Jak jsme změřili rychlost světla?
Letí světlo nekonečně rychle?
Rozsvítíš lampu a celý pokoj je světlý v tu ránu. Dlouho si lidé mysleli, že světlo se nikam nepohybuje, že je prostě všude naráz. Jak změřit, jestli vůbec někam letí?
Pokus s lucernami
Galileo to zkusil s lucernami: dva lidé na kopcích asi kilometr od sebe. Jeden odkryje lucernu, a jakmile to druhý uvidí, odkryje svou. Jenže naměřil jen to, jak dlouho lidem trvá zareagovat, protože světlo ty dva kilometry tam a zpátky uletí za sedm miliontin sekundy.
Hodiny na nebi
Na obloze se našla dlouhá dráha i hodiny. Jupiterův měsíc Io oběhne planetu každých 42,5 hodiny a pokaždé na chvíli zmizí v jejím stínu. Ta zatmění jdou pravidelně a dají se předpovědět.
Hodiny se zpožďují
Dánský astronom Ole Rømer si roku 1676 všiml, že zatmění Io nechodí vždycky včas. Když je Země Jupiteru nejblíž, přicházejí podle předpovědi, ale jak se Země vzdaluje, opožďují se čím dál víc. Na opačné straně dráhy Země je zpoždění asi 17 minut.
Světlo letí přes celou dráhu Země
Rømer pochopil proč: světlo od Io k nám nějakou dobu letí. Na opačné straně dráhy musí uletět navíc celý její průměr, asi 300 milionů kilometrů. Rømer odhadl, že mu to trvá 22 minut, dnes víme, že asi 17 minut, tedy zhruba 1 000 sekund, takže světlo urazí asi 300 000 kilometrů za sekundu.
Ozubené kolo
Na Zemi to poprvé změřil Hippolyte Fizeau roku 1849. Světlo z lampy posílal mezerou mezi zuby ozubeného kola k zrcadlu vzdálenému 8,6 kilometru. Zrcadlo ho odrazilo zpátky a světlo se vracelo stejnou mezerou do oka. Jak z toho ale poznat, jak rychle letí?
Když se kolo roztočí
Pak kolo roztočil. Dokud se točilo pomalu, pootočilo se, než se světlo vrátilo, jen trochu a světlo prošlo zpátky stejnou mezerou. Jak ho zrychloval, vracející se světlo čím dál víc naráželo na okraj zubu a slábnulo. Při 12 a půl otáčkách za sekundu zmizelo úplně: kolo se mezitím posunulo o celý zub a světlo trefilo zub místo mezery. Na jeden zub to kolu trvalo 1/18 000 sekundy a světlo za tu dobu uletělo 17 kilometrů tam a zpátky, takže letí asi 310 000 kilometrů za sekundu.
Ověř si to sám
Mikrovlny jsou také světlo, jen ho nevidíme. Vyndej z mikrovlnky otočný talíř a ohřívej v ní 20 sekund tabulku čokolády. Mikrovlny se odrážejí od stěn trouby a nejvíc hřejí v místech, která jsou od sebe přesně půl vlny: čokoláda se roztaví po asi 6 centimetrech, takže celá vlna má 12 cm. Rychlost vlny je její délka krát počet kmitů za sekundu a ten je na štítku trouby: 2 450 MHz, tedy 2,45 miliardy. 12 cm × 2,45 miliardy je asi 300 000 kilometrů za sekundu.
Jak je to dnes
V 70. letech ji změřili laserem a stejným vzorcem jako u čokolády: délka vlny krát počet kmitů. Vyšlo 299 792 458 metrů za sekundu a od roku 1983 je to číslo pevně dané, podle něj se dokonce určuje délka metru. Dnes proto rychlost světla neměříme, ale měříme s ní: laser odražený od zrcadel, která na Měsíci nechali astronauti, letí tam a zpátky 2,5 sekundy, a z toho víme, jak daleko Měsíc je, na centimetry.
Takže jak jsme ji změřili?
Světlo je tak rychlé, že na změření potřebujeme obrovskou vzdálenost, nebo velmi přesné hodiny. Rømer vzal dráhu Země a jako hodiny zatmění Io, Fizeau vzal 17 kilometrů a jako hodiny rychle se točící kolo. Obojí ukázalo, že světlo letí ohromnou, ale konečnou rychlostí.