אחת התוצאות של תיאוריית היחסות הפרטית היא שמהירות האור בריק היא המהירות הגבוהה ביותר בה יכול חלקיק כלשהו לנוע. אף על פי כן, ישנו מגוון רחב מאוד של תופעות בטבע הנעות ממקום למקום במהירות העולה על מהירות האור. אילו מין תופעות מוזרות אלה? האם הן מתרחשות על כדור הארץ? וכיצד ייתכן שתופעות אלו לא סותרות את עקרונות היחסות הפרטית? הדקו את חגורות הבטיחות, אנחנו יוצאים למסע במהירויות על-אוריות!

במקום להתמקד באור, נחפש את התשובות דווקא בחושך – בצללים ובאפלה. חושך, כלומר היעדרו של אור, אינו גוף מוחשי כלשהו ולכן אינו יכול להעביר מידע ממקום למקום. לפיכך, חוקי היחסות הפרטית אינם חלים על החושך והוא יכול לנוע בכל מהירות, מאפס ועד אינסוף. לא היינו מנחשים זאת, עד שראינו את הסרטון המעולה [1] של VSAUCE שדן בחושך (תרתי משמע) על סוגיו השונים. אחרי צפייה בסרטון, יצאנו לבדוק האם ישנן תופעות נוספות המסוגלות לנוע מהר יותר מהאור והופתענו לגלות את המגוון הרחב. לנוחיותכם, מיינו אותן לקבוצות בעלות מכנה משותף:
אפקטים אופטיים

1. צללים ודמויות אור על משטח – שימו את ידכם בין מנורה דולקת לקיר. מאחורי היד תיווצר דמות שלה כתוצאה מהיעדר הגעת האור אל הקיר שמאחוריה – אתם מכירים תופעה זו בשם "צל". כעת, אם תזיזו את היד במקביל לקיר, תוכלו להיווכח שהצל ינוע באותו כיוון אך במהירות גבוהה מזו של היד. יש לנו כאן דוגמה קלאסית להגדלה של דמות ביחס לעצם שממנו היא נוצרה; בעקבות התפשטות האור בכיוונים שונים ממקור האור, היעדר האור (הצל) נראה גדול יותר מאשר העצם (היד) שמונע מן האור להתקדם, ביחס הגדלה השווה למרחק ממקור האור לקיר מחולק במרחק ממקור האור לעצם. יחס הגדלה זה יישמר גם בהקשר לתנועה של הידמות יחסית לתנועת העצם . לפיכך, על-ידי משחק נכון של מרחקים, נוכל עקרונית לגרום לצללים לנוע במהירויות גבוהות מאוד, אפילו מעל מהירות האור!

אפקט דומה ניתן לקבל אם תאירו עם לייזר על משטח מרוחק, כמו הירח. בגלל המרחק הגדול בין מקור האור למשטח, תנועה עדינה של הלייזר יכולה לגרום לתנועה מאוד מהירה של נקודת האור הנוצרת על המשטח. גם כאן אפשר להגיע למהירויות גבוהות מעל למהירות האור, כמו שמומחש בסרטון הנמרץ [2] של Veritasium.
בשני המקרים אין המדובר בסתירה לעקרונות של תיאוריית היחסות הפרטית, שכן תופעות אלה אינן גופים מוחשיים ואינן מעבירות מידע. במקרה של הצל, האור ממשיך לנוע בכל העת במהירות האור אל כל האזורים המוארים, כלומר בכל המרחב פרט לאזור המוצלל אליו לא מגיע האור. במקרה של הלייזר, אור הלייזר ממשיך להגיע למשטח במהירות האור והעדות לכך היא זמן ההשהייה שלוקח לנקודת האור להסתגל מחדש לאחר הזזת מקור הלייזר (עד הירח מדובר בכמה שניות בלבד).
כהערת אגב נציין גישה קצת שונה להתייחסות למהירות של החושך, בה מצדד האסטרופיזיקאי ניל דה-גראס טייסון (Neil deGrasse Tyson). על פי השקפתו, לחושך אין כל מהירות, היות וחושך אינו גוף מוחשי הנע במרחב. במילים אחרות, הגישה האלטרנטיבית שלו קובעת כי מהירות החושך היא בכלל אפס! [3]

2. גלקסיות בדרך אלינו [4] – כשמתבוננים בשמים, ניתן לצפות, באמצעות מכשור מתאים, בגלקסיות ובעצמים שמימיים אחרים, המשנים את מיקומם ובחלק מהמקרים מתקרבים אל כדור הארץ. שיקול פשוט יאמר לנו שאם נדע את מיקומה של גלקסיה כזו ברגע מסוים ונמדוד את מיקומה ברגע אחר, נוכל להעריך את מהירות התקדמותה בפרק זמן זה. את החישוב יש לבצע תוך התחשבות בפרק הזמן שלוקח לאור להגיע מהגלקסיה אל עינינו, שעשויים להיות שונים בכל רגע כתוצאה מתנועת הגלקסיה עצמה. אם פרקי זמן אלה לא נלקחים בחשבון, מתקבלות תוצאות המורות על מהירות התקדמות העולה על מהירות האור, שלא בצדק.

אפקטים אקוסטיים (קוליים)

1. קרינת צ'רנקוב – דרך מתוחכמת לעלות מעל מהירות האור היא לגרום לאור להאט, וזה ניתן לביצוע על-ידי העברת אור מריק לחומר. כאשר אור מתפשט בחומר, מהירות ההתקדמות של הגלים יורדת מהערך שהיה לה בריק בפקטור השווה למקדם השבירה של החומר (למשל, עבור אוויר – 1.0003 או עבור מים – 1.4). אם נאט את האור לערכים מספיק נמוכים, נוכל לייצר בחומר תנועה ממשית של חומר שתהיה מהירה ממהירות האור באותו החומר. תנועה זו תייצר התפרצות של קרינה הנקראת "קרינת צ'רנקוב", בדומה לבום העל-קולי הנוצר כאשר תנועת האוויר בחזית המטוס עולה על מהירות הקול. גם כאן אין סתירה לעקרונות היחסות, שכן הם מדברים על מהירות האור בוואקום (ריק) כעל הגבול העליון למהירויות תנועה של גופים, סף אשר אינו נחצה כאן.

נחמה קוונטית
ששלל התרחישים שהוצגו עד כה היו כולם במסגרת פיזיקה מאקרוסקופית. כאשר מתחילים לבחון את הדינמיקה של חלקיקים מיקרוסקופיים, מגלים די מהר שאפקטים קוונטיים מוזרים מופיעים ומסבכים את התיאור ואת ההבנה של המתרחש. אי לכך, דווקא אפקטים מוזרים אלו פותחים צוהר חדש של אפשרויות למעבר הגבול העליון למהירויות בטבע. היות ואנו מתמקדים בתיאוריית היחסות, לא נרחיב על מכניקת הקוונטים ובמקום זאת נציין רק דוגמה אחת מייצגת.
ברור לנו שקיים גבול העליון למהירויות של גופים מוחשיים בטבע, והאור נמצא על הגבול הזה ומתפשט במרחב הריק באלומות ישרות אינסופיות. אך מה היה קורה אילו המרחב לא היה ריק מחומר? האם האור היה ממשיך לנוע בקווים ישרים או שמא היה מעקם את מסלול תעופתו? על כך, בפוסט הבא!
#תודהאיינשטיין

<< לפוסט הקודם   לפוסט הבא >>

מקורות:
[1] ?What Is The Speed of Dark
[2] ?Will This Go Faster Than Light
[3] Neil deGrasse Tyson: There Is No Speed of Dark
[4] Apparent Superluminal Velocity of Galaxies

עריכה לשונית: לנה קלמיקוב