Relativitetsteori

Ljusets hastighet

De flesta mätningar vi gör använder ljusets egenskaper i en eller annan form. Att observera innebär ju primärt att se, även om man också kan göra mätningar på annat sätt. Det är därför klart att ljusets egenskaper på något sätt är centrala för vårt sätt att göra observationer. Ljusets egenskaper har en lång historia.

Redan Pytagoras ansåg att ljuset var en ström av partiklar som kom ut från solen och studsade mot föremålen runt omkring oss och sedan kom in i ögonen. Euklides ansåg att ljuset alltid rörde sig i räta linjer. Hur skulle en rät linje annars definieras? Var det inte ljusets väg som bestämde vad som var en rät linje? Detta stämmer med all erfarenhet, där vi ju syftar för att få till räta linjer när vi bygger, navigerar med enslinjer på sjön osv.

Men hur fort rör sig ljuset? Går det med oändlig hastighet eller är hastigheten ändlig. Galilei diskuterade saken och föreslog experiment, som han till och med lär ha utfört, med lyktor som bländades av på stort avstånd för att man skulle kunna bestämma ljushastigheten. Han fann med dessa experiment inte att hastigheten var ändlig. Andra försök som Galilei gjorde utnyttjade blixtarna från kanoner som avfyrades på långt håll. Han fann då att ljuset i alla fall rörde sig minst tio gånger fortare än ljudet, men kunde inte ge något ändligt värde på ljushastigheten.

Isaac Newton i England ansåg att ljuset hade partikelkaraktär. Han kallade ljuspartiklarna för korpuskler. Genom att ställa upp modeller för ljuspartiklarnas utbredning i olika medier kunde han påvisa reflektions- och refraktionslagarna. Detta ledde en starkt utveckling av den geometriska optiken. Samtidigt med Newton föreslog Christiaan Huyghens i Holland att ljuset var en vågrörelse. Huyghens kunde också härleda refraktions- och reflektionslagarna. Diskussionen böljade fram och tillbaka, oftast till Newtons fördel, eftersom hans auktoritet var så betydande. Det var fransmannen Augustin Fresnel och engelsmannen Thomas Young som till i början på 1800-talet avgjorde frågan till vågteorins fördel, genom att påvisa interferensexperiment, som var svåra att förklara med korpuskelteorin. Efter kvantmekanikens genombrott anser vi nu att ljuset är ett kvantumfenomen och därför har både ljus- och partikelkaraktär, beroende på vilken situation man observerar det i.

Men låt oss återgå till frågan om ljusets hastighet. Dansken Hans Ole Römer uppskattade ljusets hastighet redan 1676 genom att studera förmörkelsen av Jupiters månar, som hade upptäcks av Galilei. Han kom fram till ett ändligt värde som var av rätt storleksordning, ca 200 000 km/s. Fizeau och Foucalt mätte ljushastigheten bl.a. genom roterande kugghjul och roterande speglar respektive, och fann ett värde på ca 300 000 km/s med en mätosäkerhet om ca 1400 km/s. Michelson förbättrade sedan detta värde betydligt, vid två olika tillfällen. I redan den första bestämningen hade han nedbringat osäkerheten till ca 40 km /s. Senare tids förbättrade mätteknik har medfört att ljusets hastighet i vakuum är något av det noggrannaste man kan bestämma. Ljuset hastighet har med hänsyn till detta sedan 1983 bestämts vara en naturkonstant med värdet \displaystyle c=299 792 458 m/s. Man kan därför inte längre mäta ljushastigheten \displaystyle c i termer av någonting annat. Det betyder inte att det är betydelselöst att utföra sådana precisionsexperiment längre, bara att resultaten därav leder till mer precisa bestämningar av metern, som numera är definierad i förhållande till ljusets hastighet i vakuum. Men vi skall inte gå händelserna i förväg, utan fortsätta med ljusets natur och ljusteoriernas historia.