מדוע מעולם לא מדדנו את מהירות האור בכיוון אחד?

מהירות האור בריק, שעומדת על 299,792,458 מטרים לשנייה, ממלאת תפקיד מכריע בחוקי הפיזיקה כפי שאנו מבינים אותם. לכן, ייתכן שמפתיע לגלות שמעולם לא מדדנו ישירות את מהירות האור בכיוון אחד בלבד - אלא רק את הזמן שלוקח לו לנוע הלוך ושוב.

כיצד אנו מודדים את מהירות האור? בעבר, רבים - כולל הפילוסוף והמדען רנה דקארט - האמינו שמהירות האור היא אינסופית.

אך במאה ה-17, בעת שחקר את ליקויי הירח איו של צדק, האסטרונום הדני אולה רמר הבחין בתופעה מוזרה. הירח השלים מסלול סביב צדק כל 42.5 שעות, אך פרקי הזמן בין ליקוי לליקוי השתנו בהתאם למיקומו של כדור הארץ במסלולו סביב השמש. כאשר צדק היה קרוב לכדור הארץ, הליקויים התרחשו מוקדם מהממוצע, וכאשר צדק היה רחוק יותר, הליקויים התרחשו מאוחר יותר.

מתוך כך, רמר הסיק נכונה כי מהירות האור אינה אינסופית - אלא שלוקח לו זמן להגיע אלינו. הירח לא האט את תנועתו כאשר צדק היה רחוק יותר, אלא שלאור פשוט לקח זמן רב יותר להגיע אלינו. מאוחר יותר, המדען ההולנדי כריסטיאן הויגנס ניסה לחשב את מהירות האור בהתבסס על נתוניו של רמר והגיע להערכה של 210,824 קילומטרים לשנייה. ההבדל בין החישוב שלו לערך המדויק של היום נבע בעיקר מהערכה לא מדויקת של המסלול המדויק של כדור הארץ והפרשי הזמן של רמר.

כיום, אנו משתמשים בשיטות מתוחכמות יותר כדי למדוד את מהירות האור, לרבות ניסויים עם לייזרים ומראות. בשיטות אלו, קרן אור משוגרת למרחק ידוע, מוחזרת על ידי מראה, וחוזרת למקור, שם היא מזוהה שוב. על ידי חלוקת המרחק הכולל בזמן שלקח לקרן להגיע חזרה, מתקבלת מהירות האור - אשר במדידה המדוייקת ביותר שלנו היא כ-299,792,458 מטרים לשנייה.

אולם, שיטה זו מודדת למעשה את מהירות האור בשני כיוונים - הלוך ושוב. עד כה, מעולם לא מדדנו את מהירות האור בכיוון אחד בלבד. אנו מניחים כי מהירותו זהה בכל הכיוונים, כפי שהניח איינשטיין - אך זוהי רק הנחה. תאורטית, ייתכן שהאור נע בכיוון אחד מהר יותר מאשר בכיוון השני, אך מהירותו הכוללת מתאזנת כך שהמדידות שלנו מראות ערך אחיד.

אז מדוע איננו יכולים למדוד את מהירות האור בכיוון אחד?

כדי למדוד את מהירות האור בכיוון אחד בלבד, יש צורך לדעת שהשעון בנקודת השיגור מסונכרן בדיוק עם השעון בנקודת היעד. מבלי ששני השעונים מסונכרנים באופן מושלם, לא ניתן לחשב את מהירות האור במדויק. כאן מתעוררת הבעיה: תורת היחסות הפרטית קובעת שכאשר מזיזים שעונים זה מזה, הם מתחילים לתקתק בקצב שונה. ניסויים רבים, ואף מערכת ה-GPS, הוכיחו כי השעונים אכן פועלים בקצב שונה בהתאם למהירות התנועה שלהם ולשדה הכבידתי שבו הם נמצאים.

כאשר מנסים לסנכרן שני שעונים, אפילו אם עושים זאת באמצעות קרן אור, נכנסים לטיעון מעגלי - שכן השיטה עצמה מסתמכת על האור, שהמהירות שלו היא בדיוק הדבר שאותו אנו מנסים למדוד. "הסנכרון הזה משתמש באור כדי לקבוע את הזמן, מה שיוצר טיעון מעגלי, ולכן הופך את המדידה הזאת לבלתי תקפה", כך מסביר זאת מחקר מוקדם שנערך בנושא.

איינשטיין היה מודע לבעיה הזו כבר בשנת 1905, כאשר פרסם את מאמרו על האלקטרודינמיקה של גופים נעים. במאמרו הוא הסביר:

"אם יש שעון בנקודה A במרחב, אז צופה הממוקם ב-A יכול לקבוע את זמן ההתרחשות של אירועים המתרחשים בסביבתו הקרובה של A על ידי מציאת מיקום מחוגי השעון שמקביל לאותם אירועים. אם קיים גם שעון בנקודה B - ויש להוסיף כי מדובר ב'שעון בעל אותו מבנה בדיוק כמו זה שב-A' – אז גם הצופה הממוקם ב-B יכול להעריך את זמן ההתרחשות של אירועים בסביבתו", נכתב בתרגום של מאמרו של איינשטיין.

"אך אין זה אפשרי להשוות בין הזמן של אירוע המתרחש ב-A לבין הזמן של אירוע המתרחש ב-B ללא קביעה נוספת; עד כה הגדרנו רק 'זמן A' ו'זמן B', אך לא זמן משותף ל-A ול-B. ניתן להגדיר את האחרון על ידי קביעה, לפיה 'הזמן' שלוקח לאור לנוע מ-A ל-B שווה ל'זמן' שלוקח לו לנוע מ-B ל-A".

"למשל, נניח שקרן אור עוזבת את A בדרכה ל-B בזמן A המסומן כ-𝑡𝐴, מוחזרת מ-B חזרה ל-A בזמן B המסומן כ-𝑡𝐵, ומגיעה בחזרה ל-A בזמן A המסומן כ-𝑡𝐴′. השעונים בשתי הנקודות ייחשבו מסונכרנים לפי ההגדרה אם מתקיים 𝑡𝐵−𝑡𝐴 = 𝑡𝐴′ − 𝑡𝐵."

במילים אחרות, איינשטיין הניח כי מהירות האור זהה בכל הכיוונים, אך הודה כי זו רק הנחה תאורטית שאינה ניתנת לאימות ניסויי ישיר. מאז, איש לא הצליח למצוא דרך לעקוף את הבעיה ולמדוד את מהירות האור בכיוון אחד בלבד. למעשה, כבר הוכח כי המדידה שביצע רמר הייתה מדידה ממוצעת של מהירות האור ולא מדידה חד-כיוונית.

בעוד שההנחה לפיה מהירות האור אחידה נראית סבירה, זהו מצב בעייתי למדע, שכן כמה מהתיאוריות החשובות ביותר להבנת היקום שלנו נשענות על הנחה שלא ניתן לבדוק באופן ישיר. אולם, מאחר שנראה כי מדידה חד-כיוונית של מהירות האור עשויה להיות בלתי אפשרית לחלוטין, ייתכן שניאלץ פשוט להשלים עם העובדה הזו.

מקורות:

• קטעים מ- The One-Way Speed of Light מאת SpaceAustralia שנכתב ע"י: Dan Lambeth.

• קטעים מ- ?Why Have We Never Measured The One-Way Speed Of Light מאת IFLScience שנכתב ע"י: James Felton.

• קטעים מ- There's no way to Measure the Speed of Light in a Single Direction מאת Universe Today שנכתב ע"י:Brian Koberlein.