء المرئي أو الإشعاع المرئي هو إشعاع كهرومغناطيسي يمكن إدراكه بالعين البشرية . ^[1] يمتد الضوء المرئي عبر الطيف المرئي وعادةً ما يتم تعريفه على أنه يحتوي على أطوال موجية تتراوح بين 400-700 نانومتر (نانومتر)، وهو ما يتوافق مع ترددات تتراوح بين 750-420 تيراهرتز . يقع النطاق المرئي بجوار الأشعة تحت الحمراء (ذات الأطوال الموجية الأطول والترددات المنخفضة) والأشعة فوق البنفسجية (ذات الأطوال الموجية الأقصر والترددات الأعلى)، والتي تسمى مجتمعة الإشعاع الضوئي . ^{[2] [3]}

في الفيزياء ، قد يشير مصطلح "الضوء" على نطاق أوسع إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي لأي طول موجي، سواء كان مرئيًا أم لا. [ ^{4] [5]} وبهذا المعنى، فإن أشعة جاما والأشعة السينية والموجات الدقيقة والموجات الراديوية هي أيضًا ضوء. الخصائص الأساسية للضوء هي الكثافة واتجاه الانتشار وطيف التردد أو الطول الموجي والاستقطاب . سرعته في الفراغ ،299 792 458  م/ث ، هو أحد الثوابت الأساسية للطبيعة. ^[6] مثل جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي، ينتشر الضوء المرئي بواسطة جسيمات أولية عديمة الكتلة تسمى الفوتونات والتي تمثل كميات المجال الكهرومغناطيسي، ويمكن تحليلها على أنها موجات وجسيمات . دراسة الضوء، المعروفة باسم البصريات ، هي مجال بحثي مهم في الفيزياء الحديثة .

المصدر الرئيسي للضوء الطبيعي على الأرض هو الشمس . تاريخيًا، كانت النار مصدرًا مهمًا آخر للضوء بالنسبة للبشر ، بدءًا من نيران المخيمات القديمة وحتى مصابيح الكيروسين الحديثة . ومع تطور الأضواء الكهربائية وأنظمة الطاقة ، حلت الإضاءة الكهربائية محل ضوء النار بشكل فعال.

بشكل عام، يتم تصنيف الإشعاع الكهرومغناطيسي (EMR) حسب الطول الموجي إلى موجات الراديو والميكروويف والأشعة تحت الحمراء والطيف المرئي الذي ندركه على شكل ضوء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما . ويستثني مصطلح " إشعاع " المجالات الكهربائية الساكنة والمغناطيسية والقريبة .

يعتمد سلوك الإشعاع الكهرومغناطيسي على طوله الموجي. فالترددات الأعلى لها أطوال موجية أقصر والترددات المنخفضة لها أطوال موجية أطول. وعندما يتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي مع ذرات وجزيئات مفردة، فإن سلوكه يعتمد على كمية الطاقة لكل كمية تحملها.

تتكون الأشعة الكهرومغناطيسية في منطقة الضوء المرئي من كميات (تسمى الفوتونات ) الموجودة في الطرف السفلي من الطاقات القادرة على التسبب في إثارة إلكترونية داخل الجزيئات، مما يؤدي إلى تغييرات في الرابطة أو كيمياء الجزيء. في الطرف السفلي من طيف الضوء المرئي، تصبح الأشعة الكهرومغناطيسية غير مرئية للبشر (الأشعة تحت الحمراء) لأن فوتوناتها لم تعد تحتوي على طاقة فردية كافية للتسبب في تغيير جزيئي دائم (تغيير في التكوين) في جزيء الرؤية الشبكي في شبكية العين البشرية، وهو التغيير الذي يحفز الإحساس بالرؤية.

توجد حيوانات حساسة لأنواع مختلفة من الأشعة تحت الحمراء، ولكن ليس عن طريق الامتصاص الكمي. يعتمد استشعار الأشعة تحت الحمراء في الثعابين على نوع من التصوير الحراري الطبيعي ، حيث يتم رفع درجة حرارة الحزم الصغيرة من الماء الخلوي بواسطة الأشعة تحت الحمراء. يسبب الإشعاع الكهرومغناطيسي في هذا النطاق اهتزازات جزيئية وتأثيرات تسخين، وهذه هي الطريقة التي تكتشف بها هذه الحيوانات ذلك.

فوق نطاق الضوء المرئي، يصبح الضوء فوق البنفسجي غير مرئي للبشر، ويرجع ذلك في الغالب إلى امتصاصه بواسطة القرنية تحت 360 نانومتر والعدسة الداخلية تحت 400 نانومتر. علاوة على ذلك، لا تستطيع القضبان والمخاريط الموجودة في شبكية العين البشرية اكتشاف أطوال الموجات فوق البنفسجية القصيرة جدًا (أقل من 360 نانومتر ) وتتضرر في الواقع بسبب الأشعة فوق البنفسجية. العديد من الحيوانات ذات العيون التي لا تتطلب عدسات (مثل الحشرات والروبيان) قادرة على اكتشاف الأشعة فوق البنفسجية، من خلال آليات امتصاص الفوتونات الكمومية، بنفس الطريقة الكيميائية التي يكتشف بها البشر الضوء المرئي.

تُعرِّف مصادر مختلفة الضوء المرئي على أنه ضيق يصل إلى 420-680 نانومتر ^{[7] [8]} أو واسع يصل إلى 380-800 نانومتر. ^{[9] [10]} وفي ظل الظروف المعملية المثالية، يمكن للأشخاص رؤية الأشعة تحت الحمراء حتى 1050 نانومتر على الأقل؛ ^[11] وقد يرى الأطفال والشباب أطوال موجية فوق بنفسجية تصل إلى حوالي 310-313 نانومتر. ^{[12] [13] [14]}

يتأثر نمو النبات أيضًا بمجموعة ألوان الضوء، وهي عملية تُعرف باسم التكوين الضوئي .

تُعرف سرعة الضوء في الفراغ بأنها تساوي بالضبط 299792458  مترًا في الثانية (أي ما يعادل تقريبًا 186282 ميلًا في الثانية). وتنشأ القيمة الثابتة لسرعة الضوء بوحدات النظام الدولي للوحدات من حقيقة أن المتر يُعرَّف الآن من حيث سرعة الضوء. تتحرك جميع أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي بنفس السرعة بالضبط في الفراغ.

حاول العديد من الفيزيائيين قياس سرعة الضوء عبر التاريخ. حاول جاليليو قياس سرعة الضوء في القرن السابع عشر. أجرى أولي رومر ، وهو فيزيائي دنماركي، تجربة مبكرة لقياس سرعة الضوء في عام 1676. باستخدام التلسكوب ، لاحظ رومر حركات كوكب المشتري وأحد أقماره ، آيو . لاحظ التناقضات في الفترة الظاهرية لمدار آيو، وحسب أن الضوء يستغرق حوالي 22 دقيقة لعبور قطر مدار الأرض. ^[15] ومع ذلك، لم يكن حجمه معروفًا في ذلك الوقت. إذا كان رومر يعرف قطر مدار الأرض، لكان قد حسب سرعة227000000  متر / ثانية .

تم إجراء قياس آخر أكثر دقة لسرعة الضوء في أوروبا بواسطة هيبوليت فيزو في عام 1849. ^[16] وجه فيزو شعاعًا من الضوء إلى مرآة على بعد عدة كيلومترات. تم وضع عجلة مسننة دوارة في مسار شعاع الضوء أثناء انتقاله من المصدر إلى المرآة ثم العودة إلى أصله. وجد فيزو أنه بمعدل دوران معين، سيمر الشعاع عبر فجوة واحدة في العجلة في طريق الخروج والفجوة التالية في طريق العودة. بمعرفة المسافة إلى المرآة وعدد الأسنان الموجودة على العجلة ومعدل الدوران، كان فيزو قادرًا على حساب سرعة الضوء على النحو التالي:313000000 متر  / ثانية .

أجرى ليون فوكو تجربة باستخدام المرايا الدوارة للحصول على قيمة 298000000 م/ث ^[16] في عام 1862. أجرى ألبرت أ. ميشيلسون تجارب على سرعة الضوء من عام 1877 حتى وفاته في عام 1931. صقل أساليب فوكو في عام 1926 باستخدام المرايا الدوارة المحسنة لقياس الوقت الذي يستغرقه الضوء للقيام برحلة ذهابًا وإيابًا من جبل ويلسون إلى جبل سان أنطونيو في كاليفورنيا. أسفرت القياسات الدقيقة عن سرعة 299796000 م/ث. ^[17]

السرعة الفعالة للضوء في مختلف المواد الشفافة التي تحتوي على مادة عادية أقل من سرعتها في الفراغ. على سبيل المثال، تبلغ سرعة الضوء في الماء حوالي 3/4 سرعته في الفراغ.

قيل إن فريقين مستقلين من الفيزيائيين نجحا في إيقاف الضوء تمامًا عن طريق تمريره عبر مكثف بوز-أينشتاين لعنصر الروبيديوم ، فريق في جامعة هارفارد ومعهد رولاند للعلوم في كامبريدج، ماساتشوستس، والآخر في مركز هارفارد-سميثسونيان للفيزياء الفلكية ، أيضًا في كامبريدج. ^[18] ومع ذلك، فإن الوصف الشائع لـ "توقف" الضوء في هذه التجارب يشير فقط إلى تخزين الضوء في الحالات المثارة للذرات، ثم إعادة إصداره في وقت لاحق عشوائي، كما يتم تحفيزه بواسطة نبضة ليزر ثانية. خلال الوقت الذي "توقف فيه"، لم يعد ضوءًا.

تُعرف دراسة الضوء والتفاعل بين الضوء والمادة باسم علم البصريات . إن ملاحظة ودراسة الظواهر البصرية مثل قوس قزح والشفق القطبي توفر العديد من الأدلة حول طبيعة الضوء.

يسمح الجسم الشفاف للضوء بالانتقال أو المرور من خلاله. وعلى العكس من ذلك، لا يسمح الجسم المعتم للضوء بالانتقال من خلاله وبدلاً من ذلك يعكس أو يمتص الضوء الذي يتلقاه. لا تعكس معظم الأجسام الضوء أو تنقله بشكل مرآوي وتشتت إلى حد ما الضوء الوارد، وهو ما يسمى باللمعان . يحدث تشتت السطح بسبب خشونة سطح الأسطح العاكسة، ويحدث التشتت الداخلي بسبب اختلاف معامل الانكسار بين الجسيمات والوسط داخل الجسم. مثل الأجسام الشفافة، تسمح الأجسام الشفافة للضوء بالانتقال من خلالها، لكن الأجسام الشفافة تشتت أيضًا طولًا موجيًا معينًا من الضوء عبر التشتت الداخلي. ^[19]

الانكسار هو انحناء أشعة الضوء عند مرورها عبر سطح بين مادة شفافة وأخرى. يتم وصفه 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، وθ ₂ هي الزاوية بين الشعاع والعمودي على السطح في الوسط الثاني، وn ₁ وn ₂ هما معامل الانكسار ، n = 1 في الفراغ و n > 1 في مادة شفافة .

عندما يعبر شعاع الضوء الحد الفاصل بين الفراغ ووسط آخر، أو بين وسطين مختلفين، يتغير طول موجة الضوء، لكن التردد يظل ثابتًا. إذا لم يكن شعاع الضوء متعامدًا (أو بالأحرى عموديًا) على الحد الفاصل، فإن التغير في الطول الموجي يؤدي إلى تغير في اتجاه الشعاع. يُعرف هذا التغير في الاتجاه باسم الانكسار .

تُستخدم جودة الانكسار في العدسات بشكل متكرر للتلاعب بالضوء من أجل تغيير الحجم الظاهري للصور. ومن الأمثلة على هذا التلاعب العدسات المكبرة والنظارات والعدسات اللاصقة والمجاهر والتلسكوبات الانكسارية .

هناك العديد من مصادر الضوء. يصدر الجسم عند درجة حرارة معينة طيفًا مميزًا من إشعاع الجسم الأسود . المصدر الحراري البسيط هو ضوء الشمس ، الإشعاع المنبعث من الغلاف اللوني للشمس عند حوالي 6000  كلفن (5730  درجة مئوية ؛ 10340  درجة فهرنهايت ). يبلغ الإشعاع الشمسي ذروته في المنطقة المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي عند رسمه بوحدات الطول الموجي، ^[20] وحوالي 44٪ من الإشعاع الذي يصل إلى الأرض يكون مرئيًا. ^[21] مثال آخر هو المصابيح المتوهجة ، والتي تنبعث منها حوالي 10٪ فقط من طاقتها كضوء مرئي والباقي على شكل أشعة تحت الحمراء. مصدر الضوء الحراري الشائع في التاريخ هو الجسيمات الصلبة المتوهجة في اللهب ، ولكنها تنبعث أيضًا من معظم إشعاعها في الأشعة تحت الحمراء وجزء بسيط فقط في الطيف المرئي.

إن ذروة طيف الجسم الأسود توجد في الأشعة تحت الحمراء العميقة، عند طول موجي يبلغ حوالي 10 ميكرومتر ، وذلك للأجسام الباردة نسبيًا مثل البشر. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تتحول الذروة إلى أطوال موجية أقصر، فتنتج أولًا توهجًا أحمر، ثم توهجًا أبيض، وأخيرًا لونًا أبيض مزرقًا مع تحرك الذروة خارج الجزء المرئي من الطيف إلى الأشعة فوق البنفسجية. ويمكن رؤية هذه الألوان عند تسخين المعدن إلى درجة "السخونة الحمراء" أو "السخونة البيضاء". ولا يُرى الانبعاث الحراري الأزرق الأبيض غالبًا، إلا في النجوم (اللون الأزرق النقي الذي يُرى عادةً في لهب الغاز أو شعلة اللحام يرجع في الواقع إلى الانبعاث الجزيئي، ولا سيما من خلال جذور CH التي تنبعث منها نطاق طول موجي يبلغ حوالي 425 نانومتر ولا يُرى في النجوم أو الإشعاع الحراري النقي).

تصدر الذرات الضوء وتمتصه عند طاقات مميزة. وهذا ينتج " خطوط انبعاث " في طيف كل ذرة. يمكن أن يكون الانبعاث تلقائيًا ، كما هو الحال في الثنائيات الباعثة للضوء ، ومصابيح التفريغ الغازي (مثل مصابيح النيون ولافتات النيون ومصابيح بخار الزئبق ، وما إلى ذلك) واللهب (الضوء من الغاز الساخن نفسه - على سبيل المثال، يصدر الصوديوم في لهب الغاز ضوءًا أصفر مميزًا). يمكن أيضًا تحفيز الانبعاث ، كما هو الحال في الليزر أو الميزر الميكروويف .

يمكن أن يؤدي تباطؤ جسيم مشحون حر، مثل الإلكترون ، إلى إنتاج إشعاع مرئي: إشعاع السيكلوترون وإشعاع السنكروترون وإشعاع الكبح هي أمثلة على ذلك. يمكن للجسيمات التي تتحرك عبر وسط بسرعة أكبر من سرعة الضوء في ذلك الوسط أن تنتج إشعاع شيرينكوف المرئي . تنتج بعض المواد الكيميائية إشعاعًا مرئيًا عن طريق التلألؤ الكيميائي . في الكائنات الحية، تسمى هذه العملية التلألؤ الحيوي . على سبيل المثال، تنتج اليراعات الضوء بهذه الوسيلة ويمكن للقوارب التي تتحرك عبر الماء أن تزعج العوالق التي تنتج أعقابًا متوهجة.

تنتج بعض المواد الضوء عندما تتعرض لإشعاع أكثر نشاطًا، وهي العملية المعروفة باسم الفلورسنت . تصدر بعض المواد الضوء ببطء بعد إثارتها بإشعاع أكثر نشاطًا. وهذا ما يُعرف باسم الفسفورية . يمكن أيضًا إثارة المواد الفسفورية عن طريق قصفها بجسيمات دون ذرية. يعد التلألؤ الكاثودي أحد الأمثلة. تُستخدم هذه الآلية في أجهزة التلفزيون ذات أنبوب أشعة الكاثود وشاشات الكمبيوتر .

هناك آليات أخرى يمكن أن تنتج الضوء:

• التوهج الكهربائي
• الوميض
• التوهج الصوتي
• التليسكوب الضوئي

عندما يكون المقصود من مفهوم الضوء أن يشمل الفوتونات عالية الطاقة للغاية (أشعة جاما)، فإن آليات التوليد الإضافية تشمل:

• فناء الجسيمات والجسيمات المضادة
• التحلل الإشعاعي

يتم قياس الضوء بمجموعتين بديلتين رئيسيتين من الوحدات: تتكون القياسات الإشعاعية من قياسات قوة الضوء عند جميع الأطوال الموجية، بينما تقيس القياسات الضوئية الضوء بطول موجي مرجح بالنسبة لنموذج موحد لإدراك السطوع البشري. القياسات الضوئية مفيدة، على سبيل المثال، لتحديد كمية الإضاءة المخصصة للاستخدام البشري.

تختلف وحدات القياس الضوئي عن معظم أنظمة الوحدات الفيزيائية في أنها تأخذ في الاعتبار كيفية استجابة العين البشرية للضوء. تتكون الخلايا المخروطية في العين البشرية من ثلاثة أنواع تستجيب بشكل مختلف عبر الطيف المرئي وتبلغ ذروة الاستجابة التراكمية عند طول موجي يبلغ حوالي 555 نانومتر. لذلك، فإن مصدرين للضوء ينتجان نفس الكثافة (W/m ² ) من الضوء المرئي لا يبدوان بالضرورة متساويين في السطوع. تم تصميم وحدات القياس الضوئي لتأخذ هذا في الاعتبار وبالتالي فهي تمثل بشكل أفضل مدى "سطوع" الضوء الذي يبدو عليه من الكثافة الخام. وهي تتعلق بالطاقة الخام بكمية تسمى الكفاءة الضوئية وتستخدم لأغراض مثل تحديد أفضل طريقة لتحقيق إضاءة كافية لمختلف المهام في الأماكن الداخلية والخارجية. الإضاءة التي يتم قياسها بواسطة مستشعر الخلية الضوئية لا تتوافق بالضرورة مع ما تدركه العين البشرية وبدون مرشحات قد تكون مكلفة، تميل الخلايا الضوئية وأجهزة الشحنة المقترنة (CCD) إلى الاستجابة لبعض الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة فوق البنفسجية أو كليهما.

يمارس الضوء ضغطًا فيزيائيًا على الأشياء في مساره، وهي ظاهرة يمكن استنتاجها من خلال معادلات ماكسويل ، ولكن يمكن تفسيرها بسهولة أكبر من خلال الطبيعة الجسيمية للضوء: تضرب الفوتونات وتنقل زخمها. ضغط الضوء يساوي قوة شعاع الضوء مقسومة على c ، سرعة الضوء.  نظرًا لحجم c ، فإن تأثير ضغط الضوء يمكن إهماله بالنسبة للأشياء اليومية. على سبيل المثال، يمارس مؤشر ليزر  بقوة ميلي واط واحد قوة تبلغ حوالي 3.3 بيكون نيوتن على الجسم المضاء؛ وبالتالي، يمكن للمرء رفع بنس أمريكي باستخدام مؤشرات الليزر، ولكن القيام بذلك يتطلب حوالي 30 مليار مؤشر ليزر بقوة 1 ميلي واط. ^[22] ومع ذلك، في التطبيقات على نطاق النانو مثل الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS)، يكون تأثير ضغط الضوء أكثر أهمية واستغلال ضغط الضوء لتشغيل آليات NEMS وقلب المفاتيح الفيزيائية على نطاق النانو في الدوائر المتكاملة هو مجال بحثي نشط. ^[23] على نطاقات أكبر، يمكن للضغط الخفيف أن يتسبب في دوران الكويكبات بشكل أسرع، ^[24] مما يؤثر على أشكالها غير المنتظمة كما يحدث مع ريش طاحونة الهواء . كما أن إمكانية صنع أشرعة شمسية تعمل على تسريع المركبات الفضائية في الفضاء قيد التحقيق أيضًا. ^{[25] [26]}  

على الرغم من أن حركة مقياس إشعاع كروكس كانت تُعزى في الأصل إلى ضغط الضوء، إلا أن هذا التفسير غير صحيح؛ حيث إن دوران كروكس المميز هو نتيجة لفراغ جزئي. ^[27] لا ينبغي الخلط بين هذا ومقياس إشعاع نيكولز ، حيث أن الحركة (الطفيفة) الناجمة عن عزم الدوران (على الرغم من عدم كفاية الدوران الكامل ضد الاحتكاك) ناجمة مباشرة عن ضغط الضوء. ^[28] نتيجة لضغط الضوء، تنبأ أينشتاين في عام 1909 بوجود "احتكاك إشعاعي" من شأنه أن يعارض حركة المادة. ^[29] كتب، "سوف تمارس الإشعاعات ضغطًا على جانبي اللوحة. وتكون قوى الضغط المؤثرة على الجانبين متساوية إذا كانت اللوحة في حالة سكون. ومع ذلك، إذا كانت في حالة حركة، فسوف ينعكس المزيد من الإشعاع على السطح الذي أمامنا أثناء الحركة (السطح الأمامي) مقارنة بالسطح الخلفي. وبالتالي فإن قوة الضغط المؤثرة للخلف على السطح الأمامي أكبر من قوة الضغط المؤثرة على الظهر. وبالتالي، كنتيجة للقوتين، تظل هناك قوة تعاكس حركة اللوحة وتزداد مع سرعة اللوحة. سنسمي هذه النتيجة "احتكاك الإشعاع" باختصار."

عادةً ما يتماشى زخم الضوء مع اتجاه حركته. ومع ذلك، على سبيل المثال، في الموجات المتلاشية يكون الزخم عرضيًا لاتجاه الانتشار. ^[30]

في القرن الخامس قبل الميلاد، افترض إمبيدوكليس أن كل شيء يتكون من أربعة عناصر ؛ النار والهواء والأرض والماء. كان يعتقد أن الإلهة أفروديت خلقت العين البشرية من العناصر الأربعة وأنها أشعلت النار في العين التي تشرق من العين مما يجعل الرؤية ممكنة. إذا كان هذا صحيحًا، فيمكن للمرء أن يرى أثناء الليل تمامًا كما هو الحال أثناء النهار، لذلك افترض إمبيدوكليس وجود تفاعل بين الأشعة من العينين والأشعة من مصدر مثل الشمس. ^[31]

في حوالي عام 300 قبل الميلاد، كتب إقليدس كتابه البصريات ، والذي درس فيه خصائص الضوء. افترض إقليدس أن الضوء يسافر في خطوط مستقيمة ووصف قوانين الانعكاس ودرسها رياضيًا. تساءل عن أن البصر هو نتيجة لشعاع من العين، لأنه يسأل كيف يرى المرء النجوم على الفور، إذا أغمض عينيه ثم فتحهما في الليل. إذا كان الشعاع من العين يسافر بسرعة لا نهائية فهذه ليست مشكلة. ^[32]

في عام 55 قبل الميلاد، كتب لوكريتيوس ، وهو روماني واصل أفكار علماء الذرة اليونانيين الأوائل ، أن "ضوء الشمس وحرارتها؛ يتكونان من ذرات دقيقة، وعندما يتم دفعها بعيدًا، لا تضيع أي وقت في إطلاق النار عبر الفراغ الفاصل بين الهواء في الاتجاه الذي تمنحه الدفعة". (من كتاب عن طبيعة الكون ). وعلى الرغم من تشابهها مع نظريات الجسيمات اللاحقة، إلا أن آراء لوكريتيوس لم يتم قبولها بشكل عام. كتب بطليموس (حوالي القرن الثاني) عن انكسار الضوء في كتابه البصريات . ^[33]

في الهند القديمة ، طورت المدارس الهندوسية سامخيا وفايشيشيكا ، منذ حوالي القرون الأولى بعد الميلاد، نظريات حول الضوء. وفقًا لمدرسة سامخيا، فإن الضوء هو أحد العناصر الخمسة الأساسية "الدقيقة" ( تانماترا ) التي تنشأ منها العناصر الخام. لم يتم ذكر ذرية هذه العناصر على وجه التحديد ويبدو أنها كانت تعتبر متصلة بالفعل. ^[34] يشير فيشنو بورانا إلى ضوء الشمس باسم "أشعة الشمس السبعة". ^[34]

لقد طور البوذيون الهنود ، مثل ديجناجا في القرن الخامس ودارماكيرتي في القرن السابع، نوعًا من الذرية وهي فلسفة حول كون الواقع مكونًا من كيانات ذرية عبارة عن ومضات لحظية من الضوء أو الطاقة. لقد نظروا إلى الضوء باعتباره كيانًا ذريًا يعادل الطاقة. ^[34]

اعتقد رينيه ديكارت (1596-1650) أن الضوء خاصية ميكانيكية للجسم المضيء، رافضًا "أشكال" ابن الهيثم وويتلو وكذلك "أنواع" روجر بيكون وروبرت جروسيتيست ويوهانس كيبلر . ^[35] في عام 1637 نشر نظرية انكسار الضوء التي افترضت، بشكل غير صحيح، أن الضوء يسافر بشكل أسرع في وسط أكثر كثافة من وسط أقل كثافة. توصل ديكارت إلى هذا الاستنتاج عن طريق القياس على سلوك الموجات الصوتية. [ ^{بحاجة لمصدر ]} على الرغم من أن ديكارت كان مخطئًا بشأن السرعات النسبية، إلا أنه كان محقًا في افتراض أن الضوء يتصرف مثل الموجة وفي استنتاجه أن الانكسار يمكن تفسيره بسرعة الضوء في وسائط مختلفة.

لم يكن ديكارت أول من استخدم القياسات الميكانيكية، ولكن لأنه يؤكد بوضوح أن الضوء ما هو إلا خاصية ميكانيكية للجسم المضيء والوسط الناقل، فإن نظرية ديكارت للضوء تعتبر بداية علم البصريات الفيزيائية الحديثة. ^[35]

اقترح بيير جاسندي (1592-1655)، وهو عالم ذري، نظرية جسيمات الضوء التي نُشرت بعد وفاته في ستينيات القرن السابع عشر. درس إسحاق نيوتن عمل جاسندي في سن مبكرة وفضل وجهة نظره على نظرية ديكارت عن الفراغ الكامل . وذكر في فرضيته عن الضوء عام 1675 أن الضوء يتكون من جسيمات (جسيمات من المادة) تنبعث في جميع الاتجاهات من مصدر. كانت إحدى حجج نيوتن ضد الطبيعة الموجية للضوء هي أن الموجات من المعروف أنها تنحني حول العوائق، بينما يسافر الضوء في خطوط مستقيمة فقط. ومع ذلك، فقد شرح ظاهرة حيود الضوء (التي لاحظها فرانشيسكو جريمالدي ) من خلال السماح لجسيم الضوء بإنشاء موجة موضعية في الأثير .

يمكن استخدام نظرية نيوتن للتنبؤ بانعكاس الضوء، لكنها لا تستطيع تفسير الانكسار إلا من خلال افتراض خاطئ بأن الضوء يتسارع عند دخول وسط أكثر كثافة لأن قوة الجاذبية كانت أكبر. نشر نيوتن النسخة النهائية من نظريته في كتابه البصريات عام 1704. ساعدت سمعته نظرية الجسيمات للضوء على الهيمنة خلال القرن الثامن عشر. دفعت نظرية الجسيمات للضوء بيير سيمون لابلاس إلى القول بأن الجسم يمكن أن يكون ضخمًا لدرجة أن الضوء لا يستطيع الهروب منه. بعبارة أخرى، سيصبح ما يسمى الآن بالثقب الأسود . سحب لابلاس اقتراحه لاحقًا، بعد أن أصبحت نظرية الموجة للضوء راسخة كنموذج للضوء (كما تم شرحه، لا نظرية الجسيمات أو الموجة صحيحة تمامًا). تظهر ترجمة لمقال نيوتن عن الضوء في البنية واسعة النطاق للزمكان ، بقلم ستيفن هوكينج وجورج إف آر إليس .

لقد تم تفسير حقيقة أن الضوء يمكن استقطابه لأول مرة من قبل نيوتن بشكل نوعي باستخدام نظرية الجسيمات. في عام 1810، وضع إتيان لويس مالوس نظرية رياضية للجسيمات للاستقطاب. في عام 1812، أظهر جان بابتيست بيو أن هذه النظرية تفسر جميع الظواهر المعروفة لاستقطاب الضوء. في ذلك الوقت، كان الاستقطاب يعتبر دليلاً على نظرية الجسيمات.

لشرح أصل الألوان ، طور روبرت هوك (1635-1703) "نظرية النبضة" وقارن انتشار الضوء بانتشار الموجات في الماء في عمله ميكروجرافيا ("الملاحظة التاسعة" عام 1665). في عام 1672 اقترح هوك أن اهتزازات الضوء يمكن أن تكون عمودية على اتجاه الانتشار. وضع كريستيان هويجنز (1629-1695) نظرية موجية رياضية للضوء في عام 1678 ونشرها في أطروحته عن الضوء عام 1690. اقترح أن الضوء ينبعث في جميع الاتجاهات كسلسلة من الموجات في وسط يسمى الأثير المضيء . نظرًا لأن الموجات لا تتأثر بالجاذبية، فقد افترض أنها تتباطأ عند دخول وسط أكثر كثافة. ^[36]

تنبأت نظرية الموجة بأن موجات الضوء يمكن أن تتداخل مع بعضها البعض مثل موجات الصوت (كما لاحظ توماس يونج حوالي عام 1800 ). أظهر يونج من خلال تجربة حيود أن الضوء يتصرف كموجات. كما اقترح أن الألوان المختلفة ناجمة عن أطوال موجية مختلفة للضوء وشرح رؤية الألوان من حيث مستقبلات ثلاثية الألوان في العين. كان ليونهارد أويلر مؤيدًا آخر لنظرية الموجة . جادل في كتابه Nova theoria lucis et colorum (1746) أنه يمكن تفسير الحيود بسهولة أكبر من خلال نظرية الموجة. في عام 1816، أعطى أندريه ماري أمبير أوغستين جان فرينل فكرة مفادها أن استقطاب الضوء يمكن تفسيره بنظرية الموجة إذا كان الضوء موجة عرضية . ^[37]

في وقت لاحق، وضع فرينل بشكل مستقل نظريته الموجية للضوء وقدمها إلى أكاديمية العلوم في عام 1817. أضاف سيمون دينيس بواسون إلى عمل فرينل الرياضي لإنتاج حجة مقنعة لصالح نظرية الموجة، مما ساعد في قلب نظرية نيوتن الجسيمية. ^{[ مشكوك فيه - ناقش ]} بحلول عام 1821، تمكن فرينل من إظهار من خلال الأساليب الرياضية أنه يمكن تفسير الاستقطاب بنظرية موجة الضوء إذا وفقط إذا كان الضوء عرضيًا بالكامل، بدون أي اهتزاز طولي على الإطلاق. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

كان ضعف نظرية الموجة هو أن موجات الضوء، مثل موجات الصوت، تحتاج إلى وسط لنقلها. وقد أثار وجود مادة الأثير المضيئة الافتراضية التي اقترحها هويجنز في عام 1678 شكوكًا قوية في أواخر القرن التاسع عشر من خلال تجربة مايكلسون-مورلي .

كانت نظرية نيوتن الجسيمية تعني أن الضوء ينتقل بشكل أسرع في وسط أكثر كثافة، في حين أن نظرية الموجة لهويجنز وآخرين تعني العكس. في ذلك الوقت، لم يكن من الممكن قياس سرعة الضوء بدقة كافية لتحديد أي نظرية صحيحة. كان أول من أجرى قياسًا دقيقًا بدرجة كافية هو ليون فوكو ، في عام 1850. ^[38] دعمت نتيجته نظرية الموجة، وتم التخلي عن نظرية الجسيمات الكلاسيكية أخيرًا (فقط لتظهر جزئيًا في القرن العشرين كفوتونات في نظرية الكم ).

في عام 1845، اكتشف مايكل فاراداي أن مستوى استقطاب الضوء المستقطب خطيًا يدور عندما تنتقل أشعة الضوء على طول اتجاه المجال المغناطيسي في وجود عازل شفاف ، وهو التأثير المعروف الآن باسم دوران فاراداي . ^[39] كان هذا أول دليل على أن الضوء مرتبط بالكهرومغناطيسية . في عام 1846، تكهن بأن الضوء قد يكون شكلاً من أشكال الاضطراب الذي ينتشر على طول خطوط المجال المغناطيسي. ^[39] اقترح فاراداي في عام 1847 أن الضوء عبارة عن اهتزاز كهرومغناطيسي عالي التردد، والذي يمكن أن ينتشر حتى في غياب وسط مثل الأثير. ^[40]

ألهم عمل فاراداي جيمس كليرك ماكسويل لدراسة الإشعاع الكهرومغناطيسي والضوء. اكتشف ماكسويل أن الموجات الكهرومغناطيسية ذاتية الانتشار ستنتقل عبر الفضاء بسرعة ثابتة، والتي صادف أنها تساوي سرعة الضوء المقاسة سابقًا. من هذا، استنتج ماكسويل أن الضوء كان شكلاً من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي: ذكر هذه النتيجة لأول مرة في عام 1862 في كتابه " حول خطوط القوة الفيزيائية" . في عام 1873، نشر أطروحة عن الكهرباء والمغناطيسية ، والتي تضمنت وصفًا رياضيًا كاملاً لسلوك المجالات الكهربائية والمغناطيسية، والمعروفة باسم معادلات ماكسويل . بعد فترة وجيزة، أكد هاينريش هيرتز نظرية ماكسويل تجريبياً من خلال توليد واكتشاف موجات الراديو في المختبر وإثبات أن هذه الموجات تتصرف تمامًا مثل الضوء المرئي، حيث تظهر خصائص مثل الانعكاس والانكسار والحيود والتداخل . أدت نظرية ماكسويل وتجارب هيرتز مباشرة إلى تطوير الراديو والرادار والتلفزيون والتصوير الكهرومغناطيسي والاتصالات اللاسلكية الحديثة.

في نظرية الكم، يُنظر إلى الفوتونات على أنها حزم موجية من الموجات الموصوفة في نظرية ماكسويل الكلاسيكية. كانت نظرية الكم ضرورية لتفسير التأثيرات حتى مع الضوء المرئي الذي لم تتمكن نظرية ماكسويل الكلاسيكية من تفسيره (مثل الخطوط الطيفية ).

في عام 1900 ، اقترح ماكس بلانك ، في محاولته لتفسير إشعاع الجسم الأسود ، أنه على الرغم من أن الضوء عبارة عن موجة، إلا أن هذه الموجات لا يمكنها اكتساب أو فقدان الطاقة إلا بكميات محدودة تتعلق بترددها. أطلق بلانك على هذه "الكتل" من طاقة الضوء اسم " كم " (من كلمة لاتينية تعني "كم"). في عام 1905، استخدم ألبرت أينشتاين فكرة كميات الضوء لشرح التأثير الكهروضوئي واقترح أن هذه الكمات الضوئية لها وجود "حقيقي". في عام 1923، أظهر آرثر هولي كومبتون أن تحول الطول الموجي الذي يُرى عندما تنتشر الأشعة السينية منخفضة الكثافة من الإلكترونات (ما يسمى بتشتت كومبتون ) يمكن تفسيره بنظرية الجسيمات للأشعة السينية، ولكن ليس بنظرية الموجة. في عام 1926، أطلق جيلبرت ن. لويس على هذه الكمات الضوئية اسم الجسيمات الفوتونات . ^[41]

وفي نهاية المطاف، توصلت ميكانيكا الكم إلى تصور الضوء باعتباره (بمعنى ما) جسيمًا وموجة في الوقت نفسه، و(بمعنى آخر) ظاهرة ليست جسيمًا ولا موجة (والتي هي في الواقع ظواهر مجهرية، مثل كرات البيسبول أو أمواج المحيط). وبدلاً من ذلك، يمكن وصف الضوء في ظل بعض التقريبات أحيانًا باستخدام الرياضيات المناسبة لنوع واحد من الاستعارات المجهرية (الجسيمات) وأحيانًا أخرى باستخدام استعارات مجهرية أخرى (الموجات).

وكما هي الحال بالنسبة للموجات الراديوية والأشعة السينية التي تشارك في تشتت كومبتون، لاحظ الفيزيائيون أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يميل إلى التصرف بشكل أشبه بالموجات الكلاسيكية عند الترددات المنخفضة، ولكن بشكل أشبه بالجسيمات الكلاسيكية عند الترددات الأعلى، ولكنه لا يفقد أبدًا جميع صفات أحدهما أو الآخر تمامًا. يمكن بسهولة إثبات الضوء المرئي، الذي يحتل أرضية وسطى في التردد، في التجارب على أنه يمكن وصفه باستخدام نموذج الموجة أو الجسيم، أو كليهما في بعض الأحيان.

في عامي 1924 و1925، أظهر ساتيندرا ناث بوز أن الضوء يتبع إحصاءات مختلفة عن إحصاءات الجسيمات الكلاسيكية. ومع أينشتاين، عمموا هذه النتيجة لمجموعة كاملة من جسيمات الدوران الصحيح المسماة البوزونات (بعد بوز) والتي تتبع إحصاءات بوز-أينشتاين . الفوتون هو بوزون عديم الكتلة بدوران 1.

في عام 1927، قام بول ديراك بتكميم المجال الكهرومغناطيسي . وقام باسكوال جوردان وفلاديمير فوك بتعميم هذه العملية لمعالجة الأنظمة متعددة الأجسام باعتبارها إثارات للحقول الكمومية، وهي عملية تحمل الاسم الخاطئ للتكميم الثاني . وفي نهاية الأربعينيات من القرن العشرين، تم تطوير نظرية كاملة للديناميكا الكهربائية الكمومية باستخدام الحقول الكمومية استنادًا إلى أعمال جوليان شفينجر وريتشارد فاينمان وفرمان دايسون وشينيتشيرو توموناجا .

طبق جون آر. كلودر وجورج سودارشان وروي جيه. جلاوبر وليونارد ماندل نظرية الكم على المجال الكهرومغناطيسي في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي للحصول على فهم أكثر تفصيلاً للكشف الضوئي وإحصاءات الضوء (انظر درجة التماسك ). أدى هذا إلى تقديم الحالة المتماسكة كمفهوم تناول الاختلافات بين ضوء الليزر والضوء الحراري والحالات المضغوطة الغريبة وما إلى ذلك حيث أصبح من المفهوم أنه لا يمكن وصف الضوء بالكامل بالإشارة فقط إلى المجالات الكهرومغناطيسية التي تصف الموجات في الصورة الكلاسيكية. في عام 1977، أظهر إتش جيف كيمبل وآخرون ذرة واحدة تصدر فوتونًا واحدًا في كل مرة، مما يدلل بشكل قاطع على أن الضوء يتكون من فوتونات. تم اكتشاف حالات كمية للضوء غير معروفة سابقًا بخصائص تختلف عن الحالات الكلاسيكية، مثل الضوء المضغوط .

فتح تطوير نبضات الليزر القصيرة والقصيرة للغاية - التي تم إنشاؤها بواسطة تقنيات التبديل Q والنمذجة - الطريق لدراسة ما أصبح يُعرف بالعمليات فائقة السرعة. تم العثور على تطبيقات لأبحاث الحالة الصلبة (مثل مطيافية رامان ) ودراسة القوى الميكانيكية للضوء على المادة. أدى الأخير إلى رفع وتحديد مواقع سحب من الذرات أو حتى عينات بيولوجية صغيرة في مصيدة بصرية أو ملاقط بصرية بواسطة شعاع الليزر. كان هذا، إلى جانب تبريد دوبلر وتبريد سيزيف ، التكنولوجيا الحاسمة اللازمة لتحقيق تكاثف بوز-أينشتاين الشهير .

ومن بين النتائج الأخرى الملحوظة إثبات التشابك الكمي ، والانتقال الكمي ، والبوابات المنطقية الكمومية . وهذه الأخيرة ذات أهمية كبيرة في نظرية المعلومات الكمومية ، وهو موضوع نشأ جزئيًا من البصريات الكمومية، وجزئيًا من علوم الكمبيوتر النظرية .

يوفر ضوء الشمس الطاقة التي تستخدمها النباتات الخضراء لإنتاج السكريات في الغالب على شكل نشويات ، والتي تطلق الطاقة في الكائنات الحية التي تهضمها. توفر عملية التمثيل الضوئي هذه كل الطاقة التي تستخدمها الكائنات الحية تقريبًا. تولد بعض أنواع الحيوانات ضوءها الخاص، وهي عملية تسمى التلألؤ الحيوي . على سبيل المثال، تستخدم اليراعات الضوء لتحديد مكان رفقائها ويستخدمه الحبار مصاص الدماء لإخفاء أنفسهم من الفرائس.

• الوسائط المتعلقة بالضوء في ويكيميديا ​​كومنز
• تعريف كلمة ضوء في القاموس على ويكاموس
• اقتباسات متعلقة بالضوء في ويكي الاقتباس