LYSHASTIGHEDENS HISTORIE

Erling Poulsen

Einsteinartikelen i “Annalen der Physik” fra 1905, hvor Den Specielle Relativitetsteori offentliggøres, har givet lyshastigheden langt større betydning, end den havde tidligere. I dag er lyshastigheden en af de fundamentale naturkonstanter, og det vigtige længdemål, meteren, bliver nu defineret ved hjælp af denne.

jupmoon76Ole Rømer har tit fået æren for at have opdaget lyshastigheden. I det følgende gøres der rede for, at det ikke er helt korrekt. Rømer anfører ingen steder en hastighed (udtrykt med “jordiske” mål); hans opdagelse bestod i, at lyset havde en hastighed: det tøvede. I slutningen af 1600-årene tilsluttede de fleste videnskabsmænd sig Descartes’ teori for lys, hvorefter det skulle udbrede sig uendelig hurtigt. I Paris, hvortil Rømer ankom i 1672, blev han indblandet i mangt og meget; af interesse i denne sammenhæng er hans målinger af lydens hastighed. Et samarbejde med Cassini opstod også, og han fik kendskab til de tabeller, som denne havde udgivet over jupitermånernes formørkelser. Visse uregelmæssigheder ved formørkelses- tidspunkterne har ganske givet vakt hans interesse, og han gik ind i arbejdet med jupiterobservationer. Man forsøgte at forklare de uregelmæssige formørkelser på flere måder, men det store gennembrud kom i 1676, hvor Rømer konstaterede, at uregelmæssighederne ene og alene skyldtes Jordens og Jupiters relative afstand i Solsystemet. Cassini meddelte det franske videnskabelige akademi, at uregelmæssighederne kunne forklares, hvis man forudsatte, at lyset havde en hastighed; dette skete i august 1676. I begyndelsen af september samme år meddelte Rømer på grundlag af sine observationer, hvor stor forsinkelse (10 minutter, beregnet ud fra en formørkelsen af månen Io i august), i forhold til eksisterende efemerider, en formørkelse d. 9. november ville have. Observationen af denne formørkelse bekræftede Rømers forudsigelse. Han forelagde sin opdagelse for akademiet d. 21. november 1676, og d. 7. december blev meddelelsen bragt i “Journal des Sçavans”, i en artikel der tydeligt ikke er skrevet af Rømer, men af en der har misforstået dele af hans fremlæggelse (Se “Ole Rømer og den bevægede Jord – en dansk førsteplads” af Jan Teuber i bogen “Ole Rømer – videnskabsmand og samfundstjener”, Gads Forlag 2004, s. 213). Interessant i artiklen er hans forudsigelse på de 10 minutter, for man kunne den gang ret præcist regne de relative afstande til planeterne ud, på grundlag af Keplers love, dvs. afstandene målt i AU (middelafstanden mellem jord og sol, som kun var kendt med en vis nøjagtighed). I artiklen nævnes at hans forudsigelse bygger på observationer i august, fra den måned kendes tre observationer d. 7., 14. og 23. og vi ved ikke hvilken der er brugt til at finde tiden d. 9. november (5:35:45 aften, udregnet uden hensyntagen til lysets tøven), af Rømers notater fremgår at den først indtraf 5:45:35 altså ca. med de 10 minutters forsinkelse han havde forudsagt. Hvis vi bruger planetarieprogrammet WinStars 2 til at finde de relevante Jord-Jupiter afstande får vi for 9/11 – 5,526 AU 7/8 – 4,254 AU forskel til 9/11 1,272 AU 14/8 – 4,316 AU forskel til 9/11 1,210 AU 23/8 – 4,408 AU forskel til 9/11 1,118 AU og hvis disse forskelle skulle give en tøven på 10 minutter må han have brugt en værdi for lysets tøven per AU på: 7,9 min/AU hvis observationen d. 7/8 lå til grund 8,3 min/AU hvis observationen d. 14/8 lå til grund 8,9 min/AU hvis observationen d. 23/8 lå til grund værdier der er meget tættere på den vi anerkender i dag end de 11 minutter (22 min. for 2 AU) man ofte læser der skulle fremgå af hans artikel. Afsnittet hvor tallet 22 forekommer kan tolkes på følgende måde: Han bemærker at for et par omløb af Io er virkningen lille, men betragter man mange omløb bliver effekten tydelig. Så nævner han som et eksempel at kikker man på 40 omøb fra den ene side (F) og sammen ligner med 40 omløb fra den anden side (K) er effekten stor og det i forhold til 22. Dette kan forstås som at Jorden i løbet af de ialt 80 omløb skulle bevæge sig lige så langt som lyset på 22 minutter. Et omløb tager Io 42,5 time, det giver 141,67 dage for 80 omløb, på denne tid bevæger Jorden sig 2*¶*141,67/365,25 AU = 2,436 AU, og hvis det skulle tage lys 22 minutter svarer det til 9,0 min./AU, et resultat tæt på det ovenfor.

 roelys

Nu gik 7 måneder, før der for alvor skete noget igen, dvs. tiden gik med voldsomme diskussioner, især mellem Rømer og Cassini, som ikke kunne støtte Rømer fordi han mente at tilsvarende målinger på de andre af Jupiters måner ikke støttede Rømers opdagelse. D. 25. juli 1677 nævnes Rømers opdagelse i det engelsksprogede tidsskrift “Philosophical Transactions”, Vol. XII, no. 136. I Holland sidder Huygens og arbejder med sin bølgeteori for lys. I den har han brug for en lyshastighed, bare tænk på hvad der ville ske med bølgeformlen: Frekvens gange bølgelængde = hastigheden – enten måtte frekvensen eller bølgelængden være uendelig stor hvis lys bevæger sig uendeligt hurtigt, hvilket er uden mening. Han læser d. 16. september meddelelsen om Rømers opdagelse i Philosophical og sender med det samme et brev til Rømer, hvori han beder om nærmere oplysninger, han har svært ved at forstå dette oversatte delvis misforståede referat, bl.a. mener han at kunne læse at det tager lyset 22 minutter at gennemløbe en jordbanediameter. I 1678 præsenterer Huygens sin “Traité de Lumière” for det franske akademi. I den bruger han jordbanens diameter og de 22 minutter til at udregne lyshastigheden; han får 16 2/3 jorddiametre pr. sekund. Han udtrykker også hastigheden som mere end 600.000 gange lydens. Han var den første, der satte jordisk mål på lyshastigheden.

roemerbrev18-91679 19. september er der en dobbel måneformørkelse som Rømer omtaler i det viste brev. I begyndelsen af 1680 i London holder Hooke en række berømte foredrag, “Lectures of Light”. I disse kritiserer han Rømers opdagelse og holder fast på, at lyset udbreder sig instantant. For os i dag virker hans argumenter morsomme, men også tidstypiske, de lyder som følger: ’tis so exceeding swift that ’tis beyond Imagination; for so far he thinks indubitable, that it moves a Space equal to the Diameter of the Earth, or near 8000 miles, in less than one single Second of the time, which is in as short time as one can well pronounce 1, 2, 3, 4: And if so, why not be as well instantaneous I know no reason…. I 1686 kommer 1. udgaven af Newtons berømte bog “Principia”, i hvilken han nævner de 22 minutter for jordbanediameteren. 1690 udkommer “Traité de Lumière” af Huygens i Paris. I 1704 udgiver Newton sin bog “Opticks”. Her er lyset lige pludselig 8 minutter om at bevæge sig fra Solen til Jorden, ½ jordbanediameter. Rømer har i sin notesbog “Adversaria” en bemærkning fra året 1706 (side 4 i Kirstine Meyers udgave, 1910), hvor han stiller sig undrende over for den af Newton angivne værdi. I 1713 bruger Newton igen de 8 minutter i 2. udgaven af “Principia”, og efter ham alle andre. Først i 1849 lykkedes det for de to franske fysikere Fizeau og Foucault, efter forslag fra Wheatstone, Arago og Bessel, at måle lyshastigheden med et apparat opstillet her på Jorden. Fizeau informerede det franske akademi om målingen d. 23. juli 1849.