מהירות האור

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

מהירות הקרינה האלקטרומגנטית בריק (ואקום) מכונה גם מהירות האור בריק (באנגלית Speed of Light), ולפי ההבנה המדעית המקובלת זה למעלה ממאה שנה, היא מהווה חסם עליון על כל המהירויות היחסיות בטבע. כלומר, זו היא המהירות הגבוהה ביותר הידועה לנו שבה ניתן להעביר גופים חומריים או מידע (אינפורמציה) בין שני מיקומים. יש לציין כי המרחב עצמו יכול להתפשט (או להתכווץ) במהירות העולה על מהירות האור (ראו גם: המפץ הגדול).

ראו גם: קבועים פיזיקלים.

מהירות האור בריק היא קבוע פיזיקלי המציין את המהירות שבה מתקדמת קרינה אלקטרומגנטית. מהירות האור של גל אלקטרומגנטי איננה תלויה בתדירות הגל. ערכה של מהירות האור בריק מוגדר להיות כ c=299,792,458 מטר לשניה. יש לציין כי ערכו של קבוע זה מבוסס על הגדרה ולא מדידה. למעשה, מדידת מהירות האור במידה גבוהה של דיוק של מגדירה את יחידת המרחק מטר (להגדרת השנייה ראו מאמר מורחב בנושא: מערכות זמן). במילים אחרות, המטר מוגדר כמרחק שהאור עובר בריק ב 1 חלקי 299,792,458 שניות SI.

הרעיון הבסיסי של מהירות האור כהמהירות הגבוהה ביותר של עצמים בטבע עומד בבסיסה של תורת היחסות הפרטית.

מהירות האור בריק קשורה למקדם המגנטי (פראמביליות) של הריק, μ0 ולמקדם הדיאלקטרי (פרמטטיביות) של הריק ε0 ע"י הקשר:

\epsilon_{0}=\,\frac{1}{\mu_{0} c^{2}}


מהירות האור בחומר נמוכה יותר מאשר מהירות האור בריק. היחס בין מהירות האור בריק למהירות האור בחומר נקרא מקדם השבירה של החומר. כמו כן, מהירות האור קטנה בנוכחות שדות כבידה חזקים (ראו גם: עידוש כבידתי).


היסטוריה של מדידת מהירות האור

הגאומטריה של תופעות ירחי צדק עם צדק. (1) – כניסה למעבר ירח של צדק על-פני צדק. (2) – יציאה ממעבר ירח של צדק על-פני צדק. (3) – התחלת הטלת צל של ירח של צדק על-פני צדק. (4) – סיום הטלת צל של ירח של צדק על-פני צדק. (5) – כניסה להתכסות של ירח של צדק על-ידי צדק. (7) – יציאה מהתכסות של ירח צדק על-ידי צדק. (6) – כניסה לליקוי של ירח של צדק בצילו של צדק. (8) – יציאה מליקוי של ירח של צדק בצילו של צדק. ראו גם: ירחי צדק - תצפית בהתכסויות, ליקויים, תופעות הדדיות ומיקום.

למרות שמדענים רבים ניסו במהלך הדורות להעריך את מהירות האור, המדידה הכמותית הראשונה של גודל זה התבצעה ע"י האסטרונום אול רומר (Ole Rømer) במאה ה-17.

בעיה חשובה שהעסיקה את המדע במאה ה-17 היתה הצורך למדוד את קו האורך על כדור הארץ בעת מסע ימי. את הבעיה ניתן לפתור בקלות באמצעות שעון מדויק, אולם באותה העת לא היו קיימים שעונים מדויקים אותם ניתן לשאת על גבי אוניות. רומר ואחרים ניסו אם-כן לעשות שימוש בתנועתם של גרמי שמיים כשעונים מדויקים.

הירחים הגליליאנים (איו, אירופה, גנימד וקליסטו) של כוכב-הלכת צדק הינם קלים לצפייה באמצעות טלסקופ קטן והם מקיפים את צדק במחזוריות קבועה. על כן, ניתן לחשוב שאולי ניתן להשתמש בהם כ"שעון". למעשה, רעיון זה הוצא לראשונה ע"י גלילאו עצמו (שגילה את הירחים וחקר את תנועתם). רומר החל לתזמן ליקויים של הירח הפנימי ביותר איו, המקיף את צדק כל 42 שעות ו 28 דקות. בליקויים כאלו, איו נכנס לצילו של כוכב-הלכת צדק ונעלם עבור צופה מכדור הארץ (ראו איור משמאל) המטרה של תיזמון הארועים היתה חישוב מדויק של זמן המחזור של איו, ושימוש בהם על מנת לחזות ארועים עתידים.

רומר הבחין כי מחזור הסיבוב של איו סביב צדק משתנה בזמן וזמני הליקויים מפגרים אחר התחזית כאשר כדור-הארץ מתרחק מצדק. רומר הציע כי הסבר לתופעה היא שהאור נע במהירות סופית ועל סמך זמני הפיגור הנ"ל והמרחק בין כדור-הארץ לשמש (שלא היה ידוע היטב באותה התקופה - ראו מאמר בנושא: טרנזיט) רומר העריך כי מהירות האור הינה כ 220,000 ק"מ לשנייה. יש לשים לב שזוהי הערכה קרובה לערך המוכר, בהתחשב באמצעים שעמדו לרשותו של רומר.

במאה ה-18 מדידות מדויקות יותר משולבות עם מדידות עדכניות (באותה תקופה) של המרחק בין כדור-הארץ לשמש הראו כי מהירות האור הינה כ 300,000 ק"מ לשנייה. באמצע המאה ה-19 ביצע פיזו את המדידה הקרקעית הראשונה של מהירות האור, כלומר מדידת הזמן בו האור נע בין שתי נקודות על-פני כדור-הארץ. עם חלוף הזמן מדידות אלו השתכללו והגיעו לרמת דיוק גבוהה במיוחד.

ב 1972 הדיוק במדידת מהירות האור נתקל במכשול חדש - יחידת האורך "מטר" לא היתה מוגדרת בצורה מספיק מדויקת עד אותה עת. כלומר, הקושי במדידה התקבל מכך שלא היה ניתן למדוד את המרחק אותו עובר האור בניסוי המדובר. לפני 1960, המטר הוגדר באמצעות "סרגל סטנדרטי" שהיה ממוקם במוזאון למידות ומשקולות בפריס. החל משנות ה-60 של המאה ה-20 החלו לעשות שימוש בקו ספקטרלי של מנורת קריפטון להגדיר את המטר, אך גם הגדרה זו לא היתה מדויקת דיה (מפאת אסימטריה בקו הספקטרלי שבו נעשה שימוש). על מנת לפתור את הבעיה, הוחלט בשנות ה-70 להפוך את סדר הדברים ולהגדיר את המטר באמצעות מהירות האור. לפי הגדרה זו מטר אחד שווה למרחק שאותו עובר האור בריק (ואקום) בפרק זמן של 1 חלקי 299,792,458 של שניית ה SI.

מהירות האור ומדידת מרחק

לעיתים תכופות נהוג לעשות שימוש במהירות האור למדידת מרחק. הדבר נעשה ע"י הגדרת המרחק אותו האור עובר בפרק זמן מסוים. לדוגמא, שניית אור הוא המרחק שהאור עובר בשנייה, דקת אור הוא המרחק שהאור עובר בדקה וכו' (ראו גם: יחידות מרחק באסטרונומיה).

להלן טבלה להמרה בין יחידות מרחק נבחרות.


טבלת המרה בין יחידות מרחק
ס"מ מטר שניות אור יחידות אסטרונומיות ימי אור שנות אור פרסק
ס"מ 100 ס"מ 2.99792458\times10^{10} ס"מ 1.49597870691\times10^{13} ס"מ 2.5902068\times10^{15} ס"מ 9.4607305\times10^{17} ס"מ 3.08567758\times10^{18} ס"מ
מטר 0.01 מטר 2.99792458\times10^{8} מטר 1.49597870691\times10^{11} מטר 2.5902068\times10^{13} מטר 9.4607305\times10^{15} מטר 3.08567758\times10^{16} מטר
שניות אור 3.335641\times10^{-11} שניות אור 3.335641\times10^{-9} שניות אור 499.00478380614 שניות אור 86400 שניות אור 3.1557600\times10^{7} שניות אור 1.029271\times10^{8} שניות אור
יחידות אסטרונומיות 6.68458712\times10^{-14} י"א 6.68458712\times10^{-12} י"א 0.0020039888 י"א 173.14463268466 י"א 63241.077 י"א 206264.80625 י"א
ימי אור 3.860696\times10^{-16} ימי אור 3.860696\times10^{-14} ימי אור 1.157407\times10^{-5} ימי אור 0.005775518 ימי אור 365.25 ימי אור 1191.3 ימי אור
שנות אור 1.05700\times10^{-18} שנות אור 1.05700\times10^{-16} שנות אור 3.16881\times10^{-8} שנות אור 1.58125\times10^{-5} שנות אור 0.00273785 שנו אור 3.261564 שנות אור
פרסק 3.240779\times10^{-19} פרסק 3.240779\times10^{-17} פרסק 9.71561\times10^{-9} פרסק 4.84813681\times10^{-6} פרסק 0.000839429 פרסק 0.306601 פרסק


ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית


מחברים


ערן אופק