Miten valonnopeus mitattiin?
Onko valo äärettömän nopeaa?
Sytytät lampun, ja koko huone on hetkessä valoisa. Pitkään ajateltiin, ettei valo liiku minnekään, vaan on yksinkertaisesti kaikkialla yhtä aikaa. Miten mitata, kulkeeko se ylipäätään mihinkään?
Koe lyhdyillä
Galilei kokeili sitä lyhdyillä: kaksi ihmistä kukkuloilla noin kilometrin päässä toisistaan. Toinen paljastaa lyhtynsä, ja heti kun toinen näkee sen, hän paljastaa omansa. Galilei mittasi kuitenkin vain sen, kuinka kauan ihmisiltä kestää reagoida, sillä valo kulkee ne kaksi kilometriä edestakaisin seitsemässä miljoonasosasekunnissa.
Kello taivaalla
Taivaalta löytyi sekä pitkä matka että kello. Jupiterin kuu Io kiertää planeetan 42,5 tunnin välein ja katoaa joka kerta hetkeksi sen varjoon. Nämä pimennykset toistuvat säännöllisesti, ja ne voi ennustaa.
Kello jätättää
Tanskalainen tähtitieteilijä Ole Rømer huomasi vuonna 1676, etteivät Ion pimennykset aina tulleet ajallaan. Kun Maa on lähimpänä Jupiteria, ne tulevat ennusteen mukaan, mutta Maan loitontuessa ne myöhästyvät yhä enemmän. Maan radan vastakkaisella puolella viive on noin 17 minuuttia.
Valo kulkee koko Maan radan poikki
Rømer ymmärsi miksi: valolta kestää hetken kulkea Iosta meille. Radan vastakkaisella puolella sen täytyy kulkea lisäksi radan koko halkaisija, noin 300 miljoonaa kilometriä. Rømer arvioi sen vievän 22 minuuttia; nykyään tiedämme, että se vie noin 17 minuuttia eli suunnilleen 1 000 sekuntia, joten valo kulkee noin 300 000 kilometriä sekunnissa.
Hammaspyörä
Maan päällä sen mittasi ensimmäisenä Hippolyte Fizeau vuonna 1849. Hän lähetti lampun valon hammaspyörän hampaiden välisen raon läpi 8,6 kilometrin päässä olevaan peiliin. Peili heijasti sen takaisin, ja valo palasi saman raon kautta silmään. Mutta miten siitä voi päätellä, kuinka nopeasti valo kulkee?
Kun pyörä pyörii
Sitten hän pani pyörän pyörimään. Hitaasti pyöriessään se ehti kääntyä vain vähän ennen kuin valo palasi, ja valo kulki takaisin saman raon läpi. Kun pyörä kiihtyi, palaava valo osui yhä enemmän hampaan reunaan ja himmeni. 12,5 kierroksella sekunnissa valo katosi kokonaan: pyörä oli kääntynyt kokonaisen hampaan verran, ja valo osui hampaaseen eikä rakoon. Yhteen hampaaseen kului 1/18 000 sekuntia, ja sinä aikana valo kulki 17 kilometriä edestakaisin, joten se kulkee noin 310 000 kilometriä sekunnissa.
Tarkista itse
Mikroaallotkin ovat valoa, me emme vain näe sitä. Ota pyörivä lautanen pois mikroaaltouunista ja lämmitä uunissa suklaalevyä 20 sekuntia. Mikroaallot heijastuvat uunin seinistä ja lämmittävät eniten kohdissa, jotka ovat tasan puolen aallon päässä toisistaan: suklaa sulaa noin 6 senttimetrin välein, joten koko aalto on 12 cm. Aallon nopeus on sen pituus kertaa värähdysten määrä sekunnissa, ja se lukee uunin arvokilvessä: 2 450 MHz eli 2,45 miljardia. 12 cm × 2,45 miljardia on noin 300 000 kilometriä sekunnissa.
Entä nykyään?
1970-luvulla valonnopeus mitattiin laserilla samalla kaavalla kuin suklaalla: aallonpituus kertaa värähdysten määrä. Tulokseksi saatiin 299 792 458 metriä sekunnissa, ja vuodesta 1983 luku on ollut kiinnitetty; sen avulla määritellään jopa metrin pituus. Siksi valonnopeutta ei nykyään mitata, vaan sillä mitataan: lasersäde, joka heijastuu astronauttien Kuuhun jättämistä peileistä, kulkee edestakaisin 2,5 sekuntia, ja siitä tiedämme senttimetrin tarkkuudella, kuinka kaukana Kuu on.
Eli miten se mitattiin?
Valo on niin nopeaa, että sen mittaamiseen tarvitaan valtava matka tai hyvin tarkka kello. Rømer käytti Maan rataa ja kellona Ion pimennyksiä, Fizeau 17 kilometriä ja kellona nopeasti pyörivää pyörää. Molemmat osoittivat, että valo kulkee valtavalla mutta äärellisellä nopeudella.