عندما تصطدم موجات الضوء بسطح أملس، مثل المرآة، فإنها تنعكس عليه. كما أنها تنحني أو تنكسر عندما تتحرك بين بيئات ذات كثافة مختلفة، مثل عندما يمر الضوء من الهواء إلى عدسة زجاجية وعبرها. تتيح هذه الخصائص الأساسية للضوء معاً للعلماء تصميم العدسات والمرايا لتناسب احتياجاتهم - سواء كان ذلك من خلال النظر عبر الكون أو في أعماق الخلية.
انظر في المرآة وسترى انعكاسك. قانون الانعكاس بسيط: مهما كانت الزاوية التي يصنعها شعاع الضوء عند اصطدامه بمرآة، هي نفس الزاوية التي سيشكلها عندما يرتد عن سطح المرآة. إذا قمت بتسليط مصباح يدوي بزاوية 45 درجة على مرآة حمامك، فسوف يرتد بزاوية 45 درجة. عندما ترى انعكاسك، فإن الضوء الساطع على وجهك المضيء يذهب إلى المرآة بدقة، لذا يرتد إلى عينيك مباشرة.
يعمل هذا فقط لأن المرآة هي سطح مصقول شديد النعومة - وبالتالي فهو عاكس. نعومته تجعل كل الضوء الذي يضربه من زاوية معينة يرتد في نفس الاتجاه. على النقيض من ذلك، فإن سطح الجدار المطلي في غرفة نومك ليس مصقولاً على الإطلاق بحيث لا ينعكس جيداً. سوف ينعكس الضوء الذي يصطدم بالحائط عن تلك النتوءات، وينعكس في مزيج من الاتجاهات المختلفة. لهذا السبب تبدو معظم الجدران باهتة وليست لامعة.
ربما لاحظت أنه يوجد داخل المصابيح الكاشفة والمصابيح الأمامية مصباح صغير واحد مع مرآة منحنية خلفه. هذا المنحنى يجمع الضوء المنبعث من المصباح في اتجاهات مختلفة ويركزها في شعاع قوي يرسله في اتجاه واحد: نحو الخارج. المرايا المنحنية فعالة للغاية في تركيز أشعة الضوء.
تعمل مرآة التلسكوب بنفس الطريقة. إنها تركز موجات الضوء الواردة من جسم بعيد، مثل نجم، في نقطة واحدة من الضوء أصبحت الآن مشرقة بدرجة كافية ليراها عالم الفلك.
الانكسار وقوس قزح
هل تعرف كيف يبدو أن القشة تنحني وهي موضوعة في كوب من الماء؟ هذا بسبب الانكسار. ينص قانون الانكسار على أن موجات الضوء تنحني عندما تنتقل من وسط (مثل الهواء) إلى آخر (مثل الماء أو الزجاج). هذا لأن كل وسيط له كثافة مختلفة، تُعرف أيضاً باسم "السماكة البصرية".
تخيل أنك تجري على طول الشاطئ. إذا بدأت في الجري على طريق صلب، يمكنك الركض بسرعة كبيرة. لكن بمجرد عبورك نحو الرمال، فإنك تبطئ من سرعتك. حتى لو كنت تحاول تحريك قدميك بنفس السرعة السابقة، فلا يمكنك ذلك. سوف تبطئ أكثر أثناء محاولتك الاستمرار في الجري في الماء. إن "سماكة" كل سطح تقوم بتشغيله الآن - رمال أو ماء - يبطئ من سرعتك مقارنة بوقت تحرك قدميك في الهواء. الضوء أيضاً يغير سرعته في الوسائط المختلفة. وبما أن الضوء ينتقل على شكل موجات، فإن هذه الموجات ستنحني مع تغير سرعتها.
بالعودة إلى تلك القشة في كوب من الماء: إذا نظرت من جانب الزجاج، ستبدو القشة متعرجة. أو، إذا سبق لك أن وضعت خاتماً في قاع بركة ضحلة وحاولت الإمساك به، فستلاحظ أن الخاتم ليس بالضبط حيث يبدو. يتسبب انحناء أشعة الضوء في ظهور الخاتم وكأنه يقع على مسافة أقرب من مكانها الفعلي.
تكون تأثيرات هذا الانحناء أكبر أو أصغر حسب الطول الموجي للضوء أو اللون. تنحني الأطوال الموجية الأقصر، مثل الأزرق والبنفسجي، أكثر من الموجات الأطول، مثل الأحمر.
هذا هو سبب تشكل قوس قزح، حيث يمر الضوء من خلال منشور. كما يفسر سبب كون اللون الأحمر دائماً هو اللون العلوي في قوس قزح والبنفسجي هو اللون الأدنى. يحتوي الضوء الأبيض الذي يدخل المنشور على جميع ألوان الضوء المختلفة. تنحني موجات الضوء الأحمر إلى أقل حد، لذلك يبقى مسارها أقرب إلى خط مستقيم. هذا يترك اللون الأحمر في الجزء العلوي من قوس قزح. تنحني موجات الضوء البنفسجي إلى أقصى حد عند المرور عبر المنشور، بحيث تنخفض درجة اللون إلى الأسفل. تنتهي ألوان قوس قزح الأخرى بين الأحمر والبنفسجي، بناءً على مقدار انحناء موجاتها.
الانعكاس مع الانكسار
يمكن أن يعمل الانعكاس والانكسار معاً - غالباً بنتائج مذهلة. ضع في اعتبارك انحناء ضوء الشمس أثناء مروره عبر الغلاف الجوي للأرض بزاوية منخفضة. يحدث هذا عند شروق الشمس أو غروبها. ضوء الشمس المنحني أو المنكسر يرسم السحب بالقرب من الأفق في مجموعة من درجات اللون الأحمر والبرتقالي.
ربما لاحظت أيضاً أن غروب الشمس الأكثر إثارة يحدث عندما يكون الهواء إما مغبراً أو رطباً. في تلك الحالات، ينكسر ضوء الشمس عند اختراقه الغلاف الجوي للأرض وينعكس حوله بواسطة جزيئات الغبار وبخار الماء.
نفس الشيء يحدث في أقواس قزح. عندما يدخل ضوء الشمس كل قطرة مطر على حدة، ينكسر شعاع الضوء أثناء انتقاله من الهواء إلى ماء القطرة. بمجرد دخول قطرة المطر، ينعكس الضوء فعلياً عن القطرة التي تعمل كموشور يحلل هذا الشعاع إلى ألوانه الأساسية السبعة. يرتد الشعاع مرة واحدة، ثم يبدأ في الخروج من قطرة المطر. ولكن عندما يمر الضوء من داخل القطرة إلى الهواء مرة أخرى، فإنه ينكسر مرة أخرى. وهكذا تعرض هذا الشعاع لانكسارين بالإضافة إلى انعكاس داخلي واحد.
يشكل اللون الأحمر القوس الأبعد، والأزرق هو القوس الأعمق. مع انتشار الألوان، نتمتع بجمال تلك الأشكال الرائعة. (يحدث قوس قزح مزدوج عندما يرتد الضوء مرتين داخل كل قطرة مطر. اثنان من الانكسار بالإضافة إلى انعكاسين داخليين. وهذا يعكس ترتيب الألوان في قوس قزح الثاني).
هل تساءلت يوماً لماذا لا نرى أقواس قزح في الثلج كما نراها في المطر؟ تعتمد أقواس قزح على الشكل شبه الكروي لقطرات الماء. الثلج هو ماء أيضاً، لكن بلوراته لها شكل مختلف تماماً. لهذا السبب لا يمكن للثلج أن ينتج نفس نمط (الانكسار- الانعكاس- الانكسار) مثل قطرات المطر.
العدسات والمرايا
العدسات هي أدوات تستفيد من قدرة الضوء على الانحناء. من خلال تشكيل قطعة من الزجاج بعناية، يمكن لعلماء البصريات تصميم عدسات تركز الضوء لتكوين صور واضحة. لتكبير مظهر كائن ما، غالباً ما يجمع المصممون بين سلسلة من العدسات.
تصنع معظم العدسات من الزجاج الذي تم طحنه بشكل دقيق للغاية بسطح أملس. يبدو اللوح الزجاجي الأولي مثل فطيرة سميكة. بحلول الوقت الذي تتحول فيه إلى العدسة، سيكون شكلها مختلفاً تماماً.
نعلم أن العدسات المحدبة أكثر سمكاً في الوسط منها عند الحواف. وتقوم بثني شعاع الضوء الوارد إلى نقطة بؤرية واحدة. العدسات المقعرة تفعل العكس. فهي أكثر سمكاً عند الأطراف من المركز، وتنشر شعاع الضوء نحو الخارج. كلا النوعين من العدسات مفيد في المجاهر والتلسكوبات والمناظير والنظارات. تسمح مجموعات هذه الأشكال لعلماء البصريات بتوجيه شعاع من الضوء إلى أي مسار مطلوب.
يمكن أيضاً تشكيل المرايا لتعديل المسار الذي يتخذه الضوء. إذا سبق لك أن نظرت إلى انعكاسك في مرايا الكرنفال، فربما تجعلك تبدو طويل القامة أو نحيفاً أو قصيراً أو مستديراً أو مشوهاً بطرق أخرى. يمكن أن يؤدي الجمع بين المرايا والعدسات أيضاً إلى إنشاء مهاو قوية من الضوء، مثل تلك التي تنبعث من المنارة.
في عدسة الجاذبية، يحل جسم ضخم في الفضاء محل العدسة البصرية. يتسبب الجسم - الذي يمكن أن يكون مجرة أو ثقباً أسود أو عنقوداً نجمياً - في انحناء الضوء تماماً كما تفعل العدسة الزجاجية.
الحيل البصرية للجاذبية
في واحدة من أروع الحيل في الكون، يمكن للجاذبية الشديدة أن تعمل مثل العدسة. إذا كان جسم ضخم للغاية - مثل مجرة أو ثقب أسود - يقع بين عالم الفلك والنجم البعيد الذي ينظر إليه، يمكن أن يظهر هذا النجم في مكان خاطئ (يشبه إلى حد كبير الخاتم الموجود في قاع البركة). كتلة المجرة في الواقع تشوه الفضاء من حولها. نتيجة لذلك، ينحني شعاع الضوء من هذا النجم البعيد مع الفضاء الذي يتحرك خلاله. قد يظهر النجم الآن للفلكي الذي يدرسه بمظاهر متعددة. أو قد تبدو هذه المظاهر مثل أقواس الضوء الملونة. في بعض الأحيان، إذا كانت المحاذاة صحيحة تماماً، يمكن أن يشكل هذا الضوء دائرة كاملة.
----