אור

אוֹר, או אור בתחום הנראה לעין האנושית הוא למעשה קרינה אלקטרומגנטית בעלת אורך גל הניתן לקליטה במנגנון העין האנושית (400–750 ננומטר). במובן רחב יותר, הגדרת האור הוא כקרינה אלקטרומגנטית המתפרס בטווח שבין תת-אדום לעל-סגול, או לשיטות רבות – כל סוג של קרינה אלקטרומגנטית בספקטרום.

אור

חדירת קרני אור מבעד לעננים, חוף בת-ים, 2021

התחום בפיזיקה העוסק באור ובתופעות הקשורות אליו נקרא אופטיקה. האופטיקה חוקרת כיצד האור מתמקד, נשבר, מתפרק לצבעים, כיצד יוצרים אור בעל תכונות רצויות, איך מוליכים את האור ואיך מודדים אותו. האופטיקה היא הבסיס להמצאה של מכשירים חדשים מבוססי אור כמו מעבד אופטי או הצפנה קוונטית.

מקור האור העיקרי על פני כדור הארץ הוא השמש. אור השמש מספק את האנרגיה הדרושה לצמחים לייצר בתהליך הפוטוסינתזה פחמימות שמהן ניזונים בעלי החיים, כך שאור השמש הוא מקור האנרגיה לרוב המזון על פני כדור הארץ. האור כצורה של אנרגיה משמש לחישה (ראייה), להפקת אנרגיה בטבע (פוטוסינתזה) ובאופן מלאכותי (תא פוטו-וולטאי), כמו גם לתקשורת, אומנות, רפואה, תעשייה ועוד. תכונות האור ניתנות למדידה: צבע האור נמדד באורך גל או תדירות, ועוצמת האור נמדדת ביחידות אנרגיה.

קיימים בטבע בעלי חיים וצמחים שמייצרים אור בתהליך ביולומינסנציה. האדם יצר מקורות אור מלאכותיים רבים ומגוונים, החל מאש וכלה בלייזרים רבי-עוצמה.

העין היא איבר מורכב שתפקידו לקלוט אור ולייצר במוח תמונה של העולם. בתהליך הראייה, האור נכנס לעין דרך האישון, מתמקד באמצעות הקרנית והעדשה, נקלט לאותות ברשתית תוך הפרדה לצבעים בתאים השונים, ולבסוף האותות עוברים בעצב הראיה למוח ומעובדים שם.

מהירות האור בריק היא קבוע יסודי בפיזיקה, השווה לכ-300 אלף קילומטר בשנייה, כאשר בתווך חומרי המהירות קטנה יותר בהתאם למקדם השבירה של התווך. מהירות האור בריק היא הגבול העליון למהירות שניתן להגיע אליה או להעביר מידע. חקר תכונותיה המיוחדות של מהירות האור בתחילת המאה ה-20 יצר מהפכה בתורת התנועה הניוטונית, ופתח את הדרך לתורת היחסות. האור החל להיחקר באופן מדעי בימי הביניים, מחקר שתרם בעיקר לעדשות של משקפות, טלסקופים ומיקרוסקופים. בתחילת המאה ה-20 התגלה שהאור מתנהג כגל אך גם כחלקיק – תופעה שנקראת דואליות גל-חלקיק. חלקיק האור הוא חסר מסה ונקרא פוטון. הבנת טבעו של האור פתחה פתח אל תורת הקוונטים, שהיא אחד מעמודי התווך של הטכנולוגיה והפיזיקה המודרנית.

מהות האור

ערכים מורחבים – פוטון, קרינה אלקטרומגנטית

האור (וקרינה אלקטרומגנטית בכלל) מתואר באופן הבסיסי והמדויק ביותר בתורת האלקטרודינמיקה הקוונטית (QED). תיאור זה של האור מאפשר מדידות מדויקות עד כדי 10⁻⁹ (אחד חלקי מיליארד) של הגדלים הנמדדים בניסויים. האור ב-QED הוא חלקיק יסודי חסר מסה הנקרא פוטון.

תיאורים אחרים של האור גם הם מדויקים בקירוב, כאשר עוסקים במערכות גדולות בהרבה מגודל של אטום או בעלות אנרגיה נמוכה יותר, או אם מבצעים חישובים בדרגות דיוק שונות. לדוגמה, אופטיקה גאומטרית וחוק סנל מדויקים מספיק לכל צורך מעשי בתכנון עדשות. לתכנון אנטנות של תקשורת סלולרית, תיאור האור כגל אלקטרומגנטי המקיים את משוואות מקסוול בלבד הוא מדויק. לתצפיות אסטרונומיות, משתמשים במשוואות מקסוול בצורה יחסותית. לתופעות שזירה קוונטית או חקר מולקולות, משתמשים בתיאור האור כחלקיק/גל על פי תורת הקוונטים.

קיימים ניסויים פשוטים אשר ממחישים את האופי החלקיקי והגלי של האור:

• האור כגל – בניסוי עקיפה, אור שעובר בחריר קטן או בסדק צר מתפזר לכל הכוונים כמו גל ים בסדק בין שוברי גלים סמוכים.
• האור כחלקיק – בגלאי דיגיטלי המצלם תמונה קבועה, ערכי התמונה שונים במקצת מפריים לפריים. ההפרש הזה נקרא רעש שוט והוא מתכונתי לשורש עוצמת האור. התלות בשורש עוצמת האור נובעת מהתפלגות פואסון של חלקיקים בדידים, והייתה שונה אם האור היה בעל אופי גלי.
• דואליות גל-חלקיק – ניתן בניסוי יחיד לראות את התנהגות האור כגל וכחלקיק: בניסוי שני הסדקים, אור מונוכרומטי (בעל תדר יחיד) עובר דרך שני סדקים צרים וקרובים זה לזה. מאחורי הסדקים מונח סרט צילום. על סרט הצילום מופיעה תבנית התאבכות, שהיא ביטוי לתכונות הגליות של האור. אולם כאשר מפחיתים את עוצמת האור תוך שמירה על התדר, מגיעים למצב בו נפלטים פוטונים בודדים, ונקלטים על הגלאי עם אותה התבנית, תבנית התאבכות, כלומר חלקיק בודד מפגין תכונות של גל.

אופטיקה גאומטרית

איור אופטיקה גאומטרית משנת 1885 של מעבר קרניים בעדשה, מתוך Meyers Konversations-Lexikon

אופטיקה גאומטרית היא התורה הפשוטה ביותר לאור שנמצאת בשימוש מדעי כיום. אופטיקה גאומטרית משמשת בין היתר לתכנון עדשות, חישובים רדיומטריים, וניתוב קרניים בגרפיקה ממוחשבת. באופטיקה גאומטרית מניחים שגודל העצמים והמרחקים ביניהם גדולים בהרבה מאורך הגל. בתווך אחיד האור נע בקו ישר, ובמעבר של תווכים האור עובר שבירה, כלומר זווית הקרן משתנה, לפי חוק סנל.

משוואות מקסוול

איור של גל אלקטרומגנטי שמקיים את משוואות מקסוול. λ הוא אורך הגל, E הוא השדה החשמלי, M הוא השדה המגנטי.

משוואות מקסוול מתארות את האור כגל אלקטרומגנטי, כלומר גל חשמלי וגם מגנטי. לשדות יש גודל וכיוון במרחב, שיכולים להשתנות בזמן ובמרחב. לאור יש קיטוב, שהוא הכיוון של השדה החשמלי.

מבחינה מתמטית, האור מתואר כצירוף של פונקציות וקטורית לשדה החשמלי ולשדה המגנטי. משוואות מקסוול הן מערכת של ארבע משוואות דיפרנציאליות המתארות גל אלקטרומגנטי. פתרונות של המשוואות הם השדה החשמלי והמגנטי הווקטוריים כפונקציה של המיקום והזמן. בריק, פתרון המשוואות בקואורדינטות קרטזיות הוא גל מישורי, או סכום גלים מישוריים שונים, כתלות בתנאי השפה. בקואורדינטות פולריות בריק, פתרון המשוואות הוא פונקציות הרמוניות ספריות.

תורת הקוונטים

בתורת הקוואנטים, חלקיקי חומר (למשל אלקטרונים) מקיימים את משוואת דיראק, ויכולים להימצא רק במצבים בדידים. אור נפלט ונבלע כאשר החלקיקים עוברים בין מצבים קוונטיים, לפי הפרש האנרגיה בין המצבים. כיוון שהמצבים בדידים, גם האנרגיות האפשריות של האור מגיעות בכפולות של יחידה בסיסית – קוונטה. תורת הקוונטים (מתארת מוליכים למחצה, שמהם עשוי טרנזיסטור במחשב, ונורת לד. תורת הקוונטים גם מתארת בדיוק גבוה מצבים אלקטרוניים באטום.

בקוונטיזציה שנייה האור מתואר כמצב פוק, שהוא תיאור של שדה קוונטי עם מספר חלקיקים משתנה. התורה מאפשרת תיאור של תגובות מורכבות בין אור לחומר, כגון פלזמון.

אלקטרודינמיקה קוונטית

דיאגרמת פיינמן של תגובה בסיסית ב-QED: התנגשות בין שני אלקטרונים. תגובה חשמלית כגון זו יכולה לקרות רק בתיווך של פוטון בין החלקיקים.

אלקטרודינמיקה קוונטית, או QED, היא תורת השדות הקוונטית שמתארת את הכוח האלקטרומגנטי. QED היא אחד החלקים של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.

חלקיק יסודי ב-QED נקרא שדה. כמו בתורת הקוונטים כל חלקיק הוא גם גל, בהתאם לסוג הניסוי שמבצעים. הפוטון (חלקיק האור) הוא חלקיק יסודי מסוג בוזון כיול, הוא נושא את הכוח האלקטרומגנטי, אך המטען החשמלי שלו שווה אפס. האלקטרודינמיקה הקוונטית מתארת את הקשרים בין הפוטון לחלקיקים יסודיים טעונים (לדוגמה אלקטרונים) בעיקר באמצעות חישובים של דיאגרמות פיינמן.

פוטון ב-QED הוא בוזון כיול שמייצג סימטריית כיול U(1) שנותרת מדויקת לאחר שבירת סימטריה ספונטנית במנגנון היגס, ומכיוון שהסימטריה שלמה הפוטון הוא חסר מסה. בוזוני הכיול המתארים את הסימטריות השבורות במנגנון היגס (W,Z) אחראים על הכוח הגרעיני החלש, והם בעלי מסה גדולה.

צבעים ואורכי גל

ערך מורחב – צבע

צבע	אורך גל (nm)	תדירות (THz)	אנרגיה פוטונית (eV)
סגול	380–450	670–790	2.75–3.26
כחול	450–485	620–670	2.56–2.75
ציאן	485–500	600–620	2.48–2.56
ירוק	500–565	530–600	2.19–2.48
צהוב	565–590	510–530	2.10–2.19
כתום	590–625	480–510	1.98–2.10
אדום	625–750	400–480	1.65–1.98

אורך גל בפיזיקה הוא המרחק בין שני שיאים סמוכים של הגל. אורכי הגל השונים באור נקלטים בחיישנים שונים בעין ומתפרשים על ידי המוח האנושי כצבעים שונים, מאדום באורכי הגל הגדולים ביותר ועד סגול באורכי הגל הקצרים ביותר. ניתן לראות את קשת הצבעים ואורך הגל שלהם באיור. אורך הגל קשור ביחס הפוך לתדירות הגל, באמצעות הנוסחה:

$f={\frac {c}{\lambda }}$, שבה $\ f$ היא התדירות, $\ \lambda$ הוא אורך הגל ו-$\ c$ היא מהירות האור.

התדירויות בספקטרום הנמצאות מיד מחוץ לטווח הראייה של העין האנושית נקראות על סגול (UV - UltraViolet) בתדירות הגבוהה ותת אדום (IR - InfraRed) בתדירות הנמוכה. ישנם בעלי חיים המסוגלים לראות על סגול (דבורים למשל), או תת-אדום (נחשים למשל). על אף שבני אדם לא יכולים לראות את סוגי האור הללו, ניתן לחוש בהשפעתם: תת-אדום בעוצמה מסוימת יכול לחמם את העור באופן מורגש, בעוד על סגול גורם לעור לאחר זמן מסוים לשיזוף. קיימות מצלמות היכולות לקלוט תת-אדום ולהמיר אותו לאות חשמלי ולתמונה. באופן דומה ניתן "לראות" אור על סגול על ידי המרתו לאור נראה באמצעות פלואורסצנציה.

דיאגרמת צבעים תקנית (CIE 1931-1964). הצבעים המונוכרומטיים נמצאים כולם על השפה הקשתית של האיור, ומוצג גם אורך הגל שלהם בננומטרים.

אור מונוכרומטי הוא בעל אורך גל אחד, וצבעו יכול להיות אחד מצבעי הקשת בענן. מקורות תאורה שאינם חד-צבעיים פולטים אור שמורכב מכמה צבעים כאלו בו-זמנית ויוצרים צבעים אשר אינם בקשת הצבעים, למשל לבן, חום או ורוד. אוסף כל הצבעים, כולל המורכבים, ניתן להצגה על משטח, כמו באיור משמאל.

רכיבי הצבעים השונים באור ניתנים למדידה בספקטרומטר, שהוא מכשיר המפרק את האור לרכיבים מונוכרומטיים ומודד את עוצמתם בנפרד. שיטות הפירוק למרכיבים שונות ממכשיר למכשיר, ויכולות להיות מנסרה, סריג עקיפה או פילטר צר-סרט.

ספקטרום הרגישות לצבע של הראייה האנושית, כפי שהצבעים נקלטים במוח

בעין, תאים הנקראים מדוכים, או תאי חרוט, אחראים על הפרדה לצבעים השונים (ראו ראייה). ישנם שלושה סוגי תאי צבע, שביחד מכסים את כל התחום הנראה. סוג S אחראי בעיקר על אור כחול, M על ירוק ו-L על אדום. ספקטרומים שונים מאוד יכולים לתת את אותה תחושת צבע בעין. לדוגמה, אור סגול יכול להיות "סגול אמיתי" – כלומר אור באורך גל 400 ננומטר, אך גם הרכבה של כחול ואדום, שביחד נראים בצבע סגול. זאת כיוון שלחרוטים האדומים יש רגישות גם לאור כחול, כך שסגול אמיתי מפעיל גם תאים אדומים וגם כחולים ביחס מסוים, ולכן המוח מפרש שילוב של תאים אדומים וכחולים כסגול. עוד דוגמה היא אור לבן, אשר יכול להגיע מהשמש כספקטרום רציף בכל האור הנראה, אך גם כשילוב של אור כחול עם ירוק ואדום, כמו בתאורת לד.

מקורות תאורה

ערכים מורחבים – נורה חשמלית, קרינת גוף שחור

השמש היא מקור האור העיקרי על פני כדור הארץ. קרינת השמש נובעת מהטמפרטורה הגבוהה שלה, כ-5,500 מעלות צלזיוס, בהתאם לחוק קרינת גוף שחור. עוצמת השמש המגיעה אלינו עצומה: כ-1,000 ואט לכל מטר רבוע. בלילה התאורה הטבעית מגיעה אלינו מהירח, אשר מחזיר את קרינת השמש הפוגעת בו לכוון כדור הארץ. הכוכבים (שמשות רחוקות מהשמש שלנו), וכוכבי-הלכת (הסובבים את השמש שלנו ומחזירים את אורה אלינו), יחד עם קרינת האטמוספירה (Air-glow), תורמים יחד אור שעוצמתו כאחוז אחד מעוצמת הירח המלא.

בטבע קיימים מקורות תאורה אחרים כגון ברקים, שריפות, הרי געש, וכן תאורת בעלי חיים (גחליליות למשל) הנקראת ביולומינסנציה.

מקור התאורה המלאכותי הראשוני היה אש, עם עצים בוערים או גללים של בעלי חיים. עם התקדמות הטכנולוגיה התפתחו מקורות אש נוחים ונקיים יותר כגון נרות ופנסי גז.

כיום מרבית התאורה המלאכותית היא חשמלית. נורת להט (נורת ליבון) קורנת קרינת גוף שחור, אך הטמפרטורה שלה נמוכה יותר מהשמש – כ-2,600 מעלות צלזיוס, ולכן אורה נוטה להיות צהוב יותר. אור הנפלט כתוצאה מקרינת גוף שחור הוא בעל ספקטרום רציף, כלומר מכיל את כל הצבעים בתחום רחב. נורת להט מפיצה אור רב גם בתחום התת-אדום שאינו נראה לעין ואינו תורם לתאורה, ולכן יעילותה נמוכה כמקור אור. קיימות נורות להט יעילות יותר מהנורה הרגילה: נורת הלוגן מגיעה לטמפרטורה גבוהה יותר, בזכות תוספים לגז הנמצא בתוך הנורה. נורת להט מצופה בציפוי המחזיר תת-אדום, קורנת אחוז גדול יותר של האנרגיה בתחום הנראה.

השוואה מספרית של יעילות מקורות אור שונים מוצגת בפרק עוצמת אור ויחידות מדידה.

צילום של נורת כספית (בפנס רחוב) דרך סריג עקיפה עגול, הגורם לפיצול אלומת אור הכספית למרכיבי הספקטרום השונים שלה. ניתן לראות שקשת הצבעים אינה רציפה אלא מורכבת מקווים בדידים

תאורה יעילה יותר משתמשת באור הנפלט כתוצאה ממעברי אנרגיה בדידים של אלקטרונים. כאשר אלקטרון חוזר מרמת אנרגיה גבוהה אל רמה נמוכה יותר, הוא פולט פוטון בעל אנרגיה ששווה להפרש האנרגיה בין הרמות, ולכן גם בעל צבע מתאים. רמת אנרגיה יכולה להיות שייכת לאטום בודד או למולקולה. אור שנפלט עקב מעברי אנרגיה בדידים הוא בעל ספקטרום בדיד, ומכיל רק צבעים מסוימים. מקורות תאורה בדידים הם למשל נורות פריקה, כמו נורת כספית או נורה פלואורסצנטית, אשר אינן מחוממות לטמפרטורה גבוהה כמו נורת להט, אלא מופעלות באמצעות יינון הגז במתח חשמלי גבוה, אשר מקפיץ את האלקטרונים לרמה גבוהה. חזרה של האלקטרונים לרמה הנמוכה פולטת אור בצבעים בדידים. נורה פלואורסצנטית קומפקטית היא חלופה יעילה לנורת להט. נורת לד אף היא משתמשת באור הנפלט מרמות אנרגיה בדידות של מוליך למחצה, ויעילותה גבוהה יותר מנורה פלואורסצנטית.

לייזר הוא אור הנפלט כאשר מעבר אנרגיה מאולץ באמצעות פוטון אחר. במקרה זה הפוטונים הם בעלי אותו אורך גל במדויק (אותו צבע), ואותו המופע (נקודה במחזור הגל), והקרינה נקראת קוהרנטית. קרינה קוהרנטית יכולה להתמקד ביעילות גבוהה יותר עקב התאבכות בונה (שיאי הגל מופיעים יחד), ולכן היא מסוכנת יותר לעין.

קרינה זרחנית היא פליטה של אור בתגובה מושהה לבליעה של אור, והיא יכולה להיות טבעית או מלאכותית, כאשר האור הנפלט יכול להיות בצבע שונה מהאור הנבלע. עכביש הטרנטולה מצופה חומר זרחני שפולט אור כתוצאה מקרינה על-סגולה. גופים זרחניים יכולים להאיר גם שעות רבות ומשתמשים בהם למשל לציפוי מחוגי שעונים. קרינה זרחנית נובעת מכך שהקרינה הנבלעת העלתה אלקטרונים בחומר לרמת אנרגיה יציבה למחצה, שבה מעברי אנרגיה "אסורים" – הסיכוי של אלקטרון לבצע את המעבר נמוך מאוד, כך שלוקח לאלקטרון זמן רב לרדת לרמת היסוד ולפלוט פוטון. מסיבה זו לוקח לחומר זרחני זמן רב לפלוט את האנרגיה שנבלעה.

מהירות האור

ערך מורחב – מהירות האור

מהירות האור בריק היא בדיוק 299,792,458 מטרים לשנייה, על פי הגדרת המטר. את מהירות האור בריק מקובל לסמן באות c. מהירות האור בריק נשארת קבועה, ללא תלות במהירות הצופה או מקור האור, כפי שהוכח בניסוי מייקלסון-מורלי בשנת 1887. תוצאה זו מנוגדת לחוקי התנועה הקלאסיים שאנו חווים ביום-יום. על מנת ליישב תוצאה זו עם חוקי הפיזיקה, פיתח אלברט איינשטיין את תורת היחסות הפרטית אשר גרמה לשינוי מהותי בתפישת המרחב והזמן, והחליפה באופן סופי את תורת האתר. לא רק האור כפוף לחוקים אלו, אלא כל חלקיק חסר מסה ינוע במהירות האור בריק, למשל גלואון וגרוויטון, אם כי רק מהירות הפוטון ניתנת למדידה כיום. אחת התוצאות הנובעות מתורת היחסות היא שאינפורמציה אינה יכולה לעבור את מהירות האור, וכל גוף מסיבי לא יכול להאיץ למהירות האור, אלא רק להתקרב אליה. קיימים ניסויים למדידת המהירות של חלקיקים אחרים בעלי מסה קטנה, כמו ניוטרינו, אשר עד כה הראו שהמהירות תמיד קטנה ממהירות האור.

בתווך שקוף מהירות התקדמות האור ($\ v$) נמוכה יותר ושווה למהירות האור בריק חלקי מקדם השבירה ($\ n$) של החומר:

$\ v={\frac {c}{n}}$

ברוב המקרים מהירות האור בחומר קטנה או שווה למהירותו בריק, ולכן לרוב ערכו של מקדם השבירה הוא גדול או שווה 1.

מקדם השבירה היחסי יכול להיות קטן מ-1, ובמקרה זה מהירות הפאזה בחומר $v_{\varphi }$ גדולה מ-$c$, דבר שלא סותר את תורת היחסות. קיימים מטא-חומרים שמנצלים את התכונה הזו לבניית מכשירים בעלי תכונות מעניינות.

היסטוריה של חקר מהות האור

העת העתיקה

ביוון הקדומה אמפדוקלס ניסה להסביר את האור במסגרת תורת ארבעת היסודות שאותה הגה. הוא שיער שהאור והראייה קשורים לאינטראקציה בין אש השמש לאש שנמצאת בעין. אחריו אוקלידס כתב בספרו "אופטיקה" את תצפיותיו על מהות האור, ביניהן שהאור נע בקו ישר, חוקי החזרת אור, ופקפוק בהשערה שהאור נובע מהעין.

בהינדואיזם אש היא אחד מחמשת היסודות, והאור נחשב לחלקיקי אש מהירים.

ימי הביניים

דף משוחזר מספרו של איבן סהל המתאר את חוק סנל

בימי הביניים, בתקופה שכונתה תור הזהב של האסלאם ושל המדע הערבי, חלה התקדמות גדולה בחקר האור ובמדע האופטיקה. איבן סהל (Ibn Sahl) חקר עדשות ומראות בעלות עקמומיות, וגילה את חוק סנל, שהוא חוק השבירה של אור בחומר שקוף. איבן אל-היית'ם (965–1040), אשר נחשב לאבי האופטיקה ולחלוץ השיטה המדעית, שיער שהאור הוא חלקיקים הנעים במהירות סופית. משטח מואר מאיר לכל הכוונים, ואת תופעת הראייה הסביר כפגיעה של קרן אור בניצב לעין. הוא ניסח את חוקי השבירה וההחזרה, גם מעדשות ומראות קעורות וקמורות, תוך שימוש במחקריו של איבן סהל, וחקר את תופעות הנפיצה, אור וצל, צבע האור בשקיעה, אשליית ההגדלה של השמש והירח הסמוכים לאופק, וליקוי חמה. מאוחר יותר קוטב אל-דין שירזי (Qotb al-Din Shirazi) עם תלמידיו המשיכו את מחקריו, והיו הראשונים לתת את ההסבר המדויק לתופעת הקשת בענן.

התורה הגלית והתורה החלקיקית

במאה ה-17 התגלו תופעות העקיפה וההתאבכות של האור בניסויים שערכו פרנצ'סקו מריה גרימלדי (Grimaldi) וג'יימס גרגורי. הסברים לא מספקים ניתנו באותה תקופה בידי אייזק ניוטון באמצעות התורה החלקיקית, ובידי כריסטיאן הויגנס באמצעות התורה הגלית של האור. הבדל בולט בין שתי התורות הוא שהתורה החלקיקית גרסה שהאור נע מהר יותר בחומר דחוס, ואילו התורה הגלית טענה שהאור נע לאט יותר בחומר דחוס (שהתברר כנכון). הויגנס ידע כי גלים אינם מסוגלים לנוע בחלל ריק אלא זקוקים לחומר כלשהו, ומכיוון שהאור מגיע אלינו מהחלל שאין בו אוויר, הויגנס שיער שקיים חומר בלתי נראה הממלא את כל החלל ונקרא בשם אתר, השערה שהחזיקה מעמד שנים רבות אך הופרכה מאוחר יותר על ידי אלברט איינשטיין במאמרו "על נקודת מבט היוריסטית בייצור והעברה של אור".

במאה ה-18 הראה לאונרד אוילר שתופעות העקיפה וההתאבכות מוסברות באופן פשוט יותר באמצעות התורה הגלית. רק בתחילת המאה ה-19 זכו התופעות להסבר מספק בתורה הגלית של האור, אשר דחקה רגליה של התורה החלקיקית. התורמים העיקריים היו אוגוסטן ז'אן פרנל, תומאס יאנג וסימאון דני פואסון (Poisson), אשר ערכו חישובים בתורה הגלית שהוכחו בניסויים נוספים, לדוגמה הסבירו באמצעות התורה הגלית את תכונת קיטוב האור.

בולט ניסוי שני הסדקים של יאנג אשר שימש להוכחת התורה הגלית באותה עת, ומאוחר יותר שימש להוכחת דואליות גל-חלקיק גם של חלקיקי חומר כמו האלקטרון במסגרת תורת הקוונטים.

תורות מודרניות

התורה האלקטרומגנטית – באמצע המאה ה-19 זיהה מייקל פאראדיי את הקשר בין אור לשדות חשמליים ומגנטיים, בניסוי שנקרא כיום אפקט פאראדיי. בניסוי עובר אור מקוטב דרך חומר דיאלקטרי שבו פועל שדה מגנטי, וכתוצאה מכך כיוון הקיטוב מסתובב. פאראדיי שיער שהאור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית ושהוא יכול להתפשט גם בהיעדר כל חומר. השערה זו מבטלת את הצורך בקיום האתר. ממצאיו הובילו את ג'יימס קלרק מקסוול לחקור אור וקרינה אלקטרומגנטית. הוא מצא שמהירות ההתקדמות של קרינה אלקטרומגנטית שווה למהירות האור, ובכך חיזק את השערתו של פאראדיי. מקסוול תיאר מתמטית את תכונות הקרינה בתוך קבוצה של ארבע משוואות הנקראות משוואות מקסוול. בעקבות מקסוול יצר היינריך רודולף הרץ במעבדתו גלי רדיו, שהם סוג של קרינה אלקטרומגנטית, והראה שתכונותיהם זהות לאור, ושהם גורמים לתופעות האופייניות לאור כמו החזרה, שבירה, עקיפה והתאבכות. ממצאיו אישרו שאכן אור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית.

תורת היחסות הפרטית – בסוף המאה ה-19 הוכיח ניסוי מייקלסון-מורלי שהאור נע במהירות קבועה, ללא קשר למהירותו של הצופה. עובדה זו סתרה את הפיזיקה המוכרת באותה תקופה, ושימשה את אלברט איינשטיין כאחת מהנחות היסוד של תורת היחסות, בה הגדיר מחדש את המרחב והזמן. לאחר פיתוח תורת היחסות, התבררו משוואות מקסוול כלא מספיק כלליות, ונדרש ניסוח מחדש של משוואות מקסוול בצורה יחסותית.

תורת הקוונטים – בתחילת המאה ה-20, שתי תופעות שלא הוסברו בתורת האלקטרומגנטיות גרמו לפיתוח תורת הקוונטים:

• האפקט הפוטואלקטרי – פליטה של אלקטרונים ממתכת כאשר זו מוקרנת באור. לאלקטרונים הנפלטים אנרגיה קינטית שיחסית לתדירות הקרינה, ולא לעוצמתה כפי שציפו מהתורה האלקטרומגנטית. ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לתופעה זו הוא שהאור מורכב מחלקיקים שהאנרגיה שלהם יחסית לתדירותם. בעקבות הסבר זה זכה איינשטיין בפרס נובל.
• קרינת גוף שחור – האור שפולטים גופים חמים, שבו התדירות העיקרית (בעלת העוצמה הגבהה ביותר) יחסית לטמפרטורת הגוף, וגם תופעה זו לא הוסברה בתורה הגלית. מקס פלאנק הסביר את האור כחבילות גלים, שלהם מידה לא רציפה אלא בדידה של אנרגיה, הקוונטה (בלטינית quanta, "מידות"). פלאנק זכה אף הוא בפרס נובל, על גילוי והבנת הקוונטה.

איינשטיין ופלאנק הסבירו את האור באמצעות דואליות גל-חלקיק כגל וגם כחלקיק, כאשר החלקיק נקרא פוטון, הוא חסר מסה והאנרגיה שלו $\ E$ שווה לתדירות $\ f$ כפול קבוע פלאנק $\ h$:

$\ E=hf$.

מאוחר יותר הרחיב לואי דה ברויי את הדואליות גם לחלקיקים אחרים, בעלי מסה, כדוגמת האלקטרון, וקישר את אורך הגל למסה ולתנע של החלקיק (ראו השערת דה ברויי).

אלקטרודינמיקה קוונטית – נחשבת לתורה הפיזיקלית המדויקת ביותר. תורה זו מתארת את האור כשדה בתורת השדות הקוונטית. התורה התפתחה במחצית הראשונה של המאה ה-20. בתורה זו הפוטון הוא עירור (מצב בעל אנרגיה גבוהה) של שדה כיול (שדה שמוגדר כדי לשמור על המטען החשמלי). בתורה זו הפוטון מגיב עם חלקיקים טעונים חשמלית בלבד, באמצעות חוקי פיינמן. תורה זו נבדקה בניסויים בדיוקים גבוהים, לדוגמה ספקטרום פליטה של אטומים, כלומר אורכי הגל שאטום פולט כאשר מוסיפים לו אנרגיה.

תופעות הקשורות לאור

ערך מורחב – אופטיקה

קשת הנוצרת ממעבר אור השמש דרך רסס מים של מזרקה

אור בקניון אנטילופ מתפזר באבק גיר המרחף באוויר

האור יוצר מגוון עצום של תופעות שאותן חוקרת ומסבירה האופטיקה, וכאן נציג אך כמה מהחשובות שבהן.

התופעות הפשוטות ביותר ניתנות להסבר באופטיקה גאומטרית:

• שבירה – במעבר בין תווכים (חומרים) שקופים שונים, האור נשבר, כלומר כיוון ההתקדמות שלו משתנה, על פי חוק סנל. חוק סנל נובע גם מתוך עקרון הדרך האופטית המינימלית שקובע שהאור ינוע בין שתי נקודות תמיד בדרך האופטית הקצרה ביותר. חוק סנל מגדיר את פעולתן של עדשות. חוק סנל קובע את מעבר האור באטמוספירה ובכל תווך שקוף, ואחראי גם על תופעת הפאטה מורגנה שבה נראה כאילו ישנם מים על הכביש ביום חם.
• החזרה – החזר מראה יכול להתרחש מכל משטח מבריק. במעבר בין תווכים, חלק מהאור עובר ונשבר, וחלק מוחזר בזווית השווה לזווית הפגיעה, ביחס לניצב למשטח. אם המשטח עשוי מתכת ומבריק (כמו במראה), ההחזרה תהיה כמעט מלאה. במעבר מתווך בעל מקדם שבירה גבוה לנמוך, בזוויות הקהות מתקיימת החזרה פנימית מלאה, וכל האור מוחזר כמו ממראה.
• בליעה – מתרחשת כאשר אור חודר לתווך שאינו שקוף. חלק מעוצמת האור נבלע בחומר והופך לחום. חומרים בצבע לא לבן בולעים חלק מהאור; חומרים בצבע שחור בולעים את כל האור הנראה. אם נניח משטחים בגוונים שונים תחת השמש, ככל שצבעם כהה יותר הם יתחממו יותר, בגלל מנגנון הבליעה שהופך אור לחום.
• נפיצה (דיספרסיה) – תופעה שבה אור לבן (וכל אור בעל ספקטרום רחב) נפרד לצבעים השונים שמרכיבים אותו על פי אורך הגל, כלומר כל אורך גל נע בכיוון שונה. קשת בענן היא דוגמה מרהיבה של נפיצה. הנפיצה נגרמת כתוצאה ממעבר האור דרך חומר שקוף בעל מקדם שבירה שאינו קבוע לכל אורכי הגל (ראו יחס נפיצה). מכיוון שמקדם השבירה לא שווה, זווית השבירה שונה עבור כל אורך גל, והצבעים השונים באור נפרדים.

תופעות גליות מוסברות בעזרת משוואות מקסוול, או באופן פשוט יותר לפי עקרון הויגנס הקובע שניתן לתאר התפשטות של גל מורכב כהתפשטות של גל כדורי מכל נקודה במשטח. תופעות אלו ניכרות עבור אור קוהרנטי, שהוא בעל אורך גל מסוים ומגיע ממקור יחיד.

• עקיפה מתרחשת באופן הבולט ביותר כאשר האור עובר דרך סדק צר, בעובי הקרוב לאורך הגל. האור במקרה זה "עוקף" את הסדק ומתפזר לכל הכוונים, ויכול ליצור תבניות מורכבות בהתאם לעובי הסדק. דרך סדק צר יותר מאורך הגל, חזית הגל מתפשטת כגל כדורי יחיד, באופן שווה לכל הכוונים.
• התאבכות היא תופעה של התחברות גלים נפרדים וקוהרנטיים, למשל אחרי מעבר בשני סדקים. השדות החשמליים והמגנטיים מתחברים ויוצרים תבניות אור וחושך מורכבות, שנקראות תבניות התאבכות. מכיוון שהשדות מתחברים באופן קוהרנטי, העוצמה של השיאים גדולה יותר מאשר בחיבור גלים לא קוהרנטי ללא התאבכות, שבו עוצמת הגלים מתחברת. לדוגמה, שני גלים שווים המתחברים באופן לא קוהרנטי, ייתנו עוצמה כפולה. שני גלים קוהרנטיים יתחברו לעוצמה הגדולה פי 4, בשטח קטן יותר כי האנרגיה הכוללת נשמרת.
• קיטוב הוא כיוון השדה החשמלי של האור כאשר השדה המגנטי בדרך כלל ניצב אליו. אור ממרבית מקורות התאורה אינו מקוטב, כלומר הקיטוב שונה ואקראי עבור כל אורך גל וכל פוטון. אור לייזר הוא מקוטב במקורו בגלל מנגנון הלזירה. אור לא מקוטב ניתן לקיטוב, כלומר ניתן לקבוע את כיוון קיטוב האור בעזרת מקטב. בצג LCD למשל, מקור האור הוא מנורות לד לא מקוטבות, אך הגביש הנוזלי, שהוא החלק בצג שאחראי על צבע ועוצמה, מקטב את האור היוצא מהמסך. קיטוב מתרחש גם בהחזרת אור שמש ממשטחים מבריקים (לא מראות), אשר מחזירים קיטוב מקביל יותר מאשר קיטוב ניצב למשטח, לפי חוקי פרנל. מדידת קיטוב האור מכונה פולרימטריה.
• פיזור הוא אור הפוגע בחלקיק חומר בזווית אחת, ומוחזר לכל הכוונים בעוצמות שונות. פיזור הוא תופעה המוסברת ברמות שונות באופטיקה גאומטרית, בגלים ובתורת הקוונטים. ניסויי פיזור הם כלי המחקר העיקרי בפיזיקת חלקיקים. פיזור תלוי בתכונות החלקיקים – צורה וגודל, ובתכונות האור – אורך הגל, קיטוב ועוד. דוגמאות לפיזור הן קרני אור שמש שעוברות באוויר עם אבק (ראו תמונה), כמו גם הצבע הכחול של השמיים, שהוא תוצאה של פיזור אור השמש ממולקולות האוויר. אלמלא הפיזור באוויר, השמיים היו שחורים, כמו בירח.

תופעות קוונטיות הקשורות לאור:

• לייזר הוא אור אשר נוצר כתוצאה מפליטה מאולצת, שבה אלקטרון ברמה אנרגטית גבוהה מגיב עם פוטון שגורם לו לרדת לרמה נמוכה ולפלוט פוטון נוסף, אשר זהה לפוטון המקורי בקיטוב, כיוון, תדירות ומופע. אור שהוא אחיד בתכונות האלו נקרא קוהרנטי.
• פלואורסצנציה ופוספורסצנציה או בעברית זהירה וזרחנות, הן תופעות שבהן אור באורך גל (צבע) מסוים נבלע בחומר ובמקומו נפלט אור באורך גל אחר. ההבדל ביניהן הוא שבפלואורסצנציה פליטת האור היא מיידית, וכאשר מקור האור כבה גם הפלואורסצנציה נפסקת. בחומר פוספורסנטי האנרגיה נאגרת, ונפלטת במשך זמן רב (עד לכמה שעות) גם לאחר כיבוי האור המקורי.
• פלזמון ופולריטון הם תופעות הקשורות לתגובת אור עם חומר. תופעות אלו יכולות לייצר התקנים חדשניים כגון מקור אור קוהרנטי שאינו לייזר והוא בעל יעילות גבוהה, או מיקוד אור באורך גל קצר בעזרת התקנים גדולים בהרבה מאורך הגל ובכך למזער שבבים. פלזמונים ופולריטונים נמצאים בחזית המחקר באופטיקה נכון לשנת 2020.

עוצמת אור ויחידות מדידה

פוטומטריה ורדיומטריה הן שני תחומים מקבילים העוסקים במדידת עוצמת האור. ברדיומטריה נמדדת עוצמת האור ביחידות הספק אנרגיה. לעומת זאת, בפוטומטריה נמדדת התאורה, או העוצמה הנראית לעין האדם, לפי רגישות העין לצבעים השונים. המעבר בין יחידות פוטומטריות ליחידות רדיומטריות אפשרי אם ידוע הספקטרום של האור. הוועדה הבינלאומית לתאורה (CIE - Commission internationale de l'éclairage) היא הגוף הבינלאומי בר-הסמכא להגדרת הגדלים הפיזיקליים, יחידות המידה, שמות מונחים בתאורה, וגרפים פוטומטריים סטנדרטיים של תגובת הראייה האנושית.

מונחים הקשורים לעוצמת תאורה בעברית אינם קיימים באופן רשמי ומוסכם. עם זאת, חברת החשמל קבעה מספר מינוחים אליהם ניתן להתייחס. עבור גדלים אחרים, ניתן כאן תרגום חופשי או תעתיק.

מלבד במדע והנדסה, רדיומטריה משמשת בגרפיקה ממוחשבת ליצירת משחקי מחשב בתלת-ממד וסרטים מונפשים. כדי ליצור תמונה מציאותית, התאורה במיוחד צריכה להיראות מציאותית, ולשם כך מנועים גרפיים מבצעים חישובים מורכבים. מנוע גרפי איכותי צריך לקחת בחשבון את כל מקורות התאורה שמגיעים לתמונה, את ההחזרה מעצם לעצם (החזרות מרובות), פיזור (בהחזרה ממשטחים ומחלקיקים בתווך שקוף), בליעה בעצמים שקופים למחצה, שיקוף ממשטחים מבריקים, הסתרות, הצללה (צל), ועוד. כל אלו הם חישובים רדיומטריים פיזיקליים, שמנועים גרפיים מודרניים מבצעים.

מידות רדיומטריות

מידות רדיומטריות משמשות בעיקר בהנדסה ומדע, כאשר הראייה האנושית אינה מטרת המדידה. היחידה הבסיסית למדידת עוצמת קרינה היא השטף (Flux) או הספק (Power) הנמדד בוואט. מהשטף גוזרים גדלים אחרים: ההספק ליחידת שטח נקרא איראדיאנס ומשמש למשל לכימות תאורה על משטח או אור הנקלט בגלאי. השטף הזוויתי הוא ההספק לזווית מרחבית, ושימושי במדידת מקור אור. הרדיאנס הוא עוצמה ליחידת שטח ליחידת זווית מרחבית, ומשמש למשל לכימות האור שמגיע לעדשת מצלמה, או התפזרות האור מהמקור לכוון ומרחק מסוימים. במערכת אופטית בעלת אישון כניסה ואישון יציאה (למשל עדשת מצלמה), הרדיאנס נשמר לכל אורך המסלול, פרט לבליעת אנרגיה.

יחידות רדיומטריות

שם (עברית)	שם (אנגלית)	סמל	יחידות
שטף	Radiant Flux	‏ Φe	‏ W (וואט)
שטף זוויתי	Radiant Intensity	‏ Ie	‏ W/sr
אירדיאנס	Irradiance	‏ Ee	‏ W/m2
רדיאנס	Radiance	‏ Le	‏ W/m2/sr

מידות פוטומטריות

העקומה הפוטופית, שמייצגת את הרגישות של עין ממוצעת לאור באורכי גל שונים. שיא הרגישות מתקבל באורך גל 555 ננומטר

יחידות המידה הפוטומטריות משוקללות בעקומה הפוטופית, שהיא רגישות העין האנושית לאורכי גל שונים. ישנן שתי יחידות פוטומטריות בסיסיות למדידת עוצמת הארה. אחת היא הקָנְדֶלָה (מסומנת ב-cd), "נר" בלטינית, והיא התאורה של נר ממוצע. יחידה בסיסית שנייה היא הלומן, המקבילה לשטף ברדיומטריה. התאורה ליחידת שטח נמדדת בלוקס ומשמשת למשל לתכנון של תאורה בחדר.

מעבר בין יחידות רדיומטריות לפוטומטריות מתבצע באמצעות העקומה הפוטופית, שהיא התגובה של העין לכל אורך גל. לדוגמה, הקנדלה היא גם השטף הזוויתי $\ I$ כפול העקומה הפוטופית $\ {\overline {y}}$ (מוצגת באיור) כפול קבוע, בכל אורך גל $\ \lambda$:

$I_{v}(\lambda )=683.002\cdot {\overline {y}}(\lambda )\cdot I_{e}(\lambda )$

אופן המעבר זהה לשאר הגדלים, בהתאמה של גודל רדיומטרי לגודל פוטומטרי של אותה המדידה.

יחידות פוטומטריות

גודל (עברית)	גודל (אנגלית)	יחידת המדידה	סמל	יחידות
שטף האור	Luminous flux	לומן	‏ Φv	‏ lm (= cd⋅sr)
עוצמת האור	Luminous intensity	קנדלה	‏ Iv	‏ cd (= lm/sr)
עוצמת ההארה	Illuminance	לוקס	‏ Ev	‏ lx (= lm/m2)
לומיננס	Luminance	אין שם ליחידה	‏ Lv	‏ cd/m2 (= lm/m2/sr))

שימושים

פוטוסינתזה ושימוש באנרגיית אור בטבע

צמחים ירוקים מפיקים אנרגיה מאור השמש בתהליך המכונה פוטוסינתזה

פוטוסינתזה או הַטְמָעַת אוֹר, היא תהליך הפקת אנרגיה ותרכובות אורגניות מתרכובות אי-אורגניות המתקיים בחלק מהיצורים החיים, בכללם צמחים, אצות, וקבוצות מסוימות של פרוטיסטים וחיידקים, כתוצאה מקליטת אור ופירוק מים ופחמן דו-חמצני.

אחד הגורמים העיקריים שמשפיעים על גדילת הצמח והתפתחותו הוא האור. צמחים הופכים את אור השמש לאנרגיה כימית בתהליך הפוטוסינתזה. תהליך הפוטוסינתזה מאפשר לצמח הירוק לייצר פחמימות כמו גם לבנות את גופו מחומרים אי-אורגניים פשוטים. אנרגיה זו יכולה גם לשמש בעלי חיים שאוכלים את הצמחים, כמו גם לשמש את האדם בצרכים תעשייתיים מגוונים. דוגמה לניצול אנרגיה של צמחים היא ייצור דלק כמו ביו דיזל.

על פי רוב, צמחים השרויים באור שמש בהיר מגיעים להטמעת אור אופטימאלית. ישנם גם צמחים המכונים "שוחרי צל", אשר מסוגלים לגדול ולשגשג גם באור כהה יחסית, למשל האור המסתן דרך עלוות העצים או קרינה לא ישירה של אור, אשר נכנס לחדר דרך החלונות. רוב צמחי הבית הם צמחים שוחרי צל ועל כן קרינה ישירה של שמש עלולה להזיק לעליהם.

הפקת אנרגיה סולרית על ידי האדם

תאים פוטו-וולטאים על גג בית פרטי

אנרגיה סולארית היא האנרגיה שמספקת קרינת השמש על פני כדור הארץ. זו אנרגיה רבה שמנוצלת בטבע ויכולה להיות מנוצלת לצורכי האדם. בליעה של אור השמש באוויר ובאדמה היא המספקת לנו תנאים שמאפשרים מחיה, והיא הגורם העיקרי למזג האוויר. שימוש באור השמש לצורכי האדם גדל בחשיבותו לנוכח עליית מחירי הדלק המאובן ומודעות לאיכות הסביבה, שכן זהו מקור לאנרגיה מתחדשת. למעשה רוב האנרגיה שהאדם מנצל מקורה בקרינת השמש: נפט ופחם מקורם בצמחים ובעלי חיים אשר גדלו על אנרגיה השמש, ולאחר שמתו שקעו והפכו לדלק מאובנים במהלך מיליוני שנים.

הפקה ישירה של אנרגיה מקרינת השמש מתחלקת לשני סוגים עיקריים:

• הפקת חשמל בתא פוטו-וולטאי שהופך את אור השמש למתח חשמלי, ומייצר אנרגיה חשמלית. ישנן תחנות כוח שפועלות על אנרגיה סולארית, אם כי הן מייצרות הספק נמוך ביחס לסוגי דלק אחרים ודורשות שטח גדול. תאים פוטו-וולטאיים מותקנים על גגות בתים, אך גם על מכוניות, מטוסים ולוויינים, כמו גם על מכשירים מסוימים, כמו מחשבוני כיס, מדחנים ופנסי רחוב.
• הפקת אנרגיה תרמו-סולארית: בבית, דוד שמש מנצל את אור השמש באופן ישיר לחימום מים בדוד. בתחנות כוח, החום הנוצר משמש להנעת טורבינה שמפיקה חשמל. מערכת אגירת חום מאפשרת ויסות של ייצור האנרגיה ביום ובלילה, למשל בדוד של מלח מותך.

חישה וצילום

מצלמה מחקה את פעולתה של העין. מצלמה באופן בסיסי מורכבת מעדשה הממקדת את האור, וגלאי הקולט את האור. בעבר הגלאי היה סרט צילום – כאשר אור פגע בסרט הוא יצר תהליך כימי בסרט, שאחרי פיתוח כימי התקבע לתשליל. אור שהוקרן דרך התשליל על דף רגיש לאור, יצר את התמונה הסופית. כיום במרבית המצלמות קיים גלאי דיגיטלי שהחליף את סרט הצילום. גלאי דיגיטלי הוא מערך של מיליוני תאים פוטו-וולטאים, אשר קולטים את האור והופכים אותו לאות חשמלי שעובר עיבוד דיגיטלי ושמירה במצלמה. מצלמות משמשות כיום בכל תחום של החיים החל מבידור ופנאי ועד לטלסקופים בחלל. חיישני אור בדידים משמשים לחישה כאשר לא נדרשת תמונה, למשל לקליטת השלט בטלוויזיה. חיישן בודד יכול לספק ביצועים גבוהים יותר מבחינות מסוימות לעומת מצלמה, למשל קצב נתונים גבוה מאוד (מיליארדי דגימות בשנייה) או רגישות גבוהה מאוד.

קיימות מצלמות וחיישנים לכל אורכי הגל של האור וקרינה אלקטרומגנטית. למעשה, גלאי סיליקון רגיל במצלמה דיגיטלית רגיש גם לאור תת-אדום, אם הוא לא עובר טיפול מיוחד שחוסם אור זה.

תקשורת אופטית

תקשורת אופטית – אור נוצל בעבר לתקשורת למרחקים ארוכים באמצעות שרשרת מדורות שהודלקו על ראשי הרים. מגדלור משמש לאיתות אל ספינות. כיום משתמשים בסיבים אופטיים המעביר אור לייזר הממותג בקצב מהיר, לתקשורת ברוחב פס גדול (קצב מהיר של העברת נתונים) למרחקים גדולים של אלפי קילומטרים.

שימושים צבאיים

ערך מורחב – נשק לייזר

נשק מבוסס אור לייזר יכול להיות נשק אל-הרג המשמש לסינוור או עיוור של אנשים או חיישנים, או נשק קטלני שמטרתו הרג אנשים או הרס כלי אויב. נשק לייזר אל-הרג נמצא בשימוש כיום בידי צבאות ואף רשויות אכיפת חוק. נשק לייזר קטלני נמצא בפיתוח מזה שנים רבות. בתיאוריה, נשק לייזר יכול להיות בעל יתרונות גדולים כגון טווח רחוק, פגיעה מיידית וביטול הצורך בתחמושת. למעשה מערכות לייזר קטלני סובלות מכמה בעיות בסיסיות אשר עד כה לא נמצא להן פתרון מספק, בעיקר בעיית התחממות האוויר ביציאה מהלייזר (thermal blooming), ומקור האנרגיה ללייזר.

בתעשייה

חיתוך בלייזר משמש בתעשייה לייצור חלקים. ליתוגרפיה היא צריבה של תבנית מאוד עדינה באמצעות אור, והיא התהליך שמשמש להכנת מעגלים משולבים על פרוסות סיליקון, כלומר ליתוגרפיה היא השיטה המשמשת ליצירת מעבדים. אור משמש לטיפול בחומרים – דבקי-UV וסוגי סתימת שן מסוימים מתפלמרים (מתקשים) באור על-סגול. ישנם דבקים שמספיק מרכיב העל-סגול שבקרינת השמש כדי להקשותם, וישנם דבקים שנדרש מקור אור מיוחד לכך.

במדע

• מחקר – הספקטרוסקופיה משתמשת באור לחקר תכונות חומרים: לכל חומר יש תדרים מסוימים שבהם הוא בולע אור (ראו פסקה מקורות אור), ולכן באמצעות הקרנת החומר וניתוח של האור המוחזר מתגלות תכונות החומר, על פי הצבעים (התדרים) הנפלטים מהחומר. אפשר לדעת בדיוק גבוה אילו יסודות מצויים בחומר, וגם תרכובות וקשרים כימיים. באופן זה חוקרים גם כוכבים, ומנתחים את תכולתם ואופן פעולתם. כל המידע על פעולת כוכבים ועתיד מערכת השמש מגיע מחקר הכוכבים – אסטרונומיה.

ראייה

מבנה העין

מערכת הראייה היא שם כולל לאיברים והמרכזים העצביים המאפשרים לבעלי חיים לראות. מערכת הראייה של האדם מורכבת מהעין שקולטת אור והופכת אותו לאותות, ומערכת העצבים שמובילה ומעבדת את האותות.

תאים קולטי אור (לחצו להגדלה)

העין מרכזת את האור באמצעות העדשה והקרנית המצויות בחזית העין. העדשה יכולה לשנות את עובייה כדי להתאים לראייה ממרחקים שונים. כמות האור הנכנסת נקבעת באמצעות גודל האישון, הנשלט בידי שרירי הקשתית. צורת העין היא בקירוב כדור, שעל חלקו הקדמי מורכבת כיפה (הקרנית). האור שעובר באישון מרוכז על הרשתית המצויה באחורי העין. הרשתית מכילה תאים קולטי אור – קנים, מדוכים ותאי גנגליון קולטי אור. הקנים רגישים לאור, ללא קשר לצבעו, ואחראים על ראיית לילה. המדוכים, או תאי חרוט, רגישים לצבע. ההבחנה בין הצבעים נעשית על ידי שלושה סוגים של תאי חרוט, אשר כל אחד מהם רגיש לצבע ראשוני אחר – אדום, ירוק או כחול. תאי גנגליון קולטי אור אחראיים על הבחנה בעוצמת האור, ולא על ראית תמונה.

המנגנון ההופך אור לאות במוח הוא בליעת פוטון על ידי התא קולט האור והפיכתו לזרם חשמלי. כל תא כזה מכיל חלבון הנקרא אופסין, המכיל מולקולה רגישה לאור הנקראת רטינל (שהוא ויטמין A מחומצן). כאשר פוטון פוגע בתא, הוא נבלע תוך שינוי צורת הרטינל והאופסין. שינוי זה בצורתם משנה את המתח החשמלי על פני החלבון, וזה נקלט בעצב ומועבר הלאה, אל המוח.

במערכת העצבית מספר מסלולים בהם עוברים האותות, ולהם תפקידים שונים:

• המסלול הראשון חשוב לעיבוד המידע החזותי, ומשתתפים בו התלמוס, בו מתבצע העיבוד הראשוני של המידע החזותי, וקליפת המוח הראייתית, בה מתבצע עיבוד מתקדם יותר.
• המסלול השני מגיע לקליפת המוח דרך המוח התיכון, המבקר את תנועת העין.
• המסלול השלישי עובר דרך ההיפותלמוס ומשמש לתיאום מקצב השעון הביולוגי בהתאם לתאורה השוררת בסביבה, ושולט על שינוי גודל האישון בעין.

פעולתה של מצלמה דומה לפעולת העין, אך את התפקידים של ריכוז וקליטת אור במצלמה ממלאים רכיבים מלאכותיים.

תרבות, אומנות דת ושפה

תאורה באדריכלות

חלון רוזטה בסגנון גותי קורן

באדריכלות משמשת התאורה לצרכים מעשיים כמו גם ליופי. מטרת התאורה היא לייצר ולכוון קרני אור כך שיוחזרו מהמשטחים המוארים להשגת התוצאה המבוקשת. השגת מטרות התאורה מתבצעת באמצעות מקורות אור מלאכותיים כמו נורה חשמלית וגוף תאורה, או טבעיים כמו אור יום. סגנון גותי קורן באדריכלות הגותית הוא אחד מסגנונות האדריכלות אשר שם דגש רב על תאורה ואור בכנסיות. חלונות הויטראז'ים המאירים את חלל המבנה בשלל צבעים הם הדוגמה המרהיבה ביותר לחשיבות האור באדריכלות התקופה.

תאורה באומנות

עקדת יצחק של קאראווג'ו, ציור הממחיש את סגנון הקיארוסקורו

תאורה היא הבסיס לכל אומנות ויזואלית (ציור, צילום, פיסול, תיאטרון), שכן היצירה מתארת את מה שרואה האומן, ואנו רואים את היצירה. עם זאת, ישנם סגנונות אומנותיים ששמים במרכז היצירה את האור עצמו.

קיארוסקורו הוא סגנון ציור מימי הרנסאנס אשר הדגיש בניגודיות עזה את האובייקט המרכזי המואר כניגוד לרקע חשוך. האמן האיטלקי קאראווג'ו הוא מייצגה ומפתחה הבולט ביותר של השיטה.

בתיאטרון, תאורה שימשה מאז ומתמיד להדגשת המחזה.

ביהדות ובדתות האברהמיות אחרות

בתורה נאמר (בראשית א ג) "וַיֹּאמֶר אֱלֹהִים יְהִי אוֹר וַיְהִי אוֹר." על פי הפרשנות, אין הכוונה שם לאור רגיל, כיוון שהאור שאנו מכירים נוצר עם השמש ושאר הכוכבים ביום הרביעי שנאמר (בראשית א יד) "וַיֹּאמֶר אֱלֹהִים יְהִי מְאֹרֹת בִּרְקִיעַ הַשָּׁמַיִם לְהַבְדִּיל בֵּין הַיּוֹם וּבֵין הַלָּיְלָה וְהָיוּ לְאֹתֹת וּלְמוֹעֲדִים וּלְיָמִים וְשָׁנִים.". אחד ההסברים לאותו אור בראשיתי של היום הראשון, הוא היותו למעשה המפץ הגדול.

בשפה העברית

בשפה העברית קיימים ביטויים רבים המכילים את המילה אור, חלקם במשמעותה הבסיסית למשל "עם אור ראשון" - השכם בבוקר, וחלקם כמטפורה. המשמעויות המטפוריות הנפוצות של המילה אור הן הבנה - למשל בביטוי "מאיר עיניים", גילוי ופרסום - למשל בביטוי "יצא לאור", שמחה - למשל "אורו עיניו" וטוב - למשל בביטוי "מלחמת בני אור בבני חושך".

קישורים חיצוניים

• איתי להט, בחזרה לשמיים, באתר כלכליסט, 17 במאי 2012
• ארז גרטי, נושא חודש דצמבר 2010 – באנו חושך לגרש: האור, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 25 נובמבר 2010
• אברהם קציר, ‏קרן אור - מהפכת האור, הרצאה בסדרת ההרצאות "בכור המהפכה", 5 במאי 2015
• J. J. O'Connor, E. F. Robertson (2002), Light through the ages: Ancient Greece to Maxwell
• Filming the Speed of Light at 10 Trillion FPS, סרטון באתר יוטיוב - מצלמה המסוגלת לעקוב אחר התקדמות אור
• לביא ביגמן, חגיגה של אור, במדור "מדע במבט-על" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי.
• אור, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• אור, דף שער בספרייה הלאומית
• הערך "אור", במיקרופדיה תלמודית, באתר ויקישיבה