Ciència nombres i lletres

Encara que sembli que els grecs clàssics tinguessin una física totalment especulativa i no experimental, això no és cert del tot. Aristòtil en persona, va intentar mesurar la velocitat de la llum. Alguns estudiosos especulen que pel mateix sistema hagués pogut mesurar realment la velocitat del so, però en no haver-hi constància que hagi arribat als nostres temps, és una simple especulació.

I per mesurar la velocitat de la llum va imaginar un experiment molt senzill. Va pujar de nit a un cim amb un fanal i una pantalla i va enviar un col·laborador a un altre cim separat uns quants quilòmetres, visible des del primer amb el mateix material. Quan les llanternes de l’altre van ser clarament visibles, va col·locar la pantalla davant la seva amb l’ordre que l’altre, en veure apagar-se el llum, fes el mateix.

Va detectar un interval, però ràpidament va constatar que era independent de la distància entre els dos experimentadors. Cosa que encertadament va explicar dient que el temps de reacció de l’experimentador era molt més gran que el de la llum fent el trajecte.

Ja ho hagués pogut deduir d’una altra observació. Quan pel vespre, en una tempesta cau un gran llamp, tota l’escena s’il·lumina instantàniament des del punt de vista dels nostres ulls, la llum del llamp ens arriba al mateix temps que la resplendor reflectida en muntanyes o núvols del fons molt més llunyans. Aquest argument no va aparèixer —que ens hagi arribat— fins el renaixement.

No va ser fins molt més tard que Galileo va tenir una idea que finalment va resultar en el mètode que va permetre mesurar aproximadament la velocitat de la llim. Galileo havia descobert els quatre satèl·lits més grans de Júpiter —els satèl·lits galileans— i va pensar que com que les seves òrbites, inclosos eclipses i passos davant el planeta eren molt regulars, amb una taula predictiva adequada, seria possible determinar la hora amb una observació relativament senzilla de les posicions. No hi havia en temps de Galileo rellotges prou bons com per fer unes taules prou exactes, però cinquanta anys més tard, sí.

Va ser Ole Rømer, danès, qui des de l’observatori que havia construït Tycho Brae, també danès, però ara amb telescopis i cronòmetres moderns, va fer unes acurades observacions que li van permetre calcular unes taules bastant exactes de les posicions dels satèl·lits galileans. Uns anys més tard, a París, va comprovar que no casaven amb les observacions que havia fet uns anys abans Giovanni Domenico Cassini i va tenir una idea brillant: a les observacions de Cassini els satèl·lits semblaven tenir un retard respecte les seves taules, i el va atribuir a que s’havien observat quan eren més lluny, i que la llum trigava uns minuts més en arribar a la Terra.

Rømer no va arribar al final amb els seus càlculs per determinar la velocitat de la llum, però altres sí, com Huygens que va deduir que era de 213000 km/s, un 30% menys que el valor real, Però al menys, en ordre de magnitud, era prou correcte.

Cap el 1729, James Bradley, va fer una nova mesura indirecta de la velocitat de la llum mentre intentava mesurar la distància a les estrelles. Va observar que totes les estrelles semblaven descriure una petita el·lipse cada any, que només depenia de la seva posició i va deduir correctament mentre anava en barca pel riu Tàmesi —diu la tradició— que la discrepància era deguda a la relació entre la velocitat de la llum incident de l’estrella i el moviment de la Terra al voltant del Sol. Això li va permetre mesurar la velocitat de la llum per un segon mètode, també astronòmic però independent del de Rømer.

El primer que va mesurar la velocitat de la llum a la Terra, va ser Hippolyte Fizeau el 1849, amb una variació remota del mètode d’Aristòtil. En lloc d’un segon experimentador, un mirall; i en lloc d’una d’una pantalla per obstruir la llum, una roda dentada que la dividia en polsos molt curts. Amb la roda parada, la llum arribava al mirall i retornava a l’observador passant entre les mateixes dues dents de la roda. Però en posar la roda en moviment, el raig de retorn, que trigava un cert temps en fer el recorregut d’anada i tornada al mirall, es trobava que la roda havia avançat i ja no hi havia el forat, sinó la dent. Per a l’observador la llum desapareixia. Augmentant més la velocitat de la roda, el raig de llum, quan tornava, es trobava el següent forat de la roda i l’experimentador la tornava a veure. Coneixent la distància del mirall i la velocitat de la roda dentada, es podia calcular la velocitat de la llum.

I l’experiment es va fer fent circular la llum per l’aire, pel buid, per aigua, o per altres materials transparents, trobant sempre velocitats que depenien del medi, sempre més petites que la de la llum al buid que posteriorment es va saber que era la màxima possible per a qualsevol ona o partícula de l’Univers.

A partir d’aquí, les mesures es van anar fent cada vegada més precises amb diversos mètodes, per exemple amb miralls rotatoris, interferències entre ones de ràdio, entre làsers…

En temps moderns, un dia em vaig trobar en una revista —encara no hi havia internet—un mètode molt enginyós per mesurar la velocitat de la llum a casa. I, posteriorment, quan ja hi havia internet però el mètode no era gaire conegut, vaig fer un joc basat amb ell:

Quins tres dels objectes que es veuen a la il·lustració, i que podem trobar fàcilment a casa, podem fer servir per mesurar la velocitat de la llum?

1 Paper d’alumini
2 Sabó neutre (i aigua)
3 Balança
4 Llanterna elèctrica
5 Formatge en llesques per fondre
6 Espelma (i alguna cosa per encendre-la)
7 Forn de microones
8 Mirall
9 Tisores metàl·liques
10 Oli (en un setrill)
11 Rellotge amb agulla de segons
12 Metre (no necessàriament de fusta)

Si algú no ho resol i queda molt intrigat, que em deixi un comentari…