Mikä on valon nopeus, ja miten se saatiin selville?
Milloin keksittiin, että valolla on nopeus, ja kuka mittasi sen ensimmäisenä? Ja miten?
Mikä on valon nopeus?
Valo on sähkömagneettista säteilyä, mikä tarkoittaa, että valon nopeus tarkoittaa sähkömagneettisen säteilyn etenemisnopeutta. Kun jossain mainitaan valon nopeus, kyseessä on useimmiten valon nopeus tyhjiössä, missä valon nopeus on suurimmillaan.
Havaintojensa pohjalta Ole Rømer laski vuonna 1676, että valon nopeus on 227 000 km/s. Oikea arvo on 299 792 km/s. Tarkalleen valon nopeus tyhjiössä on 299 792,458 km per sekunti.
Valon nopeus vedessä on 2,24*108 , mikä on 1,3 kertaa alhaisempi kuin tyhjiössä. Valohiukkasten nopeus siis hidastuu, kun ne siirtyvät ilmasta lasilliseen vettä, ja kun valohiukkaset siirtyvät lasillisesta vettä ilmaan, tapahtuu päinvastoin.
Ole Rømer tutki valon nopeutta maailmankaikkeudessa
1600-luvulle asti eurooppalaiset tutkijat yleisesti olettivat antiikin filosofien Aristoteleksen ja Ptolemaioksen tavoin, että valolla on ääretön nopeus. Tosin arabialainen al-Haytham ja persialainen Avicenna päättelivät jo 1000-luvulla, että valolla on äärellinen nopeus.
Valon nopeuden äärellisyyden osoitti tieteellisesti ensimmäisenä tanskalainen tähtitieteilijä Ole Rømer 1676.
Tutkiessaan Jupiterin kuiden pimennyksiä Rømer havaitsi, että ne eivät Maasta katsottuna olleetkaan niin täsmällisiä kuin niiden planeettojen ratoja säätelevien lakien mukaan olisi pitänyt olla. Eri aikaan vuodesta pimennysten aikaero oli jopa 22 minuuttia.
Rømer päätteli, että Maan ollessa kiertoradallaan kauimpana Jupiterista kuunpimennys myöhästyi, koska valon oli kuljettava pidempi matka ennen saapumistaan Maahan.
Einsteiniakin askarrutti valon nopeus
Ole Rømer ei ollut ainoa, jonka työssä esiintyi valon nopeus.
Fyysikko Albert Einstein kehitti vuonna 1905 suhteellisuusteorian, joka perustui ajatukseen siitä, että valon nopeus tyhjiössä on aina sama.
Einstein otti lähtökohdakseen tutkija James Clerk Maxwellin teorian siitä, että kun valonsäde liikkuu eteenpäin, muodostuu hieman sähköä. Sähkö edetessään muodostaa magneettisen kentän, joka puolestaan seuraa mukana ja tuottaa lisää sähköä. Kyse on eräänlaisesta pukkihyppelystä.
Maxwell ei kuitenkaan koskaan kehittänyt teoriaa siitä, miten valo voi liikkua nopeammin tai hitaammin.
Einstein esitteli aivan uuden ajatuksen: hänen mukaansa valo liikkuu aina samalla nopeudella riippumatta siitä, onko se peräisin paikoillaan pysyvästä vai liikkuvasta lähteestä.
Einstein esitti myös, että koska magnetismi aina työntää sähköä eteenpäin, valo on nopeampaa kuin mikään muu. Valoaallot liikkuvat siis maailmankaikkeuden äärimmäisellä nopeudella.
Valolle ei voi antaa vauhtia
1800-luvun loppuun asti oletettiin, että valonnopeus on riippuvainen tarkkailijan liikenopeudesta samalla tavoin kuin äänennopeus. Äänennopeus suhteessa ilmaan on aina sama. Jos liikkuva ihminen lähettää eteenpäin ääniaallon, sen nopeus on hänestä hitaampi kuin normaali äänennopeus ilmassa eli noin 340 metriä sekunnissa. Valon uskottiin käyttäytyvän samalla tavalla, koska sen luultiin etenevän eetteri-nimisessä väliaineessa. Eetteri kuvattiin maailmankaikkeudessa olevaksi nestemäiseksi aineeksi, jonka kautta fysiikan eri voimat vaikuttivat toisiinsa. Tuolloin tiedettiin, että Maa kiertää Aurinkoa 30 kilometrin sekuntivauhtia. Sen perusteella oletettiin, että Maan liike eetterin suhteen saisi valon kulkemaan eri nopeudella Maan liikesuunnassa ja liikesuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa. Eroa pidettiin tosin niin pienenä, että sitä ei voitu mitata. Asia voitiin selvittää niin sanotulla Michelsonin-Morleyn kokeella 1881. Se osoitti, että valonnopeus on sama kaikille tarkkailijoille riippumatta siitä, millä nopeudella he liikkuvat valon lähteeseen nähden. Toisin sanottuna valonnopeus on vakio eli sama kaikissa olosuhteissa. Tästä seuraa, että auton etulyhdyistä lähtevät valonsäteet kulkevat aina samaa vauhtia eli 299 792,457 kilometriä sekunnissa – silloinkin, kun itse valonlähde eli ajovalot etenevät valonnopeudella. Käsitys valonnopeuden muuttumattomuudesta on keskeinen osa Albert Einsteinin suhteellisuusteoriaa, johon puolestaan perustuu suuri osa 1900-luvulla ja sen jälkeen tehdystä fysiikan tutkimuksesta.