Astronomske metode merenja brzine svetlosti

Preteču nauke o svetlosti stvorili su još u davno vreme Stari Grci. Helenski period nije doprineo mnogo u shvatanju same prirode svetlosti ali su se pojavile prve hipoteze. Antička optika zasnivala se na pretpostavkama, bez eksperimenata i dokazivanja, pa je logično bila osuđena na slab uspeh. Ipak, Aristotel je tvrdio da je Sunce izvor svetlosti, a ne predmeti oko nas, i uočio da se svetlost bolje vidi kroz vazduh nego vodu.


Kepler


Galilej

U Srednjem veku vredi spomenuti Alhazena[1], arapskog naučnika koji je uneo dosta svežine u nauku, a smatra se tvorcem fiziološke optike. U svojoj knjizi Optika, u poglavlju o prelamanju svetlosti, napisao je sledeće: „Brzina svetlosti, iako veoma velika, ipak je konačna i smanjuje se u gušćoj sredini.“ U Evropi je u to vreme svetlost predstavljala nešto nedokučivo, neizmerno, božansko, pa se stoga moralo kretati beskonačnom brzinom. Alhazenovo učenje nije bilo opšte prihvaćeno. Tome svedoče i reči Rene Dekarta[2] iz 17.veka: „Svakodnevno iskustvo demonstrira da je prostiranje svetlosti momentalno; kad vidimo paljbu topa na veliku razdaljinu, bljesak do naših očiju stiže odmah dok zvuku treba izvesno vreme da dospe do naših ušiju.“ Jedan od najvećih astronoma svih vremena, Johan Kepler[3], delio je taj stav. Prvi je Galileo Galilej[4] u Dve nove nauke 1638. godine izrazio stav da se brzina svetlosti ma kolika ona bila može prihvatiti kao tačna jedino ako se eskperimentalno odredi. Galilej je izvršio merenje 1607. godine terestričkim metodama, a dobijeni rezultat je bio 300 km/s.

Prvi ozbiljan pokučaj da se brzina svetlosti izmeri astronomskim metodama izveo je Olaus Remer[5] 1676. godine. Đovani Domeniko Kasini[6] je, posmatrajući pomračenja Jupiterovog satelita Io-a između 1666. i 1668. godine primetio različite rezultate i izneo hipotezu da je brzina svetlosti konačna. Remer je to potvrdio u čuvenoj opservatoriji Uraniborg u blizini Kopenhagena, primetivši zajedno sa Žanom Pikarom[7] da su vremenski periodi između pomračenja Io-a kraći kada se Zemlja približava Jupiteru, a duži kada se udaljava (vidi sliku). Ustanovio je da je četrdeset perioda obilaska Io-a oko Jupitera (koji iznosi 42.5 h u položaju H) za 22 minuta kraća kada se Zemlja približava Jupiteru (F-G) nego četrdeset perioda kada se Zemlja udaljava (L-K). To znači da svetlosnim zracima treba oko 22 minuta da pređu rastojanje koje Zemlja prevali za 80 obilazaka Io-a oko Jupitera, odnosno dvostruku vrednost astronomske jedinice (H-E). Godine 1675. u svom radu je napisao: „Druga nejednakost je izgleda zbog toga što svetlosti treba vremena da stigne od satelita do nas; svetlosti treba oko 10 do 11 minuta da pređe rastojanje poluprečnika Zemljine orbite.“



Kristijan Hajgens[8] je iskoristio Remerove rezultate i izmerio da je brzina svetlosti 2.2x105 km/s. U to vreme nije bila poznata tačna vrednost velike poluose Zemljine putanje oko Sunca (mislilo se da je 140 umesto 150 miliona km) pa je rezultat bio pogrešan, ali je red veličine bio tačan.


Hajgens

Olaus Remer je svojim čeličnim astronomskim strpljenjem pokazao da se svetlost kreće mnogo brže nego što se mislilo. Neki su ostali skeptični, drugi su prihvatili, a jedan od njih bio je Isak Njutn[9], koji je 1687. u svom čuvenom delu Philosophiae Naturalis Principia Mathematica zapisao: „Sad je sasvim sigurno, iz fenomena Jupiterovih satelita, potvrđeno osmatranjem raznih astronoma, da se svetlost prostire ograničenom brzinom i da joj treba sedam ili osam minuta da stigne od Sunca do Zemlje.“ Poštujući Njutnovo mišljenje, mnogi naučnici širom Evrope tražili su način da dođu do još preciznijeg rezultata, a najveći među njima bio je Džejms Bredli[10].

Godine 1728. Bredli je došao do zaključka da je neophodno menjati nagib teleskopa da bi se „uhvatila“ svetlost sa zvezda dok Zemlja obilazi oko Sunca. Primetio je da Zemljino kretanje primorava posmatrača da smanji nagib (θ) kako bi zraci ulazili u teleskop (zvezdana aberacija), a ugao je otprilike jednak odnosu između Zemljine orbitalne brzine i brzine svetlosti (tgθ=v/c). Bredli je posmatrao jednu zvezdu u sazvežđu Zmaja, a izmerivši ugao pod kojim njena svetlost pada u teleskop dobio je vrednost brzine svetlosti od oko 3.01x105 km/s. Ako svetlosne zrake zamislimo kao kišne kapi, a teleskop se kreće po zemlji, potrebno je nagnuti ga u smeru u kom se kreće pod određenim uglom kako bi kapi mogle da stignu do dna njegove cevi. Ako bi ona bila vertikalna u odnosu na zemlju, kapi bi po ulasku naletale na njen bočni zid. Pošto se Zemlja kreće, teleskop se naginje za ugao θ.

Tako je završen period pionirskih astronomskih metoda, koji je trajao kroz 17. i 18. vek, dok je moderno doba u prvi plan iznelo terestričke metode. Godine 1983. precizno izmerena brzina svetlosti u vakuumu (2.99792458x105 km/s) upotrebljena je za definiciju SI jedinice metar, kao dužine koju pređe svetlost u vakuumu za vremenski interval od 1/299792.458 sekundi.