©Internetix

4. 1. 1. Valonnopeus

Aristotheles ja Ptolemaios olivat sitä mieltä, että valon nopeus on ääretön. Länsimaissa tämä käsitys säilyi läpi keskiajan Galilen päiviin asti 1500-luvun lopulle. Arabialaiset al-Haytham (n. 965 - 1038) ja Avicenna (980 - 1037) olivat sitä mieltä, että valon nopeus on äärellinen, mutta eivät pystyneet todistamaan sitä. Uudella ajalla Ranskalainen René Descartes (1596 - 1650) piti vielä valon nopeutta äärettömänä, mutta Italialainen Galileo Galilei (1564 - 1642), Englantilaiset Robert Boyle (1627 - 1691) ja Robert Hooke pitivät valon nopeuutta äärellisenä, mutta niin suurena, ettei sitä vonut mitata.

 Kaukoputken keksiminen teki mahdolliseksi valon nopeuden mittaamisen tähtitieteellisin keinoin. Tanskalainen tähtitieteilijä ja fyysikko Ole Rømer (1644 - 1710) mittasi Jupiterin kuun Ion:nin pimennyksen ajan maan lähestyessä Jupiteria ja etääntyessä siitä. Edellisessä tapauksessa maa tuli valoa vastaan, jolloin pimennysaika jäi lyhyemmäksi kuin jälkimmäisessä tapauksessa. Tästä hän sai (1679) valon nopeudelle arvon 225 000 km/s. Vaikka tuloksessa oli lähes 30 % virhe, on tulos tärkeä, koska tällöin oli osoitettu, että valon nopeus on äärellinen.

Huomattavasti tarkemman tuloksen sai Englantilainen tähtitieteilijä James Bradley (1692 - 1762) mittaamalla kiintotähtien suuntakulman eli parallaksin muutoksen maan radan kahdessa eri kohdassa. Bradley sai (1728) valon nopeudeksi 294,995 km/s. Tässä on jo kolme oikeaa numeroa (virhe vain 1,7 %).

 Ranskalainen fyysikko ja geodetikko Jean Arago (1786 - 1853) ehdotti (1838) pyorivän peilin käyttämistä valon nopeuden mittaamiseen ilmassa ja vedessä. Sokeus ja Ranskan vallankumous sotkivat suunnitelmat.

 Ranskalainen fyysikko Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) mittasi pyörivän hammasrattaan avulla valon nopeuden. Valon kuljettua Montmartressa pyörivän rattaan hammasvälistä se heijastui 8 km päässä Suresnesin kukkulalla olevasta peilistä takaisin hammasrattaaseen. Jos rattaan pyörimisnopeus oli riittävän suuri, hammas ehti valon tielle. Tästä hän voi laskea valon nopeuden (1849). Vaikka tulos 313 km/s oli heikompi, kuin Bradleyn aikaisemmin laskema tulos, oli Fizeaun koe tärkeä, koska se oli ensimmäinen yritys mitata valon nopeus maanpäällisillä järjestelyillä.

 Fizeau toteutti yhdessä ranskalaisen fyysikon Léon Foucaultin (1919 - 1868) kanssa Aragon suunnitelman valon nopeuden mittamiseksi pyörivällä peilillä. He rakensivat mittauslaitteiston Montmartren ja Surenesin kukkuloitten välille. Toiselle kiinteän peilin ja toiselle pyörivän peilin. Peilien väli oli 8 km. Valon heijastuttua pyörivästä peilistä se kulki 16 km ennenkuin se palasi takaisin pyörivään peiliin. Sinä aikana peilin suunta oli muuttunut ja heijastuneen valon siinta oli eri kuin pysähtyneellä peilillä. Tästä he voivat laskea valon nopeuden. Vuonna 1862 he saivat valon nopeudeksi 297 000 km/s. He mittasivat valon nopeutta myös vedessä ja osoittivat, että valo etenee vedessä hitaammin kuin ilmassa.

 Amerikkalainen fyysikko Albert A. Michelson mittasi valon nopeuden myös pyörivillä peileillä, mutta systeemi oli kehitelty edelleen Foucautin laitteesta. Tässä oli useita pieniä tasopeilejä säännöllisen särmiön pinnalla. Ensimmäinen mittaus oli vuonna 1878, jolloin hän sai tulokseksi 300 000 km/s. Yhdessä Simon Newcombin kanssa hän paranteli mittausjärjestelyä koko lopun elämäänsä. Pyörivässä systeemissä oli lopulta 32 peiliä. Vuonna 1923 tulos oli 299 798 km/s.

Amerikkalainen W. C. Anderson käytti mittauksessa moduloitua valonsädettä (valon voimakkuus vaihteli tunnetulla taajuudella) ja puoliläpäisevää peiliä. Peili jakoi säteen kahtia, jotka kulkivat eri pituiset matkat ennen yhtymistään. Interferenssin vaikutuksesta valot joko vaimenivat tai voimistuivat. Tällä menetelmällä saatiin nopeudeksi 299 776 km/s.

Myöhemmin on lasertekniikalla parannettu arvoa moneen otteeseen.

 Valon kuviteltiin tarvitsevan etenemiseensä väliainetta. Ajateltiin, että avaruuden täyttää aine, jota kutsuttiin eetteriksi. Tämä ajatus oli jo antiikin ajalla mm. Aristoteelellä. Michelson tuli kuuluisaksi erityisesti amerikkalaisen kemistin Edward W. Morleyn kanssa suorittamastaa kokeesta, jossa yrittivät mitata valon nopeutta eri suunnista. Koska maa liikkuu, pitäisi tulos olla erilainen eri suunnissa, mutta tulos oli negatiivinen. Minkäänlaista eroa ei eri suunnista tulleiden valon nopeuksien välillä ei ollut. Michelson sai tästä negatiivisesta tuloksesta Nobellin fysiikan palkinnon. Tulos osoitti eetteriteorian vääräksi. 


Lisää linkkejä, joita voit käyttää vaikka tutkielman valmisteluun.

 Antiikin kreikkalaisten käsityksiä:
The early Greek philosophers generally followed Aristotle's belief that the speed of light was infinite.
 

 Yhteenvetoja valon nopeuden mittaamisesta:
The Speed of Light
The Speed of Light

Rømerin mittausmenetelmästä:
Roemer, Ole Christensen

 Yhteenveto optiikan historiasta, jossa kerrotaan mm. Bradleyn töistä:
(1728 : James Bradley discovers the aberration of starlight and uses it to determine that the speed of light is about 283,000 km/s.=
Optiikan historiaa, englanniksi

 Seuraavassa on Aragoa käsitteleviä linkkejä:
Dominique Francois Jean Arago
Monet tiedemiehet ovat saaneet nimikkokraaterinsa kuusta. Aragolla on myös oma kraateri Arago Crater.

 Michelsonista on kirjoitettu paljon. Tässä on vielä yksi.
Albert A. Michelson, 1852-1931

 Michelsonin ja Morleyn kokeesta on paljon kirjoituksia.
The Michelson-Morley Experiment

  Kun Michelson ja Morley osoittivat, ettei valon nopeus riippunut tulosuunnasta, johti se uuteen käsitykseen valon nopeudesta ja syntyi uusi erityinen suhteellisuusteoria.
Ether and the Theory of Relativity


©Internetix/Ismo Elo/Käyttöfysiikka Oy