هل الضوء مادة ام موجة؟

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: اهو 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 كما ترتد كرة مطاطية مرنة عند ارتطامها بحائط. و لاحظ ايضا انه في حالة اصطدام كرة مرنة مطاطية بحائط تكون زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس. وفسر نيوتن ظاهرة انكسار الضوء كالاتي: عند مرور الضوء بين وسطين مختلفين كالهواء و الماء مثلا 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.

وفي نفس الفترة الزمانية اللتي عاش فيها نيوتن كان العالم الهولندي هيجنز موجودا واللذي 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 ولكن عندما 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 على جائزة نوبل 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. وهذه الظاهرة 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.

» خلط ألوان الضوء من مسرح الفيزياء (مترجم)