De fleste har fornemmet, at der er mere lys på en solskinsdag end på en gråvejrsdag. Men de færreste har nok tænkt på, at sollyset kan være op til 1000 gange stærkere end lyset i gråvejr. Det siger noget om, at øjet er ret dårligt til at vurdere lysstyrker. 

Denne mangel er en konsekvens af, at øjet har et helt ekstremt stort “måleområde”, blandt andet takket være pupillens evne til at lukke mere eller mindre lys ind i øjet. Forholdet i følsomhed fra det lyseste man kan se til det svageste et mørketilvænnet øje kan ænse, er over 1.000.000. Det svarer til, at vi ubesværet brugte den samme målestok til at måle længder på både millimeter og kilometer.

Selvom det menneskelige øje er en dårlig absolut lysmåler, er det fremragende til at sammenligne lysstyrker. Det udnyttede man allerede i oldtiden til at angive, hvor klart en stjerne lyser. Den græske astronom Hipparchos fandt nemlig på at inddele alle synlige stjerner i seks størrelsesklasser, hvor de klareste stjerner var af første klasse, og de svageste, som kunne ses med det blotte øje, var af sjette klasse.  Man kunne nu anbringe en stjerne i den rigtige størrelsesklasse ved at sammenligne lyset fra den med lyset fra en stjerne med kendt lysstyrke. Dette system bruges stadig, om end i stærkt moderniseret og kvantificeret udgave.

Standardlys

I løbet af 1700-tallet lærte man at “måle” en lyskildes lysstyrke ved at sammenligne den med en fast referencelyskilde. En af de første til på denne måde at udnytte øjets evne til at vurdere, om to objekter har samme lysstyrke, var den franske astronom m.v. Pierre Bouguer. Han fandt i 1720’erne på at oplyse to papirskærme med forskellige lyskilder og justere deres afstande til skærmene, indtil disse forekom lige oplyste. Takket være afstandskvadratloven kunne lysmålingen derved omsættes til en simpel afstandsmåling. Ved på denne måde at sammenligne både Månens og Solens lys med et stearinlys lykkedes det ham at vise, at Solens lys var cirka 300.000 gange mere intenst end Månens.

Forskellige, stadig mere avancerede udgaver at denne sammenligningsmetode, blev benyttet til lysmåling i de følgende to århundreder, indtil fotoelektriske detektorer kom frem og muliggjorde objektive målinger.

Indtil omkring 1800 var det stort set kun astronomer, der havde brug for at måle lysstyrker, men med fremkomsten af gaslys i begyndelsen af 1800-tallet og ikke mindst det elektriske lys i slutningen af århundredet voksede behovet for at kunne måle lysstyrken af forskellige lyskilder, så man kunne specificere, hvor stærkt de hver især lyste.

Derfor blev der i flere lande defineret standarder for lysstyrke, som typisk var baseret på lysstyrken af flammen fra et såkaldt “standardlys” med en helt bestemt udformning. Den bedst kendte af disse var den engelske standard for lysstyrke: 1 candlepower var lysstyrken fra flammen på et såkaldt spermacet-lys på 2 cm i diameter, der brændte med en hastighed på 7,8 gram i timen. Et spermacet-lys var et “stearinlys” lavet af ren spermacetolie, der stammer fra næsen på kaskelothvaler. Betegnelsen candela stammer fra disse standardlys, da det er det latinske ord for kærte eller “stearinlys”.

I Tyskland, Østrig og Skandinavien brugte man i stedet en såkaldt Hefner-lampe som standardlyskilde. Det var en særlig olielampe, som brændte stoffet amylacetat. Den var specificeret til at lyse med 1 Hefnerkerze, når en væge med en diameter på 8 mm gav en flammehøjde på 40 mm. En Hefnerkerze var cirka 10 % svagere end den engelske candlepower.

Lyset fra glødende platin 

Ud over at det var noget rod med forskellige standarder – der var over ti – var det svært at gøre lysstyrken fra de forskellige standardlys og -lamper stabil nok. For at omgå dette problem udnyttede den franske fysiker og opfinder Jules Violle i starten af 1880’erne det fænomen, at lysstyrken af glødende metal primært afhænger af dets temperatur. Han foreslog således en standard baseret på styrken af det lys, der udsendes af 1 cm² platin ved dets smeltepunkt på 1768 °C. Platin blev valgt på grund af sit høje smeltepunkt, og fordi det ikke oxiderer. Den resulterende lysstyrkeenhed blev kaldt violle og var cirka 60 gange større end den engelske candlepower.

Ideen var strålende, men det var vanskeligere end forventet at realisere en standard baseret på Violles forslag. Derfor fortsatte man i praksis med at bruge forskellige standardlys, både flammebaserede og efterhånden også specielle glødelamper, som reference ved lysmåling langt op i 1900-tallet. 

En fælles standard: fra candle til candela

Det første vellykkede forsøg på en harmonisering af området skete i 1909, hvor en række lande blev enige om at definere en “international candle”, der svarede til den engelske candlepower. Men som nævnt blev den stadig realiseret ved hjælp af forskellige – mere eller mindre præcise – standardlyskilder.

Omkring 2. Verdenskrig var man blevet så dygtige til at realisere platinmetoden, at Den Internationale Komité for Mål og Vægt (ICPM) i 1946 foreslog, at den internationale candle blev erstattet af en “new candle”, som var defineret ved, at den var 1/60 af lysstyrken fra 1 cm² glødende platin ved dets størkningstemperatur. Da Generalkonferencen for Mål og Vægt (CGPM) i 1948 ratificerede denne indstilling, indførte man samtidig navnet candela for enheden. I 1954 blev den gjort til en af basisenhederne i SI-systemet.

På sin vis er candela en overflødig enhed, fordi man indenfor fysikken generelt måler strålingsintensitet i effekt per areal (W/m²) eller effekt per rumvinkel (W/sr). Det gælder uanset, om der er tale om radiobølger, varmestråling, lys, røntgen eller strålingen fra radioaktive stoffer. 

Når man alligevel har valgt at bibeholde enheden candela, skyldes det, at det i praksis er nødvendigt at have et mål for, hvordan det menneskelige øje opfatter lysstyrke. Vi lever i en tid, hvor vi er omgivet af forskellige typer lyskilder og skærme, og derfor er det vigtigt at kunne måle, hvor meget vi oplever, at de lyser.

Den menneskelige SI-enhed

Dette antropocentriske aspekt kommer tydeligt frem gennem den nye definition af candela, som blev indført i 1979: »Candela er lysstyrken i en given retning af en kilde, der udsender monokromatisk stråling med frekvensen 540 × 10¹² Hz, og som har en strålingsintensitet i den retning på 1/683 watt per steradian.« 

Lys med den nævnte frekvens har en bølgelængde på 555 nm svarende til lysegrønt lys, hvilket lige præcis er den farve, hvor det menneskelige øje har sin største følsomhed. Candela måler altså ikke længere den samlede lysstyrke, men lysstyrken af en ganske bestemt farve. Skal der måles ved andre farver, tages der højde for øjets lavere følsomhed ved disse bølgelængder.

Det betyder, at selv en kraftig ultraviolet lyskilde vil have en lysstyrke på 0 målt i candela, fordi det menneskelige øje ikke kan se ultraviolet lys. Hvis man derimod forestiller sig, at andre dyrearter – for eksempel bier, der kan se ultraviolet lys, eller slanger, der kan registrere infrarød stråling – skulle lave et belysningssystem, ville deres udgave af en candela se fuldstændig anderledes ud end vores. Dette understreger det atypiske ved enheden candela. Alle andre SI-enheder er således helt uafhængige af biologiske forhold.

Den “skæve” faktor 1/683 i ovenstående definition er medtaget for at sikre, at den nye definition præcist svarer til den gamle definition. Endelig er 1 steradian den rumvinkel, der udgør præcis 1/4π af den fulde rumvinkel rundt om lyskilden.

Et andet vigtigt aspekt af 1979-definitionen er, at den vender definitionen på hovedet. Før var den kildebaseret, idet den tog udgangspunkt i en fysisk lyskilde, for eksempel en flamme eller smeltet platin. Den nye definition er derimod detektorbaseret, idet den bygger på en nøjagtig måling af energien i det udsendte lys.
 

Candela baseret på naturkonstanter

Siden årtusindeskiftet har der været en bestræbelse på at løsrive definitionerne af de basale SI-enheder fra fysiske objekter og målinger og i stedet basere dem på definerede naturkonstanter. 

Det har også været tilfældet for candela, som i 2019 fik en ny definition, der primært er rettet mod tekniske eksperter og bestemt ikke er lettere at forstå end de tidligere: »Candela … er defineret ved at fastsætte den numeriske værdi af lysudbyttet af monokromatisk stråling med frekvensen 540 × 10¹² Hz, K_cd, til at være 683, når den udtrykkes i enheden lm·W⁻¹, som er lig med cd · sr · W⁻¹, eller cd · sr · kg⁻¹ · m⁻² · s³, hvor kilogram, meter og sekund er defineret ud fra h, c og Δν_Cs.«

Sagt på mere jævnt dansk har man defineret en konstant, K_cd, som kaldes den fotometriske strålingsækvivalent. Den fastlægger forholdet mellem lysstyrke og strålingseffekt og har værdien 683 lumen per watt (lm/W). Den er et udtryk for, hvor stærkt det nævnte grønne lys opleves af det menneskelige øje, når lyset har en given effekt. 1 candela er så defineret som lysstyrken af det grønne lys, når det har en effekt på 1/683 watt per steradian (W/sr). 

Meget belejligt svarer det stort set til lysstyrken af flammen på et stearinlys. Så på en måde er alt ved det gamle, selvom defini­tionen er blevet ret uforståelig.

Men derfor er det ikke nødvendigvis en god scorereplik at sige: “Her sidder vi så med en strålende SI-enhed foran os”, næste gang du sidder til en hyggelig fest med levende lys på bordet.

Fra flimrende flammer til fintmærkende fotometre

Takket være de stadig mere detaljerede definitioner og ikke mindst udviklingen af avancerede fotometre har lysmåling udviklet sig fra at være subjektive sammenligninger af forskellige lyskilders styrke til at være objektive, præcise og reproducerbare målinger.

Måling af lysstyrke er dog stadig forbundet med relativ stor usikkerhed i forhold til måling af andre SI-enheder. Vi kan måle tidsrum med en nøjagtighed på en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund, mens lysstyrke kun kan måles med en nøjagtighed på cirka en tusindedel. Derfor arbejdes der ihærdigt på at reducere denne usikkerhed, fordi blandt andet belysningsindustrien har brug for at vide, hvordan dens designændringer omsættes til bedre lyskilder. ♦