Cum am măsurat viteza luminii?
Este lumina infinit de rapidă?
Aprinzi o lampă și toată camera se luminează pe loc. Multă vreme oamenii au crezut că lumina nu se deplasează deloc, că e pur și simplu peste tot deodată. Cum măsori dacă ea chiar călătorește undeva?
Experimentul cu felinare
Galileo a încercat cu felinare: doi oameni pe dealuri aflate la vreun kilometru unul de altul. Unul descoperă felinarul, iar de îndată ce celălalt îl vede, îl descoperă pe al lui. Dar n-a măsurat decât cât le ia oamenilor să reacționeze, pentru că lumina parcurge cei doi kilometri dus-întors în șapte milionimi de secundă.
Un ceas pe cer
Pe cer s-au găsit și un drum lung, și un ceas. Io, un satelit al lui Jupiter, înconjoară planeta la fiecare 42,5 ore și de fiecare dată dispare o vreme în umbra ei. Aceste eclipse au loc regulat și pot fi prezise.
Ceasul rămâne în urmă
Astronomul danez Ole Rømer a observat în 1676 că eclipsele lui Io nu vin mereu la timp. Când Pământul e cel mai aproape de Jupiter, ele vin cum s-a prezis, dar pe măsură ce Pământul se îndepărtează, întârzie tot mai mult. De partea opusă a orbitei Pământului, întârzierea e de vreo 17 minute.
Lumina străbate toată orbita Pământului
Rømer a înțeles de ce: luminii îi ia un timp să ajungă de la Io la noi. De partea opusă a orbitei, trebuie să parcurgă în plus tot diametrul ei, cam 300 de milioane de kilometri. Rømer a estimat că asta îi ia 22 de minute; azi știm că e vorba de vreo 17 minute, adică aproximativ 1.000 de secunde, deci lumina parcurge cam 300.000 de kilometri pe secundă.
Roata dințată
Pe Pământ a măsurat-o primul Hippolyte Fizeau, în 1849. Trimitea lumina unei lămpi printr-un gol dintre dinții unei roți dințate spre o oglindă aflată la 8,6 kilometri. Oglinda o trimitea înapoi, iar lumina se întorcea prin același gol până la ochi. Dar cum afli din asta cât de repede merge?
Când roata se învârte
Apoi a pus roata să se învârtă. Cât timp se rotea încet, până se întorcea lumina, roata se mișca doar puțin, iar lumina trecea înapoi prin același gol. Pe măsură ce o accelera, lumina care se întorcea lovea tot mai mult marginea unui dinte și slăbea. La 12 rotații și jumătate pe secundă a dispărut cu totul: roata înaintase între timp cu un dinte întreg, iar lumina nimerea un dinte în loc de gol. Ca să înainteze cu un dinte, roții îi lua 1/18.000 de secundă, iar în timpul ăsta lumina parcurgea 17 kilometri dus-întors, deci merge cu cam 310.000 de kilometri pe secundă.
Verifică singur
Și microundele sunt lumină, doar că nu le vedem. Scoate platoul rotativ din cuptorul cu microunde și încălzește în el o tabletă de ciocolată timp de 20 de secunde. Microundele se reflectă de pereți și încălzesc cel mai tare în locuri aflate la exact o jumătate de undă unul de altul: ciocolata se topește cam la fiecare 6 centimetri, deci o undă întreagă are 12 cm. Viteza unei unde e lungimea ei înmulțită cu numărul de oscilații pe secundă, iar acesta e scris pe eticheta cuptorului: 2.450 MHz, adică 2,45 miliarde. 12 cm × 2,45 miliarde înseamnă cam 300.000 de kilometri pe secundă.
Cum e azi
În anii ’70 a fost măsurată cu un laser și cu aceeași formulă ca la ciocolată: lungimea de undă înmulțită cu numărul de oscilații. A ieșit 299.792.458 de metri pe secundă, iar din 1983 numărul e fixat; după el se definește chiar lungimea metrului. De aceea azi viteza luminii nu se mai măsoară, ci se măsoară cu ea: un laser reflectat de oglinzile lăsate pe Lună de astronauți face dus-întors 2,5 secunde, iar de aici știm la ce distanță e Luna, la centimetru.
Deci cum am măsurat-o?
Lumina e atât de rapidă încât, ca s-o măsori, ai nevoie de o distanță uriașă sau de un ceas foarte precis. Rømer a luat orbita Pământului și, drept ceas, eclipsele lui Io; Fizeau a luat 17 kilometri și, drept ceas, o roată care se învârtea repede. Ambele metode au arătat că lumina merge cu o viteză uriașă, dar finită.