מהירות האור

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

מהירות האור היא המהירות שבה מתקדמים האור וקרינה אלקטרומגנטית בכלל. את מהירות האור בריק מקובל לסמן באות c. מהירות האור, על פי הגדרת המטר מ-1983, היא 299,792,458 מטרים לשנייה (ובהצגה מקובלת, פחות מדויקת, 300,000 ק"מ לשנייה).

קביעות מהירות האור[עריכת קוד מקור | עריכה]

על פי תורת היחסות הפרטית של איינשטיין, מהירות האור בריק היא הגבול העליון למהירות שבה יכול חלקיק, גוף או מידע לנוע דרך המרחב, יחסית לצופה במנוחה. מהירות האור בריק היא קבועה בעוד שהזמן והמרחב הם יחסיים. גוף בעל מסת מנוחה יכול רק להתקרב למהירות זו, בעוד שגוף חסר מסת מנוחה (כמו הפוטון) נע בריק אך ורק במהירות זו.

רבים משתמשים במונח "מהירות האור" במשמעות של מהירות הקרינה האלקטרומגנטית בריק, אך מדויק יותר להתייחס למונח המפורש, "מהירות האור בריק", שכן מהירות ההתקדמות של הקרינה בתווך נמוכה יותר, בהתאם לתכונות התווך. היחס בין מהירות האור בריק לבין מהירותו בחומר קובע את מקדם השבירה של החומר.

מודל של תנועת האור מכדור הארץ לירח (מסע שנמשך כ-1.25 שנייה)

בשנת 1887 הוסק מתוצאות ניסוי מייקלסון-מורלי שמהירות האור בכיוון תנועתו של כדור הארץ ומהירות האור בכיוון ניצב לתנועת כדור הארץ הן זהות. ממצא זה סותר את המכניקה הקלאסית, וגרם למבוכה רבה בשעתו. בסופו של דבר הוא הוסבר באלגנטיות על ידי תורת היחסות הפרטית על פיה מהירות האור קבועה עבור כל הצופים הנמצאים במערכות ייחוס אינרציאליות בלא קשר למהירות בה הם נעים זה ביחס לזה, כשהמסקנה המתחייבת מכך היא שהזמן איננו אחיד לכולם.

מהירות האור מתקבלת ממשוואות מקסוול כמהירות ההתקדמות של קרינה אלקטרומגנטית, ללא תלות בכיוון או במערכת ייחוס. מקסוול הראה שמהירות האור בריק נתונה על ידי \ c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}} כאשר \epsilon_0 הוא המקדם הדיאלקטרי של הריק ו-\mu_0 הוא מקדם המגנטיות של הריק. איינשטיין הסיק מכך שמהירות האור היא חוק טבע שאינו משתנה במעבר בין מערכות ייחוס אינרציאליות.

אולם, על פי איינשטיין, מהירות האור משתנה בהכרח בהשפעת שדה כבידה שכן התנועה של קרן אור במסלול עקום בהשפעת שדה כבידה יכולה להתרחש אך ורק אם מהירות ההתקדמות משתנה עם המיקום. לכן, לתורת היחסות הפרטית יש תוקף רק ככל שניתן להתעלם מהשפעותיהם של שדות כבידה על התופעה‏[1].


היסטוריה של מדידת מהירות האור[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשנת 1671, לאחר שסיים את לימודיו בקופנהגן, הצטרף אולה רמר למצפה הכוכבים של אורניבורג באי השבדי ון, בקרבת קופנהגן. במהלך מספר חודשים, ז'אן פיקאר ורמר צפו בקרוב ל-140 ליקויים באיו, ירחו של כוכב הלכת צדק, בזמן שבפריז צפה ג'ובאני קאסיני באותם ליקויים. על ידי השוואת זמני הליקויים, חושב ההפרש בין קו האורך של פריז לזה של אורניבורג.

קאסיני צפה בירחיו של צדק בין השנים 1666 ו-1668, ומצא אי-התאמות במדידות שלו, שהובילו למסקנה שלאור יש מהירות סופית. בשנת 1672 הגיע רמר לפריז והמשיך לצפות בירחיו של צדק כעוזרו של קאסיני. רמר הוסיף את תצפיותיו לאלה של קאסיני, והבחין בכך שהזמנים בין הליקויים (בעיקר אלה של איו) נעשו קצרים יותר ככל שכדור הארץ התקרב לצדק, וארוכים יותר ככל שכדור-הארץ התרחק. קאסיני פרסם מאמר קצר באוגוסט 1675 שבו הצהיר:

"כפי הנראה, הסטייה השנייה נגרמה מפני שלאור ארך זמן מה כדי להגיע אלינו מהירח; נראה כי לאור נדרשים בין עשר לאחת-עשרה דקות כדי לחצות מרחק המשתווה למחצית הקוטר של מסלול כדור-הארץ".

באופן מוזר, קאסיני נטש את ההסבר שסיפק, ורמר אימץ אותו והחליט להוכיח את נכונותו, בעזרת מספר תצפיות שהוא ופיקרד ביצעו בין השנים 1671 ו-1677. רמר הציג את תוצאותיו בפני האקדמיה הצרפתית למדעים, והרעיון סוקר זמן קצר לאחר מכן על ידי כתב אנונימי במאמר קצר. המאמר הראה שהכתב לא הבין את דבריו של רמר, וכשהלה ניסה לכסות על אי הבנתו, הוא בלבל ושיבש את הסברו של רמר. עם זאת, רק הדוגמאות המספריות שהופיעו במאמר היו הגיוניות: 40 הקפות של איו, הנצפות על כדור-הארץ כל 42.5 שעות כל אחת (סה"כ כ-70 יום), כאשר כדור-הארץ מתקרב לצדק, קצרות ב-22 דקות מאשר 40 הקפות של איו הנצפות כאשר כדור-הארץ מתרחק מצדק. הודות לכך, רמר הסיק שהאור יעבור מרחק, שאותו עובר כדור-הארץ במהלך 80 הקפות של איו, ב-22 דקות. הדבר מאפשר לחשב את התוצאה שרמר הגיעה אליה בתצפיתו: היחס בין מהירות האור לבין המהירות שבה כדור-הארץ מקיף את השמש הוא 22 / 80 * 42.5 ~ 9,300. חישוב מודרני שיבוצע כיום יניב תוצאה העומדת על כ-10,000.

רמר לא חישב את היחס הזה, ולמעשה אף לא חישב את מהירות האור. אבל, רבים אחרים חישבו מהירות על סמך המידע שלו, הראשון היה כריסטיאן הויגנס; לאחר הצלבה עם נתוניו של רמר והפקת מידע נוסף, הויגנס הסיק שהאור עובר בשנייה מרחק פי 16 ו-2/3 מקוטרו של כדור-הארץ. הוא פירש לא נכונה את הערך של 22 הדקות בתור הזמן שאורך לאור לעבור את קוטר מסלולו של כדור הארץ.

קביעתו של רמר שמהירות האור היא סופית לא נתקבלה עד למדידות שערך ג'יימס ברדלי בשנת 1727. באמצעות מדידת אברציה כוכבית ברדלי גילה כי מיקומם הנראה של הכוכבים בשמיים משתנה לפי כיוון תנועתו של כדור-הארץ, ההסבר לתופעה זו נובע מחיבור וקטורי של מהירות האור מהכוכבים למהירות המשיקית בה נע הצופה ביחס לכוכבים.

בשנת 1809, שוב באמצעות תצפיות על איו, והפעם הודות לתצפיות מדויקות יותר ויותר, דיווח האסטרונום ז'אן-בטיסט ג'וזף דלמבר שהזמן שאורך לאור לנוע מהשמש לכדור-הארץ עומד על 8 דקות ו-12 שניות. אם המדידות של היחידה האסטרונומית (המרחק בין הארץ לשמש) היו מדויקות, הדבר אומר שמהירות האור עומדת על מעט יותר מ-300,000 קילומטר לשנייה.

יחידות אורך ומהירות האור[עריכת קוד מקור | עריכה]

המטר מוגדר כיום על-פי מהירות האור בריק: אור נע בריק בדיוק 299,792,458 מטרים בשנייה אחת, על פי הגדרת המטר מ-1983.

כמו כן, נהוג להגדיר מרחקים אסטרונומיים ביחידות מידה המבוססות על מהירות האור. מכיוון שמהירות האור היא קבוע אוניברסלי, הרי שגם המרחק שעובר האור ביחידת זמן כלשהי הוא קבוע שיכול לשמש כיחידת מידה. סיבה נוספת היא פישוט מדידת המרחקים האסטרונומיים, שנמצאים בטווחים גדולים לאמות מדידה מקובלות.

הגדלים הבאים הם יחידות מידה שימושיות באסטרונומיה ומשמשות למדידת מרחקים אסטרונומיים:

דקת אור-המרחק שהאור עובר בדקה.(לדוגמה: השמש רחוקה מאיתנו 8.312 דקות אור)

  • שנת אור - המרחק שעובר האור בשנה אחת - 9,460,730,472,580.8 קילומטרים.
  • פארסק - המרחק שעובר האור ב-3.2616 שנים בקירוב - כ-‎30.86×1012‎ קילומטרים.
  • שניית אור - המרחק שעובר האור בשנייה אחת - 299,792,458 מטרים. המרחק (הממוצע) בין כדור הארץ לשמש הוא כ-8 דקות ו-19 שניות אור בריק.
  • שעת אור - המרחק שעובר האור בשעה אחת - 1,079,252,848.8 קילומטרים.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]