Laserlys, der brydes i vand
Laserlys, der brydes i vand Foto: Laura Søvso Thomasen

Brydningsloven og kontroverser

I denne kildepakke kommer du til at arbejde med, hvordan Rømers måling af lysets hastighed også havde betydning for, hvordan man tænkte om lysets brydning gennem vand.

I denne kildepakke finder I to materialer fra Rømers hånd.

Dels et brev til den nederlandske videnskabsmand Christiaan Huygens (1629-1695), og dels et ark med observationer af Jupiter-måneformørkelser i 1668-1678, som var nogle af de observationer, der lå til grund for Rømers fastsættelse af lysets hastighed.

Rømer levede i en tid, hvor naturvidenskabens rolle ændrede sig fundamentalt i samfundet. Blot hundrede år tidligere havde videnskaben ikke haft en særlig stor gennemslagskraft. Man havde i stedet især kigget til kirken og religionen, når der var spørgsmål om, hvordan verden var og hang sammen.

Manuskriptside med noter fra Rømers observationer
Manuskriptside med noter fra Rømers observationer

Foto: Det Kgl. Bibliotek

Op gennem renæssancen mente man, at alting i verden hang sammen i ét stort system kaldet “scala naturae”. Det var et hierarkisk system, hvor alting havde sin rette plads (eksempelvis var mennesket over dyrene osv.), men udover at der var et hierarki, så hang verden også sammen på kryds og tværs.

De fire humører

Den bedste måde at forklare dette på er ved at se på de såkaldte fire temperamenter (eller fire humører). Helt fra antikken havde man ment, at mennesket består af fire kropsvæsker: blod, spyt, gul galde og sort galde. Kom disse væsker i ubalance, så mente man, at man ville man blive syg. Hvis man for eksempel var forkølet, så var det et tegn på, at man havde for meget spyt/klar væske. Det kunne man se, fordi man også snotter meget, når man er forkølet. Hvis man var deprimeret - eller melankolsk, som man kaldte det - så var det, fordi man havde for meget sort galde.

Men de fire humører havde ikke kun noget med kroppen at gøre. De indgik i alle andre aspekter af verden også. Det vil sige, at hver væske var tilknyttet bestemte organer i kroppen, stjernetegn, metaller, årstider, farver og så videre. Renæssancens verdenssyn var således et stort kompleks system, hvor alting hang sammen. Men det bevirkede også, at fænomener i naturen eller i menneskekroppen blev forklaret med de fire væsker og systemet rundt om disse, i stedet for at man søgte en mere videnskabelig forklaring. 

Francis Bacon

Men i begyndelsen af 1600-tallet lægges fundamentet til det, man kommer til at betegne som “Den videnskabelige revolution”. Det var især den engelske embedsmand og filosof Francis Bacon (1561-1626), som fik stor betydning for, hvordan naturvidenskaben blev revolutioneret. Bacon udgav i 1620 værket “Novum Organum” (den nye metode), som, som titlen også fortæller, introducerede en ny metode til at arbejde videnskabeligt på.

Bacons metode kalder man induktiv. Det betyder, at hvis man skal sige noget generelt om et fænomen, så er man nødt til at understøtte det ved at have lavet en masse observationer og/eller eksperimenter. Det modsatte af induktion er deduktion. Her går man ud fra, at noget generelt er sandt, og derefter kan man bakke det op med observationer.

For videnskaben i 1600-tallet betød Bacons metode, at det ikke længere var nok bare at gå ud og påstå noget om verdenen. Det nye ideal var, at man observerede naturen og udførte eksperimenter, der tilsammen kunne bevise en påstand. 

Opfindelser, opdagelser og videnskabsmænd

Samtidig med Bacon skete der også nogle tekniske fremskridt, som gjorde, at man fik nye muligheder for at undersøge verdenen. I astronomien fik man teleskopet, i biologien mikroskopet og i lægevidenskaben begyndte man at interessere sig for blandt andet kredsløbet.

Mange opfindelser og opdagelser i 1600-tallet og begyndelsen af 1700-tallet blev også noget, der fundamentalt ændrede videnskaben og ikke mindst vores verdensbillede. Af prominente videnskabsmænd kan nævnes Isaac Newton, René Descartes, Robert Boyle, Antonie van Leeuwenhoek, Johannes Kepler, Galileo Galilei og Blaise Pascal og herhjemme (udover Rømer) Tycho Brahe, Niels Steensen (Steno), Christen Sørensen Lomborg (Longomontaus) og Bartholin-familien. 

  • Vælg to af videnskabsmændene ud og find ud af hvilke videnskabelige opfindelser/opdagelser de blev kendt for. Diskutér kort om det er opdagelser/opfindelser, der stadig spiller en rolle i dag. 

I takt med at der kommer mere fokus på videnskaben op gennem 1600-tallet, bliver man også langsomt mere og mere interesseret i, hvad videnskaben kan fortælle os om, hvordan verden ser ud.

For den almindelige borger i 1600-tallets Europa betød videnskaben måske ikke det store i dagligdagen, men den satte langsomt verden mere i system, og man fik en bedre forståelse for, hvordan verden så ud. Det betød blandt andet, at man fik bedre udstyr til at navigere på havet med, hvilket i sidste ende havde stor betydning for handlen og koloniseringen. Og ikke mindst betød det, at den viden, videnskaben kunne give om, hvordan verden så ud og vores plads i universet, resulterede i et nyt verdensbillede. 

Kontroverser i videnskaben

Rømer er som sagt kendt for at have fundet frem til, at lyset har en hastighed, men faktisk blev hans opdagelse ikke kun vigtig i sig selv - den spillede også en væsentlig rolle i teorien omkring lysets brydning.

Den franske filosof og videnskabsmand René Descartes (1596-1650) troede på, at lys udbredes instantant (det vil sige, at den har uendelig stor hastighed), men hvis det var tilfældet, skulle der jo ikke ske nogen forandring ved skift fra luft til vand. Derfor formulerede Descartes den nye hypotese, at lysets partikler (som han troede på) er at sammenligne med tennisbolde, der slår imod jorden. Ud fra denne analogi udledte han brydningsloven.

Senere fremsatte den franske matematiker Pierre de Fermat (1607-1665) en anden forklaring, som baserer sig på, at lyset ’vælger’ den hurtigste vej mellem to punkter. Dette princip, opkaldt efter Fermat, er stadig et vigtigt fysisk princip.

Selvom Descartes og Fermat udledte den samme (korrekte) brydningslov, var deres antagelser om lysets og materiens natur altså vidt forskellige. Og helt konkret havde de forskellige opfattelser af, om lys udbredes hurtigere eller langsommere i vand end i luft.

Det skulle tage yderligere lang tid, megen tænkning og mange eksperimenter, før man i dag er nået meget længere i at forstå selve lysets natur.

Opgave 1

  • Byg følgende forsøgsopstilling: I skal bruge en beholder med saltvand, en laserpointer og et målebånd eller lineal (se figur 2). Fyld beholderen med vand, tilsæt salt (rør evt. lidt rundt i vandet) og læg linealen i bunden af beholderen. Mål højden af vand i beholderen (H). Montér laseren i en holder, hvis højde kan justeres. Placér laseren lodret over linealens ene ende og sigt den mod vandoverfladen. Pas på ikke at kigge direkte ind i laseren eller pege den ukontrolleret rundt i lokalet.
  • Variér nu laserens højde over bordoverfladen (h) og mål afstanden fra beholderens ende til laserens skæring med vandoverfladen (x) og afstanden fra beholderens ende til laserstrålens mærke på selve linealen (a) (se figur 3). Notér disse data h, x, a for forskellige indstillinger af laserens højde.
Fotografi af forsøgsopstillingens materialer: fint salt, målebånd, laser-pointer, skål med vand.
FIGUR 2: Materialer til forsøgsopstilling: Beholder med saltvand, laserpointer, måleredskab.

Foto: Laura Søvso Thomasen

Figur der skematisk illustrerer lysets brydning i en overflade, herunder udpegning af punkter og længder af særlig relevans.
FIGUR 3: Skematisk forsøgsopstilling.

Foto: Det Kgl. Bibliotek

Opgave 2

Vi er interesseret i forholdet 

Forholdet mellem sinus til vinklerne beta_1 og beta_2
FIGUR 1: Forholdet mellem sinus til vinklerne beta_1 og beta_2

Foto: Det Kgl. Bibliotek

og for at udregne det, skal vi lave noget databehandling (se figur 4), for eksempel i Excel:

Beregn:  

Formel, der udtrykker længderne l_1 og l_2 i x, h og H ved hjælp af Pythagoras' Sætning
FIGUR 2: Formel, der udtrykker længderne l_1 og l_2 i x, h og H ved hjælp af Pythagoras' Sætning

Foto: Det Kgl. Bibliotek

for hvert af dine datapunkter.

Beregn nu:

Formel, der udtrykker sinus til beta_1 som forholdet mellem x og l_1 og udtrykker  sinus til beta_2 som forholdet mellem a-x og l_2.
FIGUR 3: Formel, der udtrykker sinus til beta_1 som forholdet mellem x og l_1 og udtrykker  sinus til beta_2 som forholdet mellem a-x og l_2.

Foto: Det Kgl. Bibliotek

for hvert af dine datapunkter.

Hvad kan du konkludere ud fra dine forsøg og data?

Matematisk figur, der bygger videre på den skematiske figur og fremhæver de to centrale trekanter og vinklerne i beviset.
FIGUR 4: Matematisk notation for forsøgsopstillingen.

Foto: Det Kgl. Bibliotek

Opgave 3 

Læs uddraget fra Rømers brev til Huygens (nederst på siden):

  • Forklar, hvad det er, Rømer og Descartes er uenige om.
  • Diskutér, hvordan jeres eksperiment i opgave 1 og 2 giver et perspektiv på at løse kontroversen.
  • Diskutér, hvordan to videnskabsmænd kan være uenige om antagelserne, når de når frem til samme konklusioner.

Opgave 4

  • Lav en notesbog (for eksempel en Padlet, en plakat, en tegneserie eller en video), der illustrerer jeres eksperiment og jeres konklusioner. Tænk over, hvordan I kan sikre, at jeres notesbog kan læses og forstås af andre, der ikke har set jeres eksperiment og været med i jeres diskussioner. 

Brev fra Rømer til Huygens

"Descartes har, fordi han har set, at en Kugle, der drives skævt fra Luften ned i Vandet, brydes modsat Lysets Straaler, ment, at Lysstraalerne vanskeligere gaar gennem Luft end gennem Vand, hvorimod det forekommer mig, at man kan slutte det modsatte af selve dette Fænomen. - Kuglen A brydes ved Overfladen af en Masse besteende af Smaalegemener og styrer i Retningen BC . . . men hvis Kuglen, der kastes saaledes ind, ikke trænger igennem, men dog opholder sig der og ligesom faar en Del af Massens Smaalegemer til at ryste (hvilket er Straalingens Bevægelse), vil Retningen af denne Bevægelse være et eller andet Sted indenfor ABE f.Eks. langs BC".