כמה מהר עובר האור בוואקום

מהירות האור בוואקום היא אינדיקטור שנמצא בשימוש נרחב בפיזיקה ואפשר בבת אחת לגלות מספר תגליות, כמו גם להסביר את טבען של תופעות רבות. ישנן מספר נקודות חשובות שיש ללמוד על מנת להבין את הנושא ולהבין כיצד ובאילו תנאים התגלה מדד זה.

מהי מהירות האור

מהירות התפשטות האור בוואקום נחשבת לערך מוחלט, המשקף את מהירות ההתפשטות של קרינה אלקטרומגנטית. הוא נמצא בשימוש נרחב בפיזיקה ויש לו ייעוד בצורה של אות לטינית קטנה "s" (אומרת "tse").

בוואקום, מהירות האור משמשת כדי לקבוע באיזו מהירות נעים חלקיקים שונים.

לפי רוב החוקרים והמדענים, מהירות האור בוואקום היא המהירות המקסימלית האפשרית של תנועת חלקיקים והתפשטות של סוגים שונים של קרינה.

באשר לדוגמאות של תופעות, הן:

1. אור נראה מכל מָקוֹר.
2. כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית (כגון קרני רנטגן וגלי רדיו).
3. גלי כבידה (כאן דעותיהם של כמה מומחים שונות).

סוגים רבים של חלקיקים יכולים לנוע קרוב למהירות האור, אך לעולם לא מגיעים אליה.

הערך המדויק של מהירות האור

מדענים מנסים כבר שנים רבות לקבוע מהי מהירות האור, אך מדידות מדויקות נעשו בשנות ה-70 של המאה הקודמת. בסופו של דבר המחוון היה 299,792,458 מ"ש עם סטייה מרבית של +/-1.2 מ'. כיום זוהי יחידה פיזית בלתי משתנה, מכיוון שהמרחק במטר הוא 1/299,792,458 שניה, זה כמה זמן לוקח לאור בוואקום לעבור 100 ס"מ.

מַדָעִי נוסחה לקביעת מהירות האור.

כדי לפשט את החישובים, המחוון מפושט ל-300,000,000 m/s (3×108 m/s). זה מוכר לכולם בקורס הפיזיקה בבית הספר, שם מודדים את המהירות בצורה הזו.

התפקיד הבסיסי של מהירות האור בפיזיקה

אינדיקטור זה הוא אחד העיקריים שבהם, ללא קשר למערכת ההתייחסות המשמשת במחקר. זה לא תלוי בתנועה של מקור הגל, וזה גם חשוב.

אינווריאנטיות הונחה על ידי אלברט איינשטיין ב-1905. זה קרה לאחר שמדען אחר, מקסוול, שלא מצא עדויות לקיומו של אתר זוהר, העלה תיאוריה על אלקטרומגנטיות.

הקביעה שלא ניתן להעביר השפעה סיבתית במהירות העולה על מהירות האור נחשבת היום סבירה למדי.

דרך אגב! פיזיקאים אינם מכחישים שחלק מהחלקיקים יכולים לנוע במהירות העולה על המדד הנחשב. עם זאת, לא ניתן להשתמש בהם להעברת מידע.

הפניות היסטוריות

כדי להבין את תכונות הנושא ולגלות כיצד התגלו תופעות מסוימות, יש ללמוד את הניסויים של כמה מדענים. במאה ה-19 התגלו תגליות רבות שעזרו למדענים מאוחר יותר, הן נגעו בעיקר לזרם חשמלי ולתופעות של אינדוקציה מגנטית ואלקטרומגנטית.

ניסויים מאת ג'יימס מקסוול

מחקרו של הפיזיקאי אישר את האינטראקציה של חלקיקים ממרחק. לאחר מכן, זה אפשר לווילהלם ובר לפתח תיאוריה חדשה של אלקטרומגנטיות. מקסוול גם קבע בבירור את תופעת השדות המגנטיים והחשמליים וקבע שהם יכולים ליצור זה את זה, וליצור גלים אלקטרומגנטיים. המדען הזה הוא שהחל להשתמש לראשונה בכינוי "s", שבו עדיין משתמשים פיזיקאים בכל רחבי העולם.

הודות לכך, רוב החוקרים כבר אז התחילו לדבר על הטבע האלקטרומגנטי של האור. מקסוול, בעודו חקר את מהירות ההתפשטות של עירורים אלקטרומגנטיים, הגיע למסקנה כי מחוון זה שווה למהירות האור, בשלב מסוים הוא הופתע מעובדה זו.

הודות למחקר של מקסוול, התברר שאור, מגנטיות וחשמל אינם מושגים נפרדים. יחד, גורמים אלו קובעים את אופיו של האור, מכיוון שהוא שילוב של שדה מגנטי וחשמלי המתפשט בחלל.

תוכנית התפשטות גל אלקטרומגנטי.

מיכלסון וניסיונו בהוכחת המוחלטות של מהירות האור

בתחילת המאה הקודמת השתמשו רוב המדענים בעקרון היחסות של גלילאו, לפיו האמינו שחוקי המכניקה אינם משתנים, ללא קשר לאיזו מסגרת ייחוס משתמשים. אך יחד עם זאת, על פי התיאוריה, מהירות ההתפשטות של גלים אלקטרומגנטיים צריכה להשתנות כאשר המקור נע. זה ניגש הן להנחות של גלילאו והן לתיאוריה של מקסוול, שהייתה הסיבה לתחילת המחקר.

באותה תקופה, רוב המדענים נטו ל"תורת האתר", לפיה האינדיקטורים לא היו תלויים במהירות המקור שלו, הגורם הקובע העיקרי היה תכונות הסביבה.

מיכלסון גילה שמהירות האור אינה תלויה בכיוון המדידה.

מכיוון שכדור הארץ נע בחלל החיצון בכיוון מסוים, מהירות האור, על פי חוק חיבור המהירויות, תהיה שונה כאשר נמדד בכיוונים שונים. אבל מיכלסון לא מצא שום הבדל בהתפשטות הגלים האלקטרומגנטיים, ללא קשר לאיזה כיוון בוצעו המדידות.

תורת האתר לא יכלה להסביר את נוכחותו של ערך מוחלט, שהראה את הכשל שלו אפילו טוב יותר.

תורת היחסות המיוחדת של אלברט איינשטיין

מדען צעיר באותה תקופה הציג תיאוריה הנוגדת את הרעיונות של רוב החוקרים. לפי זה, לזמן ולמרחב יש מאפיינים כאלה המבטיחים את השונות של מהירות האור בוואקום, ללא קשר למסגרת הייחוס שנבחרה. זה הסביר את הניסויים הלא מוצלחים של מיכלסון, שכן מהירות התפשטות האור אינה תלויה בתנועת המקור שלו.

[tds_council]אישור עקיף לנכונות התיאוריה של איינשטיין היה "היחסות של סימולטניות", המהות שלה מוצגת באיור.[/tds_council]

דוגמה לאופן שבו מיקומו של אדם משפיע על תפיסת התפשטות האור שלו.

כיצד נמדדה מהירות האור לפני כן?

ניסיונות לקבוע אינדיקטור זה נעשו על ידי רבים, אך בשל רמת ההתפתחות הנמוכה של המדע, זה היה בעבר בעייתי לעשות זאת. לפיכך, מדענים מהעת העתיקה האמינו שמהירות האור היא אינסופית, אך מאוחר יותר חוקרים רבים פקפקו בהנחה זו, מה שהוביל למספר ניסיונות לקבוע אותה:

1. גלילאו השתמש בפנסים. כדי לחשב את מהירות ההתפשטות של גלי האור, הוא והעוזר שלו היו על גבעות, שהמרחק ביניהן נקבע בדיוק. ואז אחד המשתתפים פתח את הפנס, השני היה צריך לעשות את אותו הדבר ברגע שראה את האור. אבל שיטה זו לא נתנה תוצאות בשל המהירות הגבוהה של התפשטות הגלים וחוסר היכולת לקבוע במדויק את מרווח הזמן.
2. אולף רומר, אסטרונום מדנמרק, הבחין בתכונה בזמן שצפה בצדק. כאשר כדור הארץ וצדק היו בנקודות מנוגדות במסלוליהם, הליקוי של איו (ירח של צדק) איחר ב-22 דקות בהשוואה לכוכב הלכת עצמו. בהתבסס על כך, הוא הגיע למסקנה שמהירות ההתפשטות של גלי האור אינה אינסופית ויש לה גבול. לפי חישוביו, הנתון עמד על כ-220,000 ק"מ לשנייה.
   קביעת מהירות האור לפי רומר.
3. בערך באותה תקופה גילה האסטרונום האנגלי ג'יימס בראדלי את תופעת סטיית האור, כאשר בשל תנועת כדור הארץ סביב השמש, וכן בשל סיבוב סביב צירו, שבגללו מיקומם של הכוכבים בשמים והמרחק אליהם משתנה כל הזמן.בשל תכונות אלו, הכוכבים מתארים אליפסה במהלך כל שנה. בהתבסס על חישובים ותצפיות, האסטרונום חישב את המהירות, היא הייתה 308,000 ק"מ לשנייה.
   סטייה של אור
4. לואי פיזו היה הראשון שהחליט לקבוע את האינדיקטור המדויק באמצעות ניסוי מעבדה. הוא התקין זכוכית עם משטח מראה במרחק של 8633 מ' מהמקור, אך מכיוון שהמרחק קטן, אי אפשר היה לבצע חישובי זמן מדויקים. ואז המדען הקים גלגל שיניים שכיסה מעת לעת את האור בשיניים. על ידי שינוי מהירות הגלגל, פיזו קבע באיזו מהירות האור לא הספיק להחליק בין השיניים ולחזור חזרה. לפי חישוביו, המהירות הייתה 315 אלף קילומטרים לשנייה.
   ניסיון של לואי פיזו.

מדידת מהירות האור

זה יכול להיעשות בכמה דרכים. לא כדאי לנתח אותם בפירוט; כל אחד מהם ידרוש סקירה נפרדת. לכן, הכי קל להבין את הזנים:

1. מדידות אסטרונומיות. כאן, השיטות של רומר ובראדלי משמשות לרוב, מכיוון שהן הוכיחו את יעילותן ותכונות האוויר, המים ותכונות אחרות של הסביבה אינן משפיעות על הביצועים. בתנאים של ואקום בחלל, דיוק המדידה עולה.
2. תהודה חלל או אפקט חלל - זהו שמה של התופעה של גלים מגנטיים עומדים בתדר נמוך המתעוררים בין פני כדור הארץ ליונוספירה. באמצעות נוסחאות מיוחדות ונתונים מציוד מדידה, לא קשה לחשב את הערך של מהירות החלקיקים באוויר.
3. אינטרפרומטריה - מכלול שיטות מחקר שבהן נוצרים מספר סוגי גלים.כתוצאה מכך נוצר אפקט הפרעה, המאפשר לבצע מדידות רבות של רעידות אלקטרומגנטיות ואקוסטיות כאחד.

בעזרת ציוד מיוחד ניתן לבצע מדידות ללא שימוש בטכניקות מיוחדות.

האם מהירות על-לומינלית אפשרית?

בהתבסס על תורת היחסות, עודף האינדיקטור על ידי חלקיקים פיזיקליים מפר את עקרון הסיבתיות. בשל כך, ניתן לשדר אותות מהעתיד לעבר ולהיפך. אבל יחד עם זאת, התיאוריה לא מכחישה שייתכן שיש חלקיקים שנעים מהר יותר, בזמן שהם מקיימים אינטראקציה עם חומרים רגילים.

סוג זה של חלקיקים נקרא טכיונים. ככל שהם נעים מהר יותר, כך הם נושאים פחות אנרגיה.

שיעור וידאו: הניסוי של פיזו. מדידת מהירות האור. פיזיקה כיתה יא.

מהירות האור בוואקום היא ערך קבוע; תופעות רבות בפיזיקה מבוססות עליה. הגדרתו הפכה לאבן דרך חדשה בהתפתחות המדע, שכן היא אפשרה להסביר תהליכים רבים ולפשט מספר חישובים.