מדוע מהירות האור היא כפי שהיא?

איינשטיין

תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין אומרת לנו שמהירות האור היא 186,000 מיילים בשנייה (300 מיליון מטרים בשנייה). (אשראי תמונה: איסקטל | שוטרסטוק )



פול מ. סאטר הוא אסטרופיסיקאי ב- SUNY סטוני ברוק ובמכון Flatiron, מארח של תשאל איש חלל ו רדיו חלל ומחבר ' איך למות בחלל . ' הוא תרם מאמר זה קולות המומחים של demokratija.eu: עדכון ותובנות .



כולנו מכירים ואוהבים את מהירות האור - 299,792,458 מטר לשנייה - אבל מדוע יש לו את הערך שהוא עושה? למה זה לא מספר אחר? ולמה אכפת לנו כל כך ממהירות אקראית של גלים אלקטרומגנטיים? מדוע היא הפכה לאבן יסוד כזו של הפיזיקה?

זה בגלל שמהירות האור פשוט מוזרה.



קָשׁוּר: מהירות אור קבועה: היחסות המיוחדת של איינשטיין שורדת מבחן אנרגיה גבוהה

לשים אור למבחן

האדם הראשון שהבין שלאור אכן יש מהירות בכלל היה אסטרונום בשם אולה רומר. בסוף 1600s, הוא היה אובססיבי לכמה תנועות מוזרות של הירח Io סביב צדק. מדי פעם, כוכב הלכת הגדול היה חוסם את ראייתנו על הירח הקטן שלו, וגורם לליקוי, אך נראה שהתזמון בין הליקויים השתנה במהלך השנה. או שמשהו פאנקי קורה במסלול של Io - שנראה חשוד - או שמשהו אחר קורה.

לאחר מספר שנים של תצפיות, רומר יצר את הקשר. כאשר אנו רואים את Io ליקוי, אנו נמצאים במצב מסוים במסלול שלנו סביב השמש. אבל בפעם הבאה שנראה ליקוי נוסף, כמה ימים לאחר מכן, אנו נמצאים במצב קצת שונה, אולי קרוב יותר או רחוק יותר צדק מהפעם הקודמת. אם אנחנו רחוקים יותר מהפעם האחרונה שראינו ליקוי חמה, אז זה אומר שעלינו לחכות קצת זמן נוסף כדי לראות את הבא כיוון שלוקח הרבה יותר זמן עד שהאור יגיע אלינו, וההפך הוא הנכון אם במקרה אנחנו קצת יותר קרובים לצדק.



הדרך היחידה להסביר את הווריאציות בתזמון ליקויי Io היא אם לאור יש מהירות סופית.

לגרום לזה להיות משהו

מדידות מתמשכות במהלך המאות הבאות חיזקו את מדידת מהירות האור, אך רק באמצע המאה ה -18 התחילו הדברים להתאחד באמת. זה הזמן שהפיזיקאי ג'יימס פקיד מקסוול המציא בטעות אור.

מקסוול שיחק עם תופעות החשמל והמגנטיות שהיו לא מובנות אז כשגילה תמונה אחת מאוחדת שיכולה להסביר את כל התצפיות השונות. הנחת היסודות למה שאנו מבינים כעת הכוח האלקטרומגנטי , באותן משוואות הוא גילה ששינוי שדות חשמליים יכול ליצור שדות מגנטיים, ולהיפך. זה מאפשר לגלי חשמל ליצור גלי מגנטיות, הממשיכים לייצר גלי חשמל הלוך ושוב הלוך ושוב, מזנקים אחד על השני, המסוגלים לנסוע בחלל.



וכשהוא הלך לחשב את המהירות של הגלים האלקטרומגנטיים האלה, מקסוול קיבל את אותו מספר שמדדו המדענים כמו מהירות האור במשך מאות שנים. Ergo, האור עשוי מגלים אלקטרומגנטיים והוא נוסע במהירות זו, כיוון שבזאת מהירות הגלים של חשמל ומגנטיות עוברים בחלל.

וכל זה היה טוב ויפה עד שאיינשטיין הגיע כמה עשרות שנים לאחר מכן והבין שלמהירות האור אין שום קשר לאור. עם תורת היחסות המיוחדת שלו, איינשטיין הבין את הקשר האמיתי בין זמן לחלל, מרקם מאוחד המכונה מקום-זמן. אך כפי שכולנו יודעים, מרחב שונה מאוד מהזמן. מטר או רגל שונים מאוד משנייה או משנה. נראה שהם שני דברים שונים לגמרי.

אז איך הם יכולים להיות באותו רגל?

היה צריך להיות סוג של דבק, קשר כלשהו שאפשר לנו לתרגם בין תנועה במרחב לתנועה בזמן. במילים אחרות, עלינו לדעת כמה שווה מטר של שטח אחד למשל בזמן. מה שער החליפין? איינשטיין מצא שיש קבוע אחד, מהירות מסוימת, שיכולה לספר לנו כמה שטח שווה לכמה זמן, ולהיפך.

התיאוריות של איינשטיין לא אמרו מהו המספר הזה, אך אז הוא יישם יחסיות מיוחדת על המשוואות הישנות של מקסוול ומצא שקצב ההמרה הזה הוא בדיוק מהירות האור.

כמובן שקצב ההמרה הזה, הקבוע הבסיסי הזה שמאחד את המרחב והזמן, לא יודע מהו גל אלקטרומגנטי, ואפילו לא אכפת לו. זה רק מספר כלשהו, ​​אבל מסתבר שמקסוול כבר חישב את המספר הזה וגילה אותו אפילו בלי לדעת אותו. הסיבה לכך היא שכל החלקיקים חסרי המסה מסוגלים לנוע במהירות זו, ומכיוון שהאור הוא חסר מסה, הוא יכול לנוע במהירות זו. וכך, מהירות האור הפכה לאבן יסוד חשובה של הפיזיקה המודרנית.

ובכל זאת, מדוע המספר הזה, עם הערך הזה, ולא מספר אקראי אחר? מדוע הטבע בחר את זה ולא אחר? מה קורה?

קָשׁוּר: הגאונות של אלברט איינשטיין: חייו, תיאוריות והשפעה על המדע

עושה את זה חסר משמעות

ובכן, המספר לא ממש משנה. יש לה יחידות אחרי הכל: מטרים לשנייה. ובפיזיקה לכל מספר שיש לו יחידות המחוברות אליו יכול להיות כל ערך ישן שהוא רוצה, כי זה אומר שאתה צריך להגדיר מהן היחידות. לדוגמה, על מנת לבטא את מהירות האור במטר לשנייה, ראשית עליך להחליט מהו מטר לעזאזל ומה זה לעזאזל שנייה. וכך ההגדרה של מהירות האור קשורה בהגדרות של אורך וזמן.

בפיזיקה, אנו עוסקים יותר בקבועים שאין להם יחידות או ממדים - במילים אחרות, קבועים המופיעים בתיאוריות הפיזיקליות שלנו שהם רק מספרים פשוטים. אלה נראים הרבה יותר בסיסיים, מכיוון שהם אינם תלויים בשום הגדרה אחרת. דרך נוספת לומר זאת היא שאם היינו פוגשים איזו ציביליזציה חייזרית, לא הייתה לנו דרך להבין את מדידת מהירות האור שלהם, אך כשמדובר בקבועים חסרי ממדים, כולנו יכולים להסכים. הם רק מספרים.

מספר אחד כזה ידוע כקבוע המבנה הדק, שהוא שילוב של מהירות האור, קבוע של פלאנק , ומשהו שידוע בתור היתר של שטח פנוי. הערך שלה הוא בערך 0.007. 0.007 מה? רק 0.007. כמו שאמרתי, זה רק מספר.

אז מצד אחד, מהירות האור יכולה להיות מה שהיא רוצה להיות, כי יש לה יחידות ואנחנו צריכים להגדיר את היחידות. אבל מצד שני, מהירות האור לא יכולה להיות שום דבר אחר ממה שהיא בדיוק, כי אם היית משנה את מהירות האור, היית משנה את קבוע המבנה הדק. אבל היקום שלנו בחר את קבוע המבנה העדין להיות בערך 0.007, ותו לא. זהו פשוט היקום שאנו חיים בו, ואין לנו ברירה לגביו כלל. ומכיוון שזה קבוע ואוניברסאלי, מהירות האור צריכה להיות בדיוק מה שהיא.

אז מדוע המבנה הדק קבוע בדיוק המספר שהוא, ולא משהו אחר? שאלה טובה. איננו יודעים.

למידע נוסף על ידי האזנה לפרק 'מדוע מהירות האור היא כפי שהיא?' בפודקאסט Ask A Spaceman הזמין ב- iTunes ובאינטרנט בכתובת http://www.askaspaceman.com. תודה לרוברט ה ', מייקל א', @DesRon94, אוון וו ', הארי א', @טוודיקסון, היין פ ', קולין א' ולוטיאן 53 על השאלות שהובילו ליצירה זו! שאל את השאלה שלך בטוויטר באמצעות #AskASpaceman או עקוב אחר Paul @PaulMattSutter ו- facebook.com/PaulMattSutter.