الوحدات الأساسية لقـــياس الضـــــوء
يقيس العلماء الطول الموجي للضوء بمقاييس متنوعة من الوحدات المترية والإمبراطورية. وإحدى هذه الوحدات المترية المعروفة هي المايكروميتر الذي يساوي 0,000001متر. والطول الموجي للضوء في الطيف المرئي محصور في المنطقة من حوالي 0,4 مايكروميتر للبنفسجي الغامق إلى حوالي 0,7 مايكرومتر للأحمر القاني. والتردد لأي موجة يساوي النسبة بين سرعة الموجة إلى الطول الموجي، ويقاس بوحدات تسمَّى الهرتز. فالموجة لها تردد يساوي هرتزًا واحدًا إذا كانت قمة واحدة تمر خلال نقطة محددة في كل ثانية. والموجة لها تردد يساوي 100 هرتز إذا كانت 100 قمة تمر خلال نقطة محددة للقياس في كل ثانية. يسير الضوء في الفراغ بسرعة 300 مليون متر لكل ثانية تقريبًا. ولأن الضوء المرئي له طول موجي قصير وسرعة عالية فله تردد عال. فتردد الضوء البنفسجي مثلاً، يساوي 750 مليون مليون هرتز.


سطوع الضوء. استخدم العلماء وحدات مختلفة لقياس سطوع مصدر الضوء وكمية الطاقة في شعاع الضوء الآتي من ذلك المصدر.

تُسمى كمية الضوء المنتجة بوساطة أي مصدر ضوئي شدة الاستضاءة لذلك المصدر، والوحدة المستخدمة لقياس شدة الاستضاءة تسمى الشمعة. وأُخذَت شدة الاستضاءة المنتجة بوساطة شمعة بحجم معيّن مصنوعة من زيت الحوت، لسنوات عديدة، وحدة قياس ثابتةً وسُميّت هذه الوحدة الشمعة، ومع ذلك لم توفر شمعة زيت الحوت استخدامًا بسيطًا وثابتًا لقياسات الضوء. وتعرف الشمعة الواحدة الآن بأنها كمية الضوء المنطلقة من مصدر يبعث عند تردّد محدّد (540 مليون مليون هرتز)، وعند شدة محددة ( 1/683 واط لكل وحدة مساحة تسمى ستيراديان).

ولا تشير شدة ضوء المصدر بالشموع إلى مدى سطوع الضوء عندما يصل إلى سطح جسم مثل كتاب أو منضدة. وقبل أن نقيس كثافة التدفق الضوئي أو الدفق الضيائي (الضوء الساقط على السطح)، يجب علينا أن نقيس مسافة انتقال الضوء خلال الفراغ بين المصدر والجسم. ويمكننا قياس شعاع الضوء بوحدة تُسمّى لومن. ولمعرفة كيفية قياس اللومن، تصوّر أن هناك مصدرًا ضوئيًا في وسط تجويف كروي. وفي السطح الداخلي للجسم الكروي مساحة تساوي مربع نصف قطر الجسم الكروي. فإذا كان نصف القطر مترًا واحدًا، على سبيل المثال، و كان مصدر الضوء له شدة إضاءة تساوي شمعة واحدة، فإن المساحة المقطوعة سوف تحصل على فيض ضوئي (سرعة تدفق الضوء) يقدر بلومن واحد.

ويقيس المهندسون في النظام المتري كثافة التدفق الضوئي بوحدات تُسمّى لكس وينتج كثافة تدفق ضوئي مقدارها لكس واحد، لومنًا واحدًا من الضوء على مساحة متر مربع واحد. ويستخدم في النظام الإمبراطوري وحدات تُسمّى قدم ـ شمعة. وينتج كثافة تدفق ضوئي مقدارها قدم ـ شمعة واحدة بلومن واحد من الضوء يسقط على مسافة مقدارها قدم مربع واحد.

تتغير شدة الضوء الساقط على مساحة ما عكسيًا مع مربع المسافة التي بين المصدر والسطح. ولهذا إذا زادت المسافة فإن كثافة التدفق الضوئي تقل بمقدار مربع تلك الزيادة، وتُسمّى هذه العلاقة بقانون التربيع العكسي. فإذا كان السطح يحصل على لكس واحد من الضوء على بعد مسافة مقدارها متر واحد من المصدر، ثم أزيح لمسافة مترين مربعين من المصدر، فإنّ هذا السطح سوف يحصل على (½)² أو¼ لكس من الضوء. ويحدث هذا لأن الضوء ينتشر خارجًا من المصدر.


سرعة الضوء. بالرغم من أن الضوء يبدوكأنه ينتقل خلال الغرفة في لحظة رفع ستارة النافذة، فإنه في الحقيقة يستغرق بعض الوقت للانتقال لأي مسافة. وسرعة الضوء خلال الفراغ ـ حيث لا تعطّل الذرات انتقاله ـ هي 299,792كم/ ثانية. ويقال عن هذه السرعة إنها ثابتة لأنها لا تعتمد على حركة مصدر الضوء. فعلى سبيل المثال تكون للضوء المنبعث من مشعل كهربائي متحرك نفس السرعة للضوء المنبعث من مشعل كهربائي ثابت. ولا يعرف العلماء كنه هذه الحقيقة، وهي واحدة من أسس نظرية أينشتاين للنسبية..

اختلف الناس منذ القدم في سرعة الضوء ، هل هي سرعة محددة أم لا نهائية. ولكن عالم الطبيعة الإيطالي جاليليو صمم في أوائل القرن السابع عشر الميلادي، تجربته لقياس سرعة الضوء ليحسم الأمر. أرسل جاليليو أحد المساعدين إلى هضبة بعيدة مع التعليمات له بفتح غطاء فانوس يحمله عندما يشاهد جاليليو الموجود على هضبة أخرى يفتح غطاء فانوسه. وكان هدف جاليليو أنه بمعرفته للمسافة بين الهضبتين يستطيع حساب سرعة الضوء بوساطة قياسه للزمن بين لحظة فتحه للغطاء ولحظة رؤيته لضوء الفانوس الثاني. وفشلت التجربة على الرغم من أن تفكير جاليليو كان معقولاً. ولأن سرعة الضوء عالية جدًا لذلك لم يستطع حساب الزمن القصير.

أتى الفلكي الدنماركي أولاوس رومير في حوالي 1675م بشواهد برهنت على أن الضوء ينتقل بسرعة ثابتة (محدودة). ولاحظ رومير خلال عمله في باريس أن الفترة الفاصلة بين اختفاء أقمار المشتري خلف الكواكب يتغير بتغير المسافة بين المشتري والأرض، وأدرك بالتالي أن السرعة الثابتة للضوء تسبب هذا الاختلاف في الوقت الفاصل. وأشارت ملاحظات رومير إلى أن سرعة الضوء الثابتة هي 226,000كم/ثانية، ويمثل هذا الرقم 25% من السرعة الفعلية.

وتوصل الفيزيائي الأمريكي ألبرت مايكلسن في سنة 1926م إلى واحدة من القياسات الدقيقة لسرعة الضوء، حيث استخدم مرآة تدور بسرعة تعكس الشعاع من الضوء إلى عاكس بعيد. ثم إن الشعاع العائد انعكس مرة أخرى إلى الملاحظ بوساطة المرآة الدوارة. ثبت مايكلسن سرعة المرآة بحيث ترجع إلى الزاوية الصحيحة خلال زمن مسار الضوء إلى العاكس ورجوعه مرة أخرى. سرعة المرآة إذن تشير إلى سرعة الضوء. استخدم مايكلسن في الحقيقة عدة مرايا على أسطوانة، بحيث إن زاوية دوران الأسطوانة أثناء انتقال الضوء إلى العاكس ورجوعه، تكون صغيرة. واستنتج من ذلك أن سرعة الضوء تساوي 299,796كم/ثانية. ونسبة الخطأ المحتمل في هذا الرقم أقل من أربعة كيلومترات لكل ثانية.