מהירות האור

מהירות האור היא המהירות של האור וכל קרינה אלקטרומגנטית אחרת בתוך ריק. המהירות היא 299,792,458 מטרים לשנייה, כלומר כ-300,000 קילומטרים לשנייה, שהם כ-1,080,000,000 קילומטר לשעה. מקובל לסמן את מהירות האור באות c. המטר הסטנדרטי הוגדר ב-1983 על פי מהירות זו.

התנהגות האור

על פי תורת היחסות הפרטית של איינשטיין מהירות האור בריק היא הגבול העליון למהירות שבה יכולים חלקיק או אנרגיה לנוע. מהירות האור בריק היא קבועה בעוד שהזמן והמרחב הם יחסיים. חלקיקים חסרי מסה כדוגמת הפוטון 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 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  כאשר  הוא המקדם הדיאלקטרי של הריק ו־ 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.

מדידות אסטרונומיות

בשנת 1671, לאחר שסיים את לימודיו בקופנהגן, הצטרף אולה רמר למצפה הכוכבים של אורניבורג באי השוודי ון שבקרבת קופנהגן. במהלך מספר חודשים, צפו רמר וז'אן-פליקס פיקאר בקרוב ל־140 ליקויי ירח של איו, ירחו של כוכב הלכת צדק, בזמן שבפריז צפה באותם ליקויים ג'ובאני קאסיני. 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 ממנו. קאסיני פרסם מאמר קצר באוגוסט 1675 שבו כתב:
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 ופיקאר 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 (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 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.

מדידות פיזיקליות

הפיזיקאי הצרפתי ארמן איפוליט פיזו היה הראשון שחישב את מהירות האור על כדור הארץ, זאת באמצעות ניסוי פיזיקלי מתוכנן.
פיזו העביר קרן אור דרך גלגל שיניים מסתובב, הקרן עברה שמונה קילומטר עד שהגיעה למראה שהחזירה אותה לגלגל השיניים, שבמשך אותו זמן הסתובב מהר מספיק כדי שהקרן תחלוף בפער הבא של השיניים ותגיע לעינו של הצופה. 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 סיבוב 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. 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.
בשנת 1850 תכננו פיזו ולאון פוקו את מנגנון פיזו-פוקו שהיה שכלול של המתקן של פיזו. במהלך הניסוי, אור מוחזר ממראה 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 המהירות הזוויתית של המראה המסתובבת, המרחק בין שתי המראות והזווית שנצפתה בניסוי.

המטר ומערכת היחידות הבינלאומית

במקור הוגדר המטר בשנת 1791 על ידי האקדמיה הצרפתית למדעים כחלק ה-10,000,000 של המרחק על פני כדור הארץ מהקוטב הצפוני עד לקו המשווה לאורך המרידיאן 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 מסגסוגת של פלטינה ואירידיום.
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 הלייזר, שונתה ההגדרה פעם נוספת בכנס ה-11 למידות ולמשקלות לפי אורכי גל של קו הפליטה הכתום-אדום של האיזוטופ קריפטון-86. ב-1983 הכנס הכללי למידות ומשקולות הגדיר מחדש את המטר 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 לשיטה המטרית שמייצגת את יחידות המידה המקובלות ביותר בעולם, ומהווה את אחד הבסיסים למדידות גדלים פיזיקליים המסודרות על פיה, והן קרויות מערכת היחידות הבינלאומית או SI (בצרפתית -Système international d'unités). על פי המטר מוגדרות יחידות אחרות המשמשות במדעי הטבע ובהנדסה: יחידות אורך אחרות כמו קילומטר, דצימטר, מילימטר, וננומטר; יחידות שטח כמו קילומטר רבוע ודונם; יחידות נפח כמו ליטר (דצימטר רבוע); יחידות מסה כמו קילוגרם - במקור הוגדר הקילוגרם כמסה של דצימטר מעוקב של מים מזוקקים בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס ובלחץ של אטמוספירה אחת; בכימיה, מול מוגדר ככמות המכילה חלקיקים כמספר האטומים שיש ב-12 גרם של פחמן-12 טהור; בחשמל, 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 ‎2×10⁻⁷‎ ניוטון למטר בין שני המוליכים.