Mengukur kecepatan cahaya

Pada 1849, Hippolyte Fizeau mengukur waktu tempuh cahaya sejauh sekitar 17 km pulang pergi dengan roda berputar yang memiliki 720 gigi.

Apakah cahaya merambat seketika?

Nyalakan lampu, dan ruangan seolah langsung terisi cahaya. Untuk waktu yang lama, banyak pemikir, termasuk Johannes Kepler dan René Descartes, menganggap kecepatan cahaya tak terhingga, seperti dicatat American Physical Society dalam sejarah pengukurannya. Galileo termasuk orang pertama yang meragukannya. Pada 1638, ia menjelaskan percobaan dengan dua orang yang berdiri berjauhan sambil membawa lentera tertutup. Orang pertama membuka lenteranya, dan orang kedua membuka lenteranya segera setelah melihat cahaya. Pengukuran selang waktunya seharusnya menghasilkan kecepatan cahaya. Menurut OpenStax, percobaan awal semacam ini hanya menunjukkan bahwa cahaya sangat cepat, mungkin merambat seketika.

Mudah dipahami mengapa percobaan lentera gagal. Jika kedua lentera berjarak 5 km, cahaya menempuh 10 km pulang pergi dalam sekitar 33 persejuta detik, jauh lebih singkat daripada waktu reaksi manusia yang hanya sepersekian detik. Untuk mengamati perambatan cahaya, diperlukan jarak yang sangat jauh atau pengukuran waktu yang sangat cepat. Keberhasilan pertama memanfaatkan jarak yang sangat jauh.

Rømer dan satelit Yupiter

Pada 1670-an, astronom Denmark Ole Rømer mengukur waktu gerhana salah satu satelit Yupiter saat melewati belakang planet tersebut. OpenStax menjelaskan temuannya: periode orbit rata-rata satelit yang diukur dari Bumi tampak berubah, bergantung pada apakah Bumi sedang mendekati atau menjauhi Yupiter. Saat Bumi lebih jauh, gerhana terlambat; saat lebih dekat, gerhana lebih awal. Ia menyimpulkan bahwa cahaya membutuhkan waktu untuk melintasi jarak yang berubah itu. Menurut OpenStax, nilai yang dihitung dari data tahun 1676 adalah 2.26 × 10⁸ m/s, sekitar 25% di bawah nilai saat ini, terutama karena ukuran orbit Bumi belum diketahui dengan baik. Pokok temuannya adalah bahwa kecepatan cahaya terbatas.

Roda dan cermin di Bumi

Pengukuran pertama yang dilakukan sepenuhnya di permukaan Bumi dilakukan oleh Hippolyte Fizeau pada 1849. Ia mengirim berkas cahaya melalui celah roda bergigi yang berputar ke cermin sejauh 8633 m, lalu kembali. Pada putaran lambat, cahaya yang kembali melewati celah yang sama. Saat roda berputar semakin cepat, tercapai keadaan ketika cahaya yang berangkat melalui celah kembali dan terhalang gigi roda, sehingga cahaya yang dilihat pengamat meredup. Roda itu memiliki 720 gigi. Cahaya pertama kali menghilang pada 12.6 putaran per detik, saat satu gigi menempati posisi celah. Pada kecepatan dua kali lipat, 25.2 putaran per detik, cahaya terlihat lagi melalui celah berikutnya. Jadi, waktu tempuh cahaya pulang pergi sama dengan waktu roda bergeser sejauh satu celah. Hasilnya 2 × 8633 m × 720 × 25.2 per detik ≈ 313 000 km/s, sekitar 4.5% terlalu tinggi.

Léon Foucault mengganti roda dengan cermin berputar. Cahaya dipantulkan dari cermin berputar ke cermin tetap lalu kembali. Selama itu, cermin berputar sudah sedikit berubah arah, sehingga berkas yang kembali bergeser dengan sudut kecil yang dapat diukur. Pada 1862, ia memperoleh 298 000 km/s, dengan selisih hanya 0.6% dari nilai modern, memakai cermin yang hanya berjarak sekitar 20 m. Dengan alat serupa, ia dan Fizeau juga menunjukkan sekitar 1850 bahwa cahaya merambat lebih lambat di air daripada di udara, sesuai prediksi teori gelombang cahaya. Albert Michelson menyempurnakan metode cermin berputar selama puluhan tahun. OpenStax menjelaskan susunan alatnya dengan cermin tetap berjarak 35 km, dan hasilnya pada 1926 adalah 299 796 km/s, sekitar 12 bagian per juta terlalu tinggi.

Dari mengukur c menjadi mendefinisikannya

Pada 1970-an, laser dengan frekuensi sangat stabil memungkinkan ilmuwan mengukur frekuensi dan panjang gelombang cahaya yang sama lalu mengalikannya, karena c = fλ. NIST menjelaskan bagaimana kelompok Ken Evenson di Boulder memperoleh 299 792 456.2 ± 1.1 m/s, seratus kali lebih teliti daripada sebelumnya. Batas ketelitiannya bukan lagi pengukuran cahaya, melainkan definisi meter itu sendiri, yang saat itu didasarkan pada cahaya dari atom kripton. Karena itu, pada 1983, Konferensi Umum tentang Berat dan Ukuran membalik pendekatan tersebut dan mendefinisikan meter sebagai panjang lintasan yang ditempuh cahaya dalam vakum selama 1/299 792 458 detik. Sejak saat itu, kecepatan cahaya tepat 299 792 458 m/s menurut definisi, dan jarak diukur menggunakan jam.

Beberapa angka membantu menggambarkan kecepatan tersebut. Cahaya dari Matahari yang berjarak sekitar 149.6 juta km membutuhkan 499 detik, sedikit lebih dari 8 menit, untuk mencapai kita. Pulsa laser yang dikirim ke reflektor di Bulan, dengan jarak rata-rata 384 400 km, kembali sekitar 2.56 detik kemudian.