Πώς μετρήσαμε την ταχύτητα του φωτός;
Είναι το φως απείρως γρήγορο;
Ανάβεις μια λάμπα και όλο το δωμάτιο φωτίζεται μονομιάς. Για πολύ καιρό οι άνθρωποι πίστευαν ότι το φως δεν κινείται, ότι απλώς βρίσκεται παντού ταυτόχρονα. Πώς μετράς αν ταξιδεύει κάπου;
Το πείραμα με τα φανάρια
Ο Γαλιλαίος το δοκίμασε με φανάρια: δύο άνθρωποι σε λόφους που απέχουν περίπου ένα χιλιόμετρο. Ο ένας ξεσκεπάζει το φανάρι του και, μόλις το δει ο άλλος, ξεσκεπάζει το δικό του. Μέτρησε όμως μόνο τον χρόνο αντίδρασής τους, γιατί το φως διανύει τα δύο χιλιόμετρα πήγαινε-έλα σε επτά εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.
Ένα ρολόι στον ουρανό
Στον ουρανό βρέθηκε και μεγάλη απόσταση και ρολόι. Η Ιώ, δορυφόρος του Δία, κάνει τον γύρο του πλανήτη κάθε 42,5 ώρες και κάθε φορά χάνεται για λίγο στη σκιά του. Αυτές οι εκλείψεις γίνονται τακτικά και μπορούν να προβλεφθούν.
Το ρολόι καθυστερεί
Ο Δανός αστρονόμος Όλε Ρέμερ παρατήρησε το 1676 ότι οι εκλείψεις της Ιούς δεν έρχονται πάντα στην ώρα τους. Όταν η Γη είναι πιο κοντά στον Δία, έρχονται όπως προβλέπεται, όσο όμως η Γη απομακρύνεται, καθυστερούν όλο και περισσότερο. Στην απέναντι πλευρά της τροχιάς της Γης η καθυστέρηση είναι περίπου 17 λεπτά.
Το φως διασχίζει όλη την τροχιά της Γης
Ο Ρέμερ κατάλαβε γιατί: το φως χρειάζεται κάποιο χρόνο για να φτάσει από την Ιώ σε εμάς. Στην απέναντι πλευρά της τροχιάς πρέπει να διανύσει επιπλέον όλη τη διάμετρό της, περίπου 300 εκατομμύρια χιλιόμετρα. Ο Ρέμερ υπολόγισε ότι αυτό παίρνει 22 λεπτά· σήμερα ξέρουμε ότι παίρνει περίπου 17 λεπτά, δηλαδή περίπου 1.000 δευτερόλεπτα, άρα το φως διανύει περίπου 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.
Ο οδοντωτός τροχός
Στη Γη τη μέτρησε πρώτος ο Ιππολύτ Φιζό το 1849. Έστελνε το φως μιας λάμπας μέσα από ένα κενό ανάμεσα στα δόντια ενός οδοντωτού τροχού σε έναν καθρέφτη 8,6 χιλιόμετρα μακριά. Ο καθρέφτης το ανακλούσε πίσω και το φως γύριζε από το ίδιο κενό στο μάτι. Πώς όμως καταλαβαίνεις από αυτό πόσο γρήγορα ταξιδεύει;
Όταν ο τροχός γυρίζει
Μετά έβαλε τον τροχό να γυρίζει. Όσο γύριζε αργά, ως την επιστροφή του φωτός είχε μετακινηθεί λίγο, και το φως περνούσε πίσω από το ίδιο κενό. Καθώς τον επιτάχυνε, το φως που επέστρεφε έπεφτε όλο και περισσότερο στην άκρη ενός δοντιού και εξασθενούσε. Στις 12,5 στροφές το δευτερόλεπτο χάθηκε εντελώς: ο τροχός στο μεταξύ είχε προχωρήσει ολόκληρο δόντι και το φως χτυπούσε σε δόντι αντί για κενό. Για ένα δόντι ήθελε 1/18.000 του δευτερολέπτου, και σε αυτόν τον χρόνο το φως διένυε 17 km πήγαινε-έλα, άρα κάνει περίπου 310.000 km το δευτερόλεπτο.
Έλεγξέ το κι εσύ
Και τα μικροκύματα είναι αόρατο φως. Βγάλε το περιστρεφόμενο πιάτο του φούρνου και ζέστανε μέσα μια σοκολάτα 20 δευτερόλεπτα. Ανακλώνται στα τοιχώματα και ζεσταίνουν πιο πολύ σε σημεία που απέχουν μισό κύμα: η σοκολάτα λιώνει ανά 6 cm περίπου, άρα όλο το κύμα έχει 12 cm. Ταχύτητα = μήκος κύματος × ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο, που γράφει η ετικέτα: 2.450 MHz, δηλαδή 2,45 δισεκατομμύρια. 12 cm × 2,45 δισ. κάνουν περίπου 300.000 km το δευτερόλεπτο.
Πώς είναι σήμερα
Τη δεκαετία του 1970 τη μέτρησαν με λέιζερ και με τον ίδιο τύπο όπως με τη σοκολάτα: μήκος κύματος επί αριθμό ταλαντώσεων. Βγήκε 299.792.458 μέτρα το δευτερόλεπτο, και από το 1983 ο αριθμός αυτός είναι σταθερός· με βάση αυτόν ορίζεται μάλιστα και το μήκος του μέτρου. Γι’ αυτό σήμερα δεν μετράμε την ταχύτητα του φωτός, αλλά μετράμε με αυτήν: ένα λέιζερ που ανακλάται στους καθρέφτες που άφησαν οι αστροναύτες στη Σελήνη κάνει 2,5 δευτερόλεπτα πήγαινε-έλα, και έτσι ξέρουμε πόσο μακριά είναι η Σελήνη, με ακρίβεια εκατοστού.
Λοιπόν, πώς τη μετρήσαμε;
Το φως είναι τόσο γρήγορο που για να το μετρήσουμε χρειαζόμαστε τεράστια απόσταση ή πολύ ακριβές ρολόι. Ο Ρέμερ πήρε την τροχιά της Γης και για ρολόι τις εκλείψεις της Ιούς, ο Φιζό πήρε 17 χιλιόμετρα και για ρολόι έναν τροχό που γύριζε γρήγορα. Και οι δύο έδειξαν ότι το φως ταξιδεύει με τεράστια, αλλά πεπερασμένη ταχύτητα.