Lyset fra din lommelygte rejser milliarder af kilometer ud i universet

Til daglig tænker vi ikke over, at lys har en hastighed. Men ”lysets tøven”, som den danske astronom Ole Rømer betegnede det, er afgørende for vores viden om universet og naturlovene, skriver fysikprofessor Ulrik Uggerhøj

Observationer af Jupiters måne Io, der her ses som en sort plet, var afgørende for den danske astronom Ole Rømers opdagelse af lysets hastighed – eller ”tøven”, som han betegnede det.
Observationer af Jupiters måne Io, der her ses som en sort plet, var afgørende for den danske astronom Ole Rømers opdagelse af lysets hastighed – eller ”tøven”, som han betegnede det. . Foto: Ritzau Foto.

Hvis du har en laser-pegepind eller måske en lommelygte, så prøv at gå ud en mørk, stjerneklar aften og send et lysglimt afsted opad. En sådan lysstråle består af, ja, lys, men dette lys udgøres af kvanter, de såkaldte fotoner.

Med laser-pegepinden tændt i et sekund vil du sende noget i stil med tre millioner milliarder fotoner afsted. Og medmindre du sigter mod månen eller uforvarende kommer til at pege i retning mod en af planeterne i solsystemet, vil en stor del af de fotoner, du sender afsted, befinde sig 26 milliarder kilometer væk et døgn senere. Så når man har sendt glimtet afsted, kan man godt bruge lidt tid på at fundere over, hvad det egentlig er, man har gjort: Sendt et signal afsted, der aftenen efter befinder sig i en svimlende afstand fra Jorden. Og alligevel er det på kosmisk skala stadig meget tæt på – universet er gigantisk.

Det næste større objekt, fotonerne ville kunne ramme, vores nærmeste nabo-stjerne, Proxima Centauri, befinder sig så langt væk, at det vil tage fotonerne lidt mere end fire år at nå derud. Så selvom lyset bevæger sig ekstremt hastigt, 299.792.458 meter i sekundet, som altså svarer til 26 milliarder kilometer i døgnet, er der så langt til Solens nærmeste nabo, at du når at blive 4 år ældre, inden lyset når frem dertil.

At lysets hastighed er meget høj, men dog ikke uendeligt høj, blev første gang eftervist af den danske astronom Ole Rømer i en artikel udgivet i et fransk tidsskrift i 1676.

Forinden havde Ole Rømer, hans kollega Jean Picard og lederen af det astronomiske observatorium i Paris Giovanni Domenico Cassini foretaget en række målinger af tidspunktet for fremkomsten af Jupiters nærmeste måne, Io, fra Jupiters skygge.

Jupiter ligger i en afstand fra Jorden, der svarer til, at lyset fra en af månerne – som bliver belyst af Solen, medmindre de befinder sig i skyggen bag planeten – skal bruge cirka tre kvarter på at komme hertil.

Alligevel kunne Rømer bestemme tidspunktet for Ios fremkomst fra (eller forsvinden i) Jupiters skygge med en præcision på omkring et halvt minut. Og det på trods af, at teleskopet var opfundet bare lige under 70 år tidligere og penduluret kun 20 år forinden.

Rømer kunne ud fra observationerne konkludere, at der var en forskel i tiderne mellem Ios tilsynekomst, når Jorden i sin bane om Solen nærmede sig Jupiter, sammenlignet med, når Jorden fjernede sig fra Jupiter. Denne forskel tilskrev han lysets endelige hastighed, hvormed han blev den første til at bestemme en omtrentlig værdi (dog på daværende tidspunkt ikke angivet i nutidens enheder for hastighed) for denne naturkonstant.

En bedrift, der gør ham til en af de største danske videnskabsmænd gennem tiden.

Lyset kan med Rømers opdagelse siges at ”tøve” – det bruger tid på at tilbagelægge en afstand. Denne tøven er dog for mange dagligdags formål så lille, at det ikke er noget, man lægger mærke til. Man bemærker for eksempel ikke, at det tager lidt tid, fra man tænder lommelygten, til lyspletten rammer væggen. Men det gør der. I det tilfælde er tiden omkring en snes nano-sekunder, altså milliarddele sekunder, naturligvis afhængigt af, hvor langt væk væggen befinder sig. Så der skal fintfølende instrumenter til for at måle forsinkelsen over små afstande.

Når vi nu er ved de store danske videnskabsmænd og talen falder på lys, kan man ikke undlade at nævne Hans Christian Ørsted, der – udover adskillige fundamentale opdagelser – stiftede Selskabet for Naturlærens Udbredelse i 1824, en forening der stadig er aktiv. Og i hans videnskabelige opdagelser blev ordet forening – dog omhandlende lidt andre emner – af stor betydning.

I sit ”Forsøg over den electriske Vexelkamps Indvirkning paa Magnetnaalen” fra 1820 fandt Ørsted, at en kompasnål blev påvirket af en strømførende ledning; med andre ord, at der måtte være en forbindelse mellem elektricitet og magnetisme, to kræfter, der indtil da havde været anset for at være uafhængige.

I dag kaldes foreningen af disse to – indtil Ørsteds opdagelse helt separate fænomener – under ét for elektromagnetiske kræfter. Og forbindelsen mellem de to giver anledning til en forståelse af lys, der stadig bruges i dag.

Det blev den skotske fysiker James Clerk Maxwell, der i 1864 inspireret af blandt andet Ørsteds resultater, fandt et sæt af ligninger, i dag kaldet Maxwells ligninger, hvormed man kan beskrive elektriske og magnetiske felter og deres indbyrdes sammenhæng. Det viste sig, at en særlig type elektrisk felt kan give anledning til et magnetisk felt, som igen giver et elektrisk felt og så fremdeles. På en måde kan man således sige, at lys bevæger sig gennem rummet, fordi det ikke kan lade være. Når først det elektriske felt under visse betingelser er sat i gang, opstår der en sammenhængende ”kæde” af felter, der holder hinanden ved lige og bevæger sig gennem rummet.

Denne indbyrdes afhængighed giver en elektromagnetisk bølge, der udbreder sig med en bestemt hastighed, hvor Maxwell konkluderede: ”Overensstemmelsen mellem disse resultater [den målte værdi for lysets hastighed og udregningen ifølge Maxwells love] synes at vise, at lys og magnetisme er indvirkninger på den samme substans, og at lys er en elektromagnetisk forstyrrelse forplantet i feltet i henhold til elektromagnetiske love.”

Baseret på Maxwells erkendelser kunne man altså pludselig udregne lysets hastighed baseret på andre kendte naturkonstanter (man gør det modsatte i dag, altså baserer de andre på lysets hastighed). De af blandt andre Ørsted sammenkoblede elektriske og magnetiske felter kaldes elektromagnetisk stråling, hvoraf synligt lys er et specielt iøjnefaldende eksempel. Og det udbreder sig altså med lysets ”tøven” – 26 milliarder kilometer i døgnet – som Rømer var den første til at opdage.