הצגת המקור של הדף "מהירות האור"

'''מהירות האור''' היא ה[[מהירות]] של ה[[אור]] וכל [[קרינה אלקטרומגנטית]] אחרת בתוך [[ריק]]. המהירות היא 299,792,458 [[מטר לשנייה|מטרים לשנייה]], כלומר בערך 300,000 קילומטרים לשנייה, שהם כ-1,080,000,000 [[קילומטר לשעה]]. מקובל לסמן את מהירות האור באות '''c''' - קיצור של המילה ה[[לטינית]] "celeritas" שמשמעה "מהירות"{{הערה|האור נע אך ורק ב[[ריק]] (בין אם מדובר בנפח שאין בו חומר כלל ובין אם מדובר במרחב שבין חלקי ה[[אטום]] ובמרחב בין האטומים עצמם). כאשר קרן אור עוברת דרך חומר היא עשויה לערר את האלקטרונים שבו. האלקטרונים יגרמו לפליטה חוזרת של פוטונים, שבתורם יעררו אלקטרונים נוספים וכן הלאה, עד ליציאת קרן האור מהחומר. מאחר שתהליכי העירור־פליטה לוקחים פרקי זמן זעירים ביותר, נדמה כאילו האור "מאט" בזמן מעברו בחומר, אך, כאמור, אין זה כך כלל ועיקר ומהירות האור קבועה}}. ה[[מטר|מטר הסטנדרטי]] הוגדר מחדש ב-[[1983]] על פי מהירות זו שכן מהירות האור קבועה בכל [[מערכת ייחוס|מערכות היחוס]] ולכן זו הצורה הטבעית ביותר להגדיר בה [[מרחק]].

==התנהגות האור==
על פי [[תורת היחסות הפרטית]] של [[אלברט איינשטיין|איינשטיין]] מהירות האור בריק היא הגבול העליון למהירות שבה יכולים [[חלקיק]] או אנרגיה לנוע. מהירות האור בריק היא [[קבוע פיזיקלי|קבועה]] בעוד שהזמן והמרחב הם יחסיים. חלקיקים חסרי [[מסה]] כדוגמת ה[[פוטון]] נעים בריק במהירות האור, בעוד חלקיקים בעלי מסה יכולים רק להתקרב אליה.

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 ה[[מכניקה קלאסית|מכניקה 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 ב[[מערכת ייחוס|מערכות ייחוס אינרציאליות]] בלא קשר למהירות בה הם נעים זה ביחס לזה, כשהמסקנה המתחייבת מכך היא שהזמן איננו אחיד לכולם.

מהירות האור מתקבלת מ[[משוואות מקסוול]] כמהירות ההתקדמות של קרינה אלקטרומגנטית, ללא תלות בכיוון או במערכת ייחוס. מקסוול הראה שמהירות האור בריק נתונה על ידי <math>\ c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}}</math> כאשר <math>\epsilon_0</math> הוא ה[[מקדם דיאלקטרי|מקדם הדיאלקטרי]] של הריק ו־<math>\mu_0</math> הוא [[מקדם מגנטיות|מקדם המגנטיות]] של הריק.
איינשטיין הסיק מכך שמהירות האור היא [[חוק טבע]] שאינו משתנה במעבר בין מערכות ייחוס אינרציאליות.

אולם, על פי [[אלברט איינשטיין|איינשטיין]] משתנה מהירות האור 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.{{הערה|[http://www.gutenberg.org/cache/epub/5001/pg5001.html ראו מאמר של איינשטיין מ־1916 (מהדורה מתוקנת מ־1924) בפסקה המתחילה "..In the second place our result shows"]}}

===מעבר של מהירות האור===
לא ניתן לעבור את מהירות האור בריק, אך ב[[תווך|תווכים]] שונים ייתכנו חלקיקים שיעברו את מהירות האור באותו התווך.
* [[אלקטרון|אלקטרונים]] מהירים יותר מפוטונים בבריכת [[מים כבדים]] שב[[כור גרעיני]]. תופעה זו מתאפיינת בפליטת אור כחול הנקרא [[קרינת צ'רנקוב]].{{הערה|{{דוידסון|חיים ברק|מהי קרינת צ'רניקוב?|askexpert/physics/מהי-קרינת-צרניקוב|13 בפברואר 2010}}}}
* מניסוי שנערך בשנת 2011 נטען על ידי [[מדען|מדענים]] מ-[[CERN]] כי חלקיקי [[נייטרינו]] עברו את מהירות האור.{{הערה|{{הידען|גלי ויינשטיין|ובכל זאת, אולי הניטרינו לא עבר את מהירות האור|maby-neutrino-didnt-pass-speed-of-light-181011|18 באוקטובר 2011}}}} ממצא זה התברר כטעות.{{הערה|{{ynet|ד"ר יגאל פת-אל|המדריך לחלקיק: איך עוברים את מהירות האור?|4127084|25 בספטמבר 2011}}}}

==היסטוריה של מדידת מהירות האור==
===מדידות אסטרונומיות===
בשנת [[1671]], לאחר שסיים את לימודיו ב[[קופנהגן]], הצטרף [[אולה רמר]] למצפה הכוכבים של [[אורניבורג]] באי ה[[שוודיה|שוודי]] ון שבקרבת קופנהגן. במהלך מספר חודשים, צפו רמר ו[[ז'אן-פליקס פיקאר]] בקרוב ל־140 ליקויי ירח של [[איו (ירח)|איו]], [[ירח]]ו של [[כוכב לכת|כוכב הלכת]] [[צדק (כוכב לכת)|צדק]], בזמן שב[[פריז]] צפה באותם ליקויים [[ג'ובאני קאסיני]]. על ידי השוואת זמני הליקויים, חושב ההפרש בין קו האורך של פריז לזה של אורניבורג.

מספר שנים קודם לכן, בין השנים [[1666]] ו־[[1668]], צפה קאסיני בירחיו של צדק  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 ממנו. קאסיני פרסם מאמר קצר באוגוסט [[1675]] שבו כתב:
{{ציטוט| תוכן=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.|מקור=|מרכאות=כן}}

באופן מוזר, קאסיני נטש את ההסבר שסיפק, ורמר אימץ אותו והחליט להוכיח את נכונותו, בעזרת מספר תצפיות שהוא ופיקאר ביצעו בין השנים 1671 ו־[[1677]]. רמר הציג את תוצאותיו בפני [[האקדמיה הצרפתית למדעים]], והרעיון סוקר זמן קצר לאחר מכן על ידי [[כתב (מקצוע)|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 (בסך הכל 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 /60 *80 * 42.5 ~ 9,300. חישוב מודרני שיבוצע בתחילת המאה ה-21 יניב תוצאה העומדת על כ־10,000.

רמר לא חישב את היחס הזה, ולמעשה אף לא חישב את מהירות האור, אך רבים אחרים חישבו מהירותו על סמך המידע שלו. הראשון היה [[כריסטיאן הויגנס]]. לאחר הצלבה עם נתוניו של רמר והפקת מידע נוסף, הסיק הויגנס שהאור עובר בשנייה אחת 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 התקבלה עד למדידות שערך [[ג'יימס ברדלי]] בשנת [[1727]]. באמצעות מדידת [[אברציה כוכבית]] גילה ברדלי 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 ז'וזף דלאמבר]] שהזמן שאורך לאור לנוע מ[[השמש]] לכדור־הארץ עומד על 8 דקות ו־12 שניות. אם המדידות של ה[[יחידה אסטרונומית|יחידה האסטרונומית]] (המרחק בין הארץ לשמש) היו מדויקות, הדבר אומר שמהירות האור עומדת על מעט יותר מ־300,000 קילומטר לשנייה.

===מדידות פיזיקליות===
[[קובץ:Fizeau.JPG|ממוזער|300px|מנגנון פיזו. האור עובר מצד אחד של השן בדרכו החוצה, ומצדה השנייה של השן בדרכו חזרה, בהנחה שמהלך גלגל השיניים משלים שן אחת בזמן התקדמות האור.]]
הפיזיקאי הצרפתי [[ארמן איפוליט פיזו]] היה הראשון שחישב את מהירות האור על כדור הארץ, זאת באמצעות [[פיזיקה|ניסוי פיזיקלי]] מתוכנן.

פיזו העביר קרן אור דרך [[גלגל שיניים]] מסתובב, הקרן עברה שמונה קילומטרים עד שהגיעה למראה שהחזירה אותה לגלגל השיניים, שבמשך אותו זמן הסתובב מהר מספיק כדי שהקרן תחלוף בפער הבא של השיניים ותגיע לעינו של הצופה.{{הערה|שם=Al-Azzawi|{{cite book |title=Photonics: principles and practices |author=Abdul Al-Azzawi |url=http://books.google.com/books?id=H3dtlDZrfwkC&pg=PA9 |page=9 |isbn=0-8493-8290-4 |year=2006 |publisher=CRC Press}}}} כדי לחשב את מהירות האור יש לסובב את גלגל השיניים במהירות נכונה שבה הקרן החוזרת מהמראה עוברת בפער בין השיניים במקום לפגוע בשן עצמה. על ידי חלוקת המרחק שהקרן עברה בזמן שלוקח לגלגל השיניים להסתובב מרחק של שן אחת, חושבה מהירות האור להיות 315,000 קילומטר לשנייה, סטייה של כ-5% מהערך הנכון.

הניסוי של פיזו למדידת מהירות האור במים נחשב כ"מסמר האחרון בארון המתים" של מודל החלקיקי של האור של [[ניוטון]].{{הערה|{{cite book | title = Understanding Physics | author = David Cassidy, Gerald Holton, James Rutherford | publisher = Birkhäuser | year = 2002 | isbn = 0-387-98756-8 | url = http://books.google.com/books?id=rpQo7f9F1xUC&pg=PA382&dq=פוקו+speed-of-light+wave+theory}}}} מודל זה חזה שתנועת האור במים היא מהירה יותר מאשר באוויר. פיזו הראה שמהירות האור במים נמוכה מבאוויר, על ידי כך שהניח צינור מלא מים בנתיב האור.{{הערה|שם=Walker|{{cite book |title=Optical Engineering Fundamentals |url=http://books.google.com/books?id=Ccx9OM7iph8C&pg=PA13 |page=13 |author=Bruce H Walker |isbn=0-8194-2764-0 |publisher=SPIE Press |year=1998}}}}

בשנת [[1850]] תכננו פיזו ו[[לאון פוקו]] את [[מנגנון פיזו-פוקו]] שהיה שכלול של המתקן של פיזו. במהלך הניסוי, אור מוחזר מ[[מראה]] מסתובבת, לעבר מראה נייחת המוצבת במרחק 35 קילומטר ממנה. המראה המסתובבת מתקדמת מעט בזמן שלוקח לאור לעבור מהמראה המסתובבת לנייחת וחזרה, והשתקפות האור מוסטת ביחס למקור האור, בזווית קטנה אך ניתנת לגילוי. ניתן לחשב את מהירות האור כאשר יודעים את [[מהירות זוויתית|המהירות הזוויתית]] של המראה המסתובבת, המרחק בין שתי המראות והזווית שנצפתה בניסוי.{{הערה|שם=Baierlein|
{{cite book
|title=Newton to Einstein: the trail of light : an excursion to the wave-particle duality and the special theory of relativity
|author=Ralph Baierlein
|page=44; Figure 2.6 and discussion
|url=http://books.google.com/books?id=wrmZrcE0fPMC&pg=PA44
|isbn=0-521-42323-6
|year=2001
|publisher=Cambridge University Press }}
}}
[[קובץ:Michelson speed of light measurement 1930.jpg|ממוזער|500px|מרכז|אחד הניסויים האחרונים והמדויקים ביותר של [[אלברט אברהם מייקלסון|מייקלסון]], פיז ופירסון למדידת מהירות האור. הניסוי נערך בשנים 1930–1935. מתקן הניסוי היה שכלול של מנגנון פיזו-פוקו וכלל צינור ריק באורך של 1.6 קילומטר, ומראה מסתובבת. האור הוחזר 10 פעמים ועבר בסך הכל 16 קילומטר. הניסוי הגיע לדיוק של ±11 קילומטר לשנייה]]

==יחידות אורך ומהירות האור==
===המטר ומערכת היחידות הבין-לאומית===
במקור הוגדר ה[[מטר]] בשנת [[1791]] על ידי [[האקדמיה הצרפתית למדעים]] כחלק ה-10,000,000 של המרחק על פני כדור הארץ מ[[הקוטב הצפוני]] עד ל[[קו המשווה]] לאורך ה[[מרידיאן]] של [[פריז]]. ב-[[1795]] אימצה [[צרפת]] את המטר כיחידה הרשמית למדידת מרחק. חוסר ודאות בנוגע לדיוקה של מדידת המרחק הנדון הוביל את [[הלשכה הבינלאומית למידות ולמשקלות]] להגדיר מחדש את המטר בשנת [[1889]] כמרחק בין שני פסים על מוט העשוי מ[[סגסוגת]] של [[פלטינה]] ו[[אירידיום]].

הגדרות אלה סובלות מבעיות שונות - בעיה אחת היא שקשה למדוד מרחקים בדיוק רב כאשר הדבר מבוסס על מוט או היקף כדור הארץ. מוט מתכת עלול להגנב או להאבד. בנוסף, הגדרות אלה עלולות להשתנות עם הזמן - למשל מוט המתכת מתפשט ומתכווץ בהתאם לטמפרטורה, ואפילו בהיקף כדור הארץ עלולים לחול שינויים זעירים עם הזמן.

בשנת [[1960]], בעקבות פיתוח ה[[לייזר]], שונתה ההגדרה פעם נוספת בכנס ה-11 למידות ולמשקלות לפי [[אורך גל|אורכי גל]] של [[ספקטרום פליטה|קו הפליטה]] ה[[כתום]]-[[אדום]] של ה[[איזוטופ]] [[קריפטון]]-86. ב-[[1983]] הכנס הכללי למידות ומשקולות הגדיר מחדש את ה[[מטר]] לפי המרחק שעובר האור בריק במשך זמן נתון. המטר מוגדר כמרחק שעובר האור בריק, בזמן של 1/299,792,458 [[שנייה]].

למדידה מדויקת של המטר יש חשיבות גדולה שכן הוא הבסיס ל[[השיטה המטרית|שיטה המטרית]] שמייצגת את [[יחידת מידה|יחידות המידה]] המקובלות ביותר בעולם, ומהווה את אחד הבסיסים ל[[מדידה|מדידות]] [[גודל פיזיקלי|גדלים פיזיקליים]] המסודרות על פיה, והן קרויות [[מערכת היחידות הבין-לאומית]] או SI (בצרפתית -Système international d'unités). על פי המטר מוגדרות יחידות אחרות המשמשות ב[[מדעי הטבע]] וב[[הנדסה]]: יחידות אורך אחרות כמו [[קילומטר]], [[דצימטר]], [[מילימטר]], ו[[ננומטר]]; יחידות שטח כמו [[קילומטר רבוע]]; יחידות נפח כמו [[ליטר]] (דצימטר רבוע); יחידות [[מסה]] כמו [[קילוגרם]] - במקור הוגדר הקילוגרם כמסה של דצימטר מעוקב של [[מים מזוקקים]] ב[[טמפרטורה]] של 4 [[מעלות צלזיוס]] ובלחץ של [[לחץ אטמוספירי|אטמוספירה אחת]]; ב[[כימיה]], [[מול]] מוגדר ככמות המכילה חלקיקים כמספר האטומים שיש ב-12 גרם של פחמן-12 טהור; ב[[חשמל]], [[אמפר]] אחד מוגדר כעוצמת זרם קבועה, אשר אם יזרום בשני מוליכים מקבילים וישרים בעלי אורך אינסופי וחתך זניח אשר מונחים במרחק של מטר אחד מהשני בריק, יפיק כח של {{SN|2|-7}} ניוטון למטר בין שני המוליכים.

===שנת אור ויחידות אסטרונומיות===
מאז המאה ה-20 נהוג להגדיר מרחקים [[אסטרונומיה|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. בנוסף מידות אלה מפשטות את מדידת המרחקים האסטרונומיים, שנמצאים בטווחים גדולים לאמות מדידה מקובלות כמו קילומטרים.

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־{{SN|30.86|12}} 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==
*[[אלקטרומגנטיות]]
*[[מהירות הקול]]
*[[זמן מאוחר]]

==קישורים חיצוניים==
{{מיזמים|ויקימילון=מהירות האור|ימין}}
*{{אסטרופדיה|{{שם הערך}}}}
*[http://www.space.gov.il/תגיות/מהירות-האור מהירות האור], מאמרים וכתבות באתר [[סוכנות החלל הישראלית]]
*{{בלדד השוחי|157635|איך מדדו את מהירות האור?}}
*[http://ofer-megged-phys-notes.blogspot.co.il/2013/09/blog-post.html הואקום האלקטרומגנטי]
*{{הידען|אבי בליזובסקי|340 שנה לקביעת מהירות האור|340th-anniversary-of-the-determination-of-the-speed-of-light-0712169|7 בדצמבר 2016}}
* {{בריטניקה}}
* {{דף שער בספרייה הלאומית|987007529354105171|אור - מהירות}}

==הערות שוליים==
{{הערות שוליים|יישור=ימין}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:קבועים פיזיקליים]]
[[קטגוריה:תורת היחסות הפרטית]]
[[קטגוריה:אופטיקה]]
[[קטגוריה:גלים]]
[[קטגוריה:אור]]
[[קטגוריה:יחידות מידה: מהירות]]
[[קטגוריה:מהירות]]