Viteza luminii în vid este de „exact 299.792.458 metri pe secundă". Motivul pentru care astăzi putem indica o valoare precisă a ei este determinat de faptul că viteza luminii în vid este o constantă universală care a fost măsurată cu lasere şi atunci când un experiment implică utilizarea laserelor este foarte greu să contestăm rezultatele obţinute.
În ceea ce priveşte motivul pentru care valoarea sa reprezintă un număr întreg, aceasta nu este o coincidenţă, lungimea unui metru este definită utilizând această constantă: „distanţa parcursă de lumină în vid într-un interval de timp de 1/299.792.458 dintr-o secundă".
Cu câteva sute de ani în urmă se credea, sau cel puţin se presupunea, că viteza luminii este infinită, deşi în realitate ea este doar foarte, foarte, foarte mare.
Prima persoană care a pus la îndoială afirmaţia că „viteza luminii este infinită" a fost filozoful Empedocle în secolul al V-lea î.Hr. Cu mai puţin de un secol mai târziu, Aristotel l-a contrazis pe Empedocle şi această dispută a continuat pentru mai mult de 2.000 de ani.
Prima persoană care a realizat efectiv un experiment concret pentru a testa dacă lumina are o viteză finită a fost omul de ştiinţă olandez Isaac Beeckman în anul 1629. În ciuda faptului că acesta a trăit într-o perioadă de timp în care nu existau lasere, ceea ce îmi provoacă frisoane doar gândindu-mă la asta, Beeckman a înţeles că la baza oricărui experiment ştiinţific ar trebui să se afle obţinerea unor explozii. În consecinţă, experimentul său a implicat detonarea prafului de puşcă.
Beeckman a amplasat oglinzi la distanţe diferite faţă de locul exploziei şi a întrebat observatorii dacă pot vedea vreo diferenţă atunci când lumina reflectată de fiecare oglindă ajungea la ochii lor. Aşa cum probabil puteţi bănui, experimentul a fost „neconcludent”.
Un experiment similar, dar mai celebru şi care nu implica producerea de explozii, a fost realizat sau cel puţin a fost propus de către Galileo Galilei cu doar un deceniu mai târziu, în anul 1638. Galileo, la fel ca Beeckman a presupus că viteza luminii nu este infinită şi în experimentul său a folosit felinare pe care le-a mai utilizat anterior în studiile sale. Experimentul său (în cazul în care el l-a realizat vreodată) a presupus dispunerea a două felinare la o distanţă de o milă şi încercarea de observare a vreunei întârzieri a luminii atunci când aceasta parcurgea distanţa dintre cele două felinare. Rezultatele au fost şi în acest caz neconcludente. Singurul lucru pe Galileo l-a putut presupune ulterior a fost acela că dacă viteza luminii nu este infinită atunci ea este atât de mare încât experimentele care sunt realizate la o scară mică nu vor putea să evidenţieze valoarea sa.
Asta a fost până când astronomul danez Ole Römer a realizat o măsurătoare serioasă a vitezei luminii. Într-un experiment, care a făcut ca testul realizat de Galilei cu ajutorul unor felinare aflate pe un deal şi care emiteau o lumină intermitentă să pară unul de şcoală primară, Römer a stabilit că în lipsa laserelor şi a exploziilor, un experiment ar trebui întotdeauna să implice spaţiul cosmic. Astfel, el s-a concentrat pe mişcarea planetelor şi a anunţat rezultatele inovatoare ale observaţiilor sale în data de 22 august 1676.
Mai exact, în timp ce studia mişcarea unuia dintre sateliţii lui Jupiter, Römer a observat că timpul scurs între eclipsele acestuia variază de-a lungul unui an (corespunzător perioadelor în care Pământul se apropie de Jupiter sau se îndepărtează). Curios să afle cauza acestui fenomen, Römer a început să studieze perioada de timp în care satelitul Io (satelitul lui Jupiter pe care îl observa) putea fi observat şi cum se corela aceasta cu momentul în care acesta era aşteptat să apară. După un timp, Römer a observat că în timp ce Pământul se învârte în jurul Soarelui şi în acelaşi timp se îndepărtează de Jupiter, momentul în care satelitul Io trebuia să apară avea loc cu întârziere faţă de însemnările sale. Römer a dedus (în mod corect) că aceasta se datorează faptului că lumina reflectată de Io nu se propagă instantaneu.
Din nefericire, calculele exacte pe care Römer le-a realizat s-au pierdut ca urmare a unui incendiu ce a avut loc în Copenhaga în anul 1728, dar cu toate acestea corectitudinea lor este confirmată de ştirile din presa din acea perioadă care au anunţat descoperirea sa şi de către alţi oameni de ştiinţă care utilizau în lucrările lor valorile lui Römer. În principal, metoda lui Romer s-a bazat pe o mulţime de calcule inteligente care au utilizat diametrul orbitei Pământului şi diametrul orbitei lui Jupiter şi i-au permis să afirme că lumina parcurge o distanţă egală cu diametrul orbitei Pământului în jurul Soarelui în 22 de minute. Ulterior, Christiaan Huygens a dedus că pe baza estimării lui Römer lumina se deplasează cu o viteză de aproximativ 220.000 de kilometri pe secundă. Această valoare este mai mică cu aproximativ 27% faţă de valoarea exactă indicată în primul paragraf al acestui articol.
Atunci când colegii lui Römer şi-au exprimat, aproape în unanimitate, îndoiala în legătură cu teoria sa despre satelitul Io, Römer le-a răspuns calm afirmând că eclipsa lui Io din data de 9 noiembrie a anului 1676 va avea loc cu o întârziere de 10 minute. Când a avut loc această eclipsă, cei care s-au îndoit de afirmaţiile lui Römer au rămas uimiţi constatând că mişcarea acelui corp ceresc confirmă concluziile enunţate de astronom.
Uimirea colegilor lui Römer era justificată în ceea ce priveşte estimarea vitezei luminii obţinută de acesta, ţinând cont că şi în prezent se consideră că valoarea obţinută de astronom este uimitor de precisă, cu toate că ea a fost determinată cu 300 de ani înainte de existenţa laserelor sau a internetului. Deşi valoarea obţinută pentru viteza luminii era cu 80.000 de kilometri pe secundă mai mică decât valoarea reală, descoperirea lui Römer este impresionantă având în vedere nivelul ştiinţei şi tehnologiei din acea perioadă şi faptul că ea a fost obţinută plecând de la o intuiţie a astronomului.
Ce este chiar mai uimitor este că motivul pentru care valoarea estimată de Römer pentru viteza luminii a rezultat puţin mai mică decât valoarea reală nu este reprezentat de o greşeală în calculele sale ci de utilizarea unor valori eronate pentru diametrul orbitei Pământului şi diametrul orbitei lui Jupiter, aceste valori fiind în acea perioadă general acceptate. Aceasta înseamnă că Römer a greşit doar pentru că alţi oameni nu au fost la fel de exacţi în ştiinţă pe cât a fost el. De fapt, dacă aţi utiliza valorile corecte pentru diametrul orbitei Pământului şi diametrul orbitei lui Jupiter în ceea ce se consideră a fi calculele originale aflate în lucrările sale, înainte ca acestea să fie distruse în incendiul menţionat mai sus, atunci estimarea sa pentru viteza luminii este aproape identică cu valoarea cunoscută în prezent.
În concluzie, deşi valoarea obţinută de Römer pentru viteza luminii, tehnic vorbind, a fost greşită şi chiar dacă James Bradley a determinat o valoare mai precisă a acesteia în anul 1729, Römer va rămâne în istorie ca fiind cel care a demonstrat primul că viteza luminii nu este infinită, cu atât mai mult cu cât a realizat calcule având o precizie ridicată pe baza observării mişcării unui satelit care orbita o uriaşă minge de gaz care se află la aproximativ 780 milioane de kilometri distanţă. În acest fel doamnelor şi domnilor, chiar şi în lipsa laserelor, se poate face ştiinţă adevărată.
Bonus:
Energia necesară pentru a opri Pământul din mişcarea sa în jurul Soarelui este de aproximativ 2,6478x1033 J sau 7,3551×1029 Wh sau 6,3285x1017 Mt de TNT. Ca referinţă, cea mai mare explozie nucleară care a fost vreodată detonată (Bomba Tsar de către Uniunea Sovietică) a generat o energie echivalentă cu „doar" 50 Mt de TNT. În concluzie, am avea nevoie de un număr de aproximativ 12.657.000.000.000.000 bombe nucleare de acest fel care să fie detonate în locul potrivit pentru a opri Pământul din mişcarea sa în jurul Soarelui.
În afară de dezbaterea asupra faptului dacă viteza luminii este infinită sau nu, o altă controversă de-a lungul istoriei a fost reprezentată de originea luminii, dacă aceasta provine din ochi sau din altceva. Dintre oamenii de ştiinţă celebri care au crezut în teoria „luminii emisă de ochi" menţionăm pe Ptolemeu şi Euclid. Cei care au crezut că această teorie este corectă au crezut, de asemenea, că viteza luminii trebuie să fie infinită, deoarece imediat cum deschidem ochii putem vedea un mare număr de stele aflate pe cerul nopţii şi numărul acestora nu se măreşte cu cât privim mai mult, cu excepţia cazului, desigur, în care noi ne-am uitat anterior la o lumină puternică şi ochii noştri se adaptează la întuneric.
Traducere de Cristian-George Podariu după how-the-speed-of-light-was-first-measured
