Middeleeuwen: de eerste meting van de lichtsnelheid

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Zoals vaak het geval is in de wetenschap, was de berekening ervan een bijproduct van andere acties die veel praktischer waren. Aan het einde van de middeleeuwen bevaren Europese schepen de oceanen op zoek naar nieuwe landen en handelsroutes. Nieuw ontdekte eilanden moeten in kaart worden gebracht en daarvoor is het belangrijk om min of meer precies te weten waar ze liggen. Hier waren merkbare problemen mee.

Geografische coördinaten zijn twee numerieke waarden - breedtegraad en lengtegraad. Met breedtegraad is alles relatief eenvoudig: je moet de hoogte boven de horizon van een bekende ster meten. Op het noordelijk halfrond zal het hoogstwaarschijnlijk de Poolster zijn, op het Zuiden - een van de sterren van het Zuiderkruis. Overdag kan de breedtegraad worden bepaald door de zon, maar de fout is aanzienlijk groter - het licht is vrij groot, het is moeilijk te volgen vanwege de helderheid en de grenzen van de zichtbare schijf zijn wazig onder invloed van de atmosfeer van de aarde. Dit is echter een relatief eenvoudige taak.

Hoe laat is het nu

Lengtegraad is veel ingewikkelder. De aarde draait om haar as, en je kunt erachter komen waar we zijn, wetende de exacte tijd op dit punt en de tijd op een plaats, waarvan we de lengtegraad weten. In de literatuur schrijven ze meestal "prime meridiaan", dit is over het algemeen correct, omdat we het over hetzelfde hebben. Als met de lokale tijd alles vrij eenvoudig is, dan is het met de nulmeridiaan veel gecompliceerder.

In het tijdperk van de grote geografische ontdekkingen was er geen horloge dat de exacte tijd kon aangeven van de plaats waar ze waren weggevoerd. In die tijd werd een uurwerk met een minutenwijzer beschouwd als een techniek van hoge precisie. De eerste chronometers die geschikt waren om de lengtegraad te bepalen, verschenen in het midden van de 18e eeuw, en daarvoor moesten zeelieden het zonder doen.

De oudste theoretisch uitgewerkte methode was de maanafstandsmethode, voorgesteld door de Duitse wiskundige Johann Werner in 1514. Het was gebaseerd op het feit dat de maan vrij snel langs de nachtelijke hemel beweegt en door met een speciaal apparaat - een dwarsstaaf - de verplaatsing ten opzichte van sommige bekende sterren te meten, kun je de tijd instellen. De praktische implementatie van de methode van Werner bleek erg moeilijk en speelde geen noemenswaardige rol in de navigatie.

In 1610 ontdekte Galileo Galilei de vier grootste manen van Jupiter. Dit was een belangrijke wetenschappelijke gebeurtenis - binnen de mogelijkheden van de toenmalige waarnemingsastronomie, werd er nog een, naast de aarde, een hemellichaam gevonden, waaromheen zijn eigen satellieten draaiden. Maar het belangrijkste voor tijdgenoten was dat de beweging van deze satellieten gelijktijdig en gelijkmatig kon worden waargenomen vanaf alle punten op aarde, waar Jupiter op dat moment zichtbaar is.

Galileo Galilei

Reeds in 1612 stelde Galileo voor om de exacte tijd, en dus de lengtegraad, te bepalen door de beweging van Io, een van de vier satellieten van Jupiter. Het heeft veel opmerkelijke kenmerken waar Galileo natuurlijk niets van af wist, maar het belangrijkste is dat het relatief eenvoudig te observeren is. Toen hij ontdekte wanneer hij de schaduw van de planeet binnenging, was het mogelijk om de tijd nauwkeurig vast te stellen. Maar de allereerste pogingen om tabellen van verduisteringen van Io (en andere Galileïsche satellieten) samen te stellen, onthulden dat deze tijd op een onbegrijpelijke manier was verschoven voor de wetenschap van die tijd. De redenen bleven driekwart eeuw onduidelijk.

zoon van de koopman

Ole Christensen Rømer werd in 1644 geboren in een Deense koopmansfamilie. Informatie over zijn jeugd is fragmentarisch - hij is niet bevallen en persoonlijke roem zal veel later tot hem komen. Het is bekend dat hij afstudeerde aan de Universiteit van Kopenhagen en blijkbaar opviel vanwege zijn intellect. In 1671 verhuisde Roemer naar Parijs, werd een werknemer van Cassini en werd al snel verkozen tot de Academie van Wetenschappen - toen was deze verzameling geleerde mensen minder elite dan later.

Ole Roemer

Tegen het einde van de eeuw keerde hij terug naar Denemarken, bleef een praktiserend astronoom en stierf daar in 1710. Maar dit komt allemaal later.

Het is eindig

En in 1676 stelde hij voor de moderne tijd ongecompliceerde berekeningen voor die zijn naam onsterfelijk maakten. De kern van de zaak is simpel. Jupiter staat ongeveer vijf keer verder van de zon dan de aarde. Het maakt één omwenteling rond de zon in ongeveer 12 aardse jaren (we ronden de getallen af voor de eenvoud). Dit betekent dat in een half jaar de afstand van Jupiter tot de aarde met ongeveer een derde zal veranderen. En dit komt min of meer overeen met het waargenomen verschil in de eclipstijden van de Galileïsche satellieten.

Io vandaag

Het is nu heel gemakkelijk voor ons om de logica van deze redenering te begrijpen, maar in de 17e eeuw was het gebruikelijk om te denken dat de lichtsnelheid oneindig is. Maar Roemer suggereerde dat dit niet zo is. Volgens zijn berekeningen was de lichtsnelheid gelijk aan ongeveer 220 duizend kilometer per seconde, wat een kwart lager is dan de vandaag vastgestelde waarde. Maar voor de 17e eeuw was het in ieder geval niet slecht.

Dan blijkt dat alles niet zo eenvoudig is, en na twee eeuwen zal Laplace rekening houden met de gravitatie-invloed van satellieten op elkaar, maar dit is een heel ander verhaal.

Roemers idee speelde geen rol van betekenis bij geografische ontdekkingen. Het observeren van de manen van Jupiter door een telescoop die aan boord van het schip was geïnstalleerd, was door het rollen bijna onmogelijk. En in het midden van de 18e eeuw werden de eerste chronometers ontwikkeld, geschikt voor het bepalen van de lengtegraad.