מהירות האור הקבועה היא הבסיס לתורת היחסות ולפיזיקה המודרנית, אך תיאוריה חדשה טוענת כי בעבר היא הייתה גבוהה יותר, הסבר שעשוי לפתור תעלומות הקשורות בהיווצרות היקום

אחת מהנחות היסוד המהפכניות שהיוו את הבסיס לתורת היחסות של אלברט איינשטיין היא שמהירות האור קבועה בכל מערכות הייחוס. כלומר אדם שיושב על כדור הארץ ואדם שנמצא בחללית הנעה במהירות גבוהה יראו שניהם את האור נע בדיוק באותה מהירות – 299,792,458 מטר לשנייה. להנחה הזאת יש השלכות מרחיקות לכת על התקדמות הזמן והתארכות המרחב במהירויות גבוהות, והיא הוכחה שוב ושוב באין ספור ניסויים.

חוקרים מאוניברסיטת ווטרלו בקנדה ואימפריאל קולג' בלונדון מציעים תיאוריה קצת אחרת. לטענתם, מהירות האור אכן קבועה בכל מערכות הייחוס בכל רגע נתון, אבל היא משתנה בזמן והייתה בעבר גבוהה יותר. התיאוריה שהם מציעים עשויה לפתור בעיה קיימת בקוסמולוגיה ולהסביר את השלבים המוקדמים של התפתחות היקום.

תעלומה באופק

ספציפית, החוקרים מנסים להציע פתרון לאחת הבעיות בתיאוריית המפץ הגדול, שנקראת בעיית האופק. לפי תורת היחסות, שום דבר אינו יכול לנוע מהר יותר ממהירות האור. למשל אם כוכב שנמצא במרחק של עשר שנות אור מכדור הארץ יתפוצץ עכשיו, נוכל לדעת את זה רק בעוד עשר שנים, כי רק אז יוכל האור מהכוכב, או כל דבר אחר משם, להגיע אלינו. מהירות האור והזמן שעבר מאז האירוע קובעים את המרחק המקסימלי שאליו יוכל להגיע אור מהאירוע. המרחק הזה נקרא "אופק האירועים".

לפי תיאוריית המפץ הגדול, היקום כולו התחיל בנקודה אחת לפני 13.8 מיליארד שנה ומאז הוא מתפשט ומתרחב. אחת העדויות המשמעותיות ביותר לכך היא קרינת הרקע הקוסמית –  קרינה אלקטרומגנטית בתחום המיקרוגל שמגיעה אלינו מכל הכיוונים בשמיים.

הקרינה הזאת נוצרה כ-380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול, כאשר נוצרו האטומים הראשונים. היא מעידה על מצב היקום באותו זמן ועוצמתה ואורכי הגל שלה אחידים מאוד, דבר שמעיד שהיקום היה בטמפרטורה אחידה באותו הזמן. לפיכך אנחנו יכולים להבין שכל אנרגיית החום שהייתה ביקום הספיקה להתפזר על פני כל החומר בזמן הזה.המהירות המירבית בה יכלה אנרגיית החום להתפזר היא מהירות האור.

אנו יכולים להסתכל על שתי נקודות בשמיים ,למשל נקודה אחת מעל הקוטב הצפוני ואחת מעל הקוטב דרומי. אנו יכולים למדוד את קרינת הרקע הקוסמית המגיעה מנקודות אלה ולראות שיש להן אותה טמפרטורה. ואפשר גם לחשב איפה הן נמצאו 380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול. הבעיה היא שהנקודה הראשונה תהיה מחוץ לאופק האירועים של הנקודה השנייה באותו זמן, ולכן זה לא ברור איך הספיק לעבור החום מנקודה אחת לשניה כך שתהיה להן אותה טמפרטורה. אפשר כמובן לעשות זאת עבור הרבה מאוד נקודות בשמיים ולראות שבעיית האופק היא גדולה וצריך לשנות את תיאוריית המפץ הגדול כדי לפתור אותה.

יש שתי דרכים לפתור את בעיית האופק. הראשונה היא תיאוריית האינפלציה: לפי האפשרות הזו ליקום הייתה טמפרטורה אחידה כשהיה קטן מאוד, ואז הוא התרחב מהר מאוד לגודל עצום. התרחבות היקום המהירה מאפשרת מרחק גדול בין שתי הנקודות וטמפרטורה זהה בשתיהן. ההצעה השנייה, שעליה מדבר המחקר הנוכחי, היא שמהירות האור הייתה שונה בעבר, וכך החום היה יכול לעבור בין שתי הנקודות הרחוקות (למשל באמצעות קרינה). ההצעה הזאת איננה חדשה, אבל עכשיו הציעו לבסוף דרך לבדוק אותה ולהכריע בין שתי האפשרויות.

החוקרים הציעו למדוד מאפיין של קרינת הרקע הקוסמית שנקרא "אינדקס ספקטרלי" ומתאר את השינויים הקטנים בצפיפות היקום המוקדם. לאחר התפשטות היקום השינויים הקטנים האלו גרמו ליצירת לגלקסיות וצבירי גלקסיות והם אחראים במידה רבה למבנה היקום על פני מרחקים גדולים. ההתפתחות של שינויים קטנים בצפיפות היקום המוקדם והיווצרות מבנה היקום תלויה במודל הספציפי של ההתפשטות ולכן כל תיאוריה מנבאת ערך שונה (או תחום של ערכים אפשריים) עבור האינדקס הספקטרלי. החוקרים חישבו ערך מדויק מאוד עבור אינדקס זה, והערך הנמדד הנוכחי קרוב לתחזית שלהם – כלומר תומך בתיאוריה של השתנות מהירות האור. מדידה מדויקת יותר תוכל לאשש או להפריך כל אחת מהתיאוריות המתחרות. הרעיון של החוקרים והאפשרות למדוד אותו יכולים להעניק לנו מידע חדש בנוגע לתהליך היווצרות היקום – תהליך שאיננו יודעים עליו הרבה ויש לנו מעט מאוד מקורות מידע לגביו.  

12 תגובות

  • נתנאל

    מנסה להבין

    חגי שלום,
    תודה על הכתבה.
    בנוגע לבעיית האופק, הדגמת אותה באמצעות מדידות של נקודות מעל הקוטב הצפוני ומעל הדרומי. אולי המפץ התרחש כאן, בגלקסיה שלנו? אם המפץ אכן התרחש כאן, האם זה מסביר את התופעה שהמדידות של כל הנקודות שוות?
    אם זה מסביר את התופעה, האם ישנה אופציה לבצע את מדידת הנקודות השונות ממקום מרוחק ולבדוק האם משם מתקבלות תוצאות שונות לכל כיוון וכ''ו...?
    אני לא מבין כלל בפיזיקה, אשמח לתשובה ברורה ופשוטה.
    תודה
    נתנאל

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןחגי אדרי

    תשובה

    שלום נתנאל, המפץ הגדול התרחש כאשר היקום כולו היה בנקודה אחת. לכן זה לא נכון לומר שהוא התרחש כאן בגלקסיה שלנו, או בכל גקלסיה אחרת, הוא התרחש כאשר כל הגלקסיות היו בנקודה אחת.
    אחת מהנחות היסוד של הקוסמולוגיה היא שהיקום אחיד ואיזוטרופי במבנה שלו. כלומר שאין הבדל בין להסתכל על היקום מכדור הארץ או מכל מקום אחר (גלקסיה אחרת, או כוכב אחר או כל מקום שיהיה), כי המיקום שלנו ביקום הוא לא מיוחד. מכך אפשר להבין שאין צורך בלמדוד בנקודות שונות, אם היקום אחיד ואיזוטרופי אז תתקבל אותה תוצאה פחות או יותר.

  • נתנאל

    תודה רבה אנסה להבין!:)

    תודה רבה
    אנסה להבין!:)

  • נתנאל

    חגי שלום,

    חגי שלום, בדרך כלל אתה משיב בום למחרת או באותו היום שהשאלה\הערה נכתבת.
    האם מה שהתענייתי הוא טפשי כל כך שלא ראוי להתייחסות כלל?)
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןחגי אדרי

    תשובה

    שלום נתנאל,
    אני אמנם משתדל לענות במהירות האפשרית, אבל לא תמיד מצליח לענות באותו יום או למחרת.
    אין שום בעיה עם השאלות שלך, תמשיך לשאול ולהתעניין ואני אנסה לענות בצורה הברורה ביותר.
    אחת המטרות העיקריות באתר היא לענות על שאלות הקוראים וליצור דו -שיח סביב נושאים מדעיים. לפעמים השאלות מובילות למחשבות נוספות והסברים טובים יותר וגם לכתבות נוספות באתר.

  • שי

    לפי תאוריה זו - האם האנרגיה ביקום משתנה? או גם המסה?

    מיכוון שהאנרגיה היא פונקציה של מסה ומהירות האור בריבוע ... האם האנרגיה ביקום קבועה? ואם כך אז לפי התאוריה החדשה כשמהירות האור משתנה האם גם המסה השתנתה? או כמות האנרגיה ביקום? או הנוסחא? reply

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןחגי אדרי

    תשובה

    שלום שי, ישנן מספר תיאוריות בהן מהירות האור משתנה, ובכל אחת מהן זה מתבצע בצורה שונה קצת.
    בחלק מהתיאוריות כמות אנרגיה ביקום משתנה גם היא בזמן.

  • litldevil

    שלום חגי ותודה על הכתבה.. האם

    שלום חגי ותודה על הכתבה.. האם תוכל לפרט קצת יותר על הנושא שאם מהירות האור היא קבועה ומקסימלית אז מה הכוונה בנוסחה E=MC2 לגבי שהמהירות הזו יכולה להתקיים בריבוע ?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןחגי אדרי

    תשובה

    שלום, הנוסחה E=MC^2 אומרת שהאנרגיה של גוף שווה למסה שלו כפול מהירות האור בריבוע. היא לא אומרת שהגוף נע במהירות האור.
    זה שמהירות האור בריבוע מופיעה בנוסחה לא אומר שום דבר, באותה מידה יש נוסחאות אחרות בהן מהירות האור מופיעה בחזקות אחרות..

  • יוני

    אז הזמן של היווצרות היקום קטן יותר

    אם יוכח שמהירות האור היתה שונה ומהירה יותר בעבר - אז המסקנה היא שגם גיל היקום שונה ולא חייב להיות 14 מיליארד שנים - כיוון שיכול להיות שבעבר האור נע יותר מהר ולכן במהירות הנוכחית שלנו זה נראה בזמן כזה - כמו כן גם הנפח של היקום משתנה והוא צריך להיות הרבה יותר קטן

  • ארי דוד בנימין

    מהירות האור אינה סופית ראה חורים שחורים

    תאוריה
    אם חורים שחורים מונעים מפוטונים לצאת החוצה הווה אומר
    שמהירטת האור אינה מספיקה בכדי להיחלץ מכח הכבידה בדיוק כמו טילים שנדרשים למהירות של 24000 קמ"ש בכדי להתנתק ולצאת לחלל
    אלא אם נוצר היפוך קטבים בפוטון כתוצאה מכח הכבידה שעל פניו הוא נע כביכול החוצה אולם אנו לא רואים אותו

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןחגי אדרי

    תשובה

    שלום ארי, לא הבנתי בדיוק מה אתה טוען. אם תוכל להרחיב בבקשה.
    מה הכוונה היפוך קטבים בפוטון? למה אתה חושב שמהירות האור אינה סופית?