Lichtsnelheid

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
De proef van Léon Foucault om met een draaiende spiegel de lichtsnelheid te meten.

De lichtsnelheid is de snelheid waarmee het licht en andere elektromagnetische straling zich voortplant. In vacuüm heeft de lichtsnelheid voor alle frequenties (in SI-eenheden) de waarde:

c=299\,792\,458\;\mathrm{m/s}

Kenmerken[bewerken]

De lichtsnelheid in vacuüm wordt beschouwd als een natuurconstante. De bovenstaande waarde is geen meetwaarde maar definieert de meter: deze is de afstand die het licht in 1/299 792 458 seconde aflegt. Dit betekent dat nadat volgens een eerdere definitie van de meter de lichtsnelheid in vacuüm constant bleek, deze nu per definitie constant is (en in termen van het huidige stelsel van eenheden overal en altijd, sinds de oerknal, hetzelfde is geweest en zal zijn.)

Het getal wordt vaak afgerond naar 300 000 000 meter per seconde, dus 300 000 kilometer per seconde. In een ander medium dan het vacuüm is de lichtsnelheid lager dan deze waarde (in lucht 0,03% lager). De verhouding van c en de fasesnelheid in een medium is de brekingsindex van dat medium. De lichtsnelheid in een medium hangt in het algemeen niet alleen van de stof af, maar ook van de golflengte van het licht dat men beschouwt. In vacuüm is de lichtsnelheid voor alle golflengten gelijk.

In natuurkundige formules wordt de lichtsnelheid in vacuüm meestal weergegeven met de letter c, zoals in E=mc². De c staat voor celeritas, Latijn voor snelheid. Deze natuurkundige constante speelt in de natuurkunde een centrale rol, met ver reikende consequenties voor het begrip van ruimte en tijd die nu deel uitmaken van een enkele ruimtetijd.

De lichtsnelheid is tevens de maximale snelheid waarmee overdracht van informatie kan plaatsvinden. De minimale responstijd is tweemaal de overdrachtstijd (round-trip delay).

In de telecommunicatie speelt dat vooral een rol bij communicatie met of via satellieten; de communicatiepartners horen elkaar daarbij met een zekere vertraging, ruwweg tussen 0.5 en 1 sec. Bij andere media, zoals het internet, wordt een groot deel van de vertragingen door de elektronica en de gebruikte protocollen veroorzaakt.

Bij het vanaf de aarde besturen van een karretje op een andere planeet, zoals het Mars Science Laboratory, is de responstijd nog veel langer: in het geval van Mars, afhankelijk van de posities van beide planeten, zo'n 20 minuten. Bij de Voyager 1 is de responstijd 33 uur.

Bij snelle elektronica speelt de lichtsnelheid ook bij kleine afstanden al een rol: om een processor of combinatie van processoren zeer snel te maken mogen deze niet te groot zijn of te ver van elkaar geplaatst.

Geschiedenis[bewerken]

Het draaiend tandrad van Hippolyte Fizeau om de lichtsnelheid te meten.

Het concept van een eindige lichtsnelheid is niet nieuw. Al in de Middeleeuwen werd het idee geuit door onder andere de Arabische geleerde Ibn al-Haytham.

Tijdens de wetenschappelijke revolutie in Europa gingen geleerden op zoek naar een manier om de lichtsnelheid te bepalen. Hoewel Kepler en Descartes dachten dat de lichtsnelheid oneindig groot moest zijn, stelde Isaac Beeckman in zijn dagboek experimenten voor om de lichtsnelheid te meten, direct of in verhouding met de geluidssnelheid. Ook Galileo Galilei deed pogingen om de lichtsnelheid te meten, maar slaagde daar niet in. Zijn methode - door met lantaarns tussen bergtoppen te seinen - was te traag om de hoge lichtsnelheid te kunnen meten. In 1676 stelde Ole Rømer de lichtsnelheid vast op 225 000 km/s. Hij vond deze snelheid door de tijden te vergelijken, waarop de maan Io van Jupiter achter Jupiter (eclips) tevoorschijn komt (zie de precieze beschrijving bij Meten van de lichtsnelheid). In 1849 bepaalde Fizeau het met een draaiend tandrad tot op ongeveer 5% nauwkeurig (en met een iets andere methode halveerde hij het jaar daarop zijn meetfout nog). Foucault verbeterde dit nog met een draaiende spiegel. Michelson kwam in 1903 tot 299 940 km/s.

De huidige definitie van de meter, en daarmee de exacte waarde van de lichtsnelheid, dateert uit 1983. Toen werd door de 17e CGPM de meter geherdefineerd als "De meter is de lengte van het pad dat het licht aflegt in vacuüm gedurende een tijdsinterval van 1/299.792.458 deel van een seconde."[1] Als gevolg van definitie is de lichtsnelheid in vacuüm exact 299.792.458 m/s[2][3] en is het een gedefinieerde constante binnen het Internationale Stelsel van Eenheden. Betere experimentele technieken hebben daarom geen invloed op de waarde van de snelheid van het licht, maar zorgen in plaats daarvan voor een nauwkeurigere definitie van de meter.[4][5]

Meten van de lichtsnelheid[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie Meten van de lichtsnelheid voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Constante snelheid[bewerken]

Later in de 19e eeuw ontdekte men dat de snelheid van het licht in vacuüm constant was (in termen van de meter en de seconde volgens de toenmalige definities), onafhankelijk van de beweging van de lichtbron, maar zelfs ook onafhankelijk van de beweging van de waarnemer. Dat was de paradoxale conclusie van de experimenten van Michelson en Morley. Ook als iemand zelf in beweging is met een lamp in zijn hand, gaan voor die persoon de lichtstralen in alle richtingen nog steeds met dezelfde snelheid. Dit geldt ook voor het licht dat vanuit een andere lichtbron naar de persoon toe reist. De lichtsnelheid is in alle richtingen en onafhankelijk van de snelheid van de reiziger (vaak de waarnemer genoemd) gelijk.

Dit strookt niet met de klassieke Newtoniaanse natuurkunde en ook niet met de intuïtie. Het was aanvankelijk dan ook moeilijk te accepteren, maar tegenwoordig is men er algemeen van overtuigd dat de lichtsnelheid inderdaad constant is. Het is het belangrijkste uitgangspunt van de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein.

Maximale snelheid[bewerken]

De lichtsnelheid in een vacuüm is de maximale snelheid voor materie en informatie. Een deeltje dat geen rustmassa bezit, zoals het foton (lichtdeeltje), reist altijd met de lichtsnelheid. Een deeltje met massa gaat altijd langzamer, want er zou een oneindige hoeveelheid energie nodig zijn om het tot de lichtsnelheid te versnellen. De theorie van Einstein laat echter ook de mogelijkheid van tachyonen toe: deeltjes die altijd sneller gaan dan het licht en oneindig veel energie nodig hebben om tot de lichtsnelheid af te remmen. Of ze daadwerkelijk bestaan, is onbekend en kan in beginsel ook niet worden aangetoond.

Men zou kunnen veronderstellen dat de lichtsnelheid wordt overschreden als twee snelheden worden opgeteld. Dit is echter niet het geval. De relativiteitstheorie stelt dat snelheden niet zonder meer worden opgeteld. Bewegen twee lichamen elkaar tegemoet met snelheid u\, en v\, (beide minder dan c\,), dan is de onderlinge snelheid

w = \frac{u+v}{1+ \frac{uv}{c^2}}

Dit is nimmer meer dan c\,. Bij lage snelheden, klein ten opzichte van c\,, is de somsnelheid vrijwel gelijk aan u+v\,.

In een medium[bewerken]

De lichtsnelheid in een medium, zoals glas of lucht, is lager dan in vacuüm. Zie bijvoorbeeld het effect in de Wet van Snellius. Het is deze vertraging die lichtbreking in een prisma veroorzaakt; het bijbehorende getal staat bekend als de brekingsindex, met n als grootheid.

Algemeen geldt dat

c^2 = \frac{1}{\epsilon_0 \mu_0}

oftewel

c = \sqrt{\frac{1}{\epsilon_0 \mu_0}}

waarbij ε0 en μ0 respectievelijk de elektrische en de magnetische veldconstante voorstellen. Dit is afkomstig van het feit dat de lichtsnelheid kan afgeleid worden uit de verhouding van de elektrische en magnetische veldsterkte van een elektromagnetische golf. Het toont eveneens aan dat de lichtsnelheid onrechtstreeks vervat zit in de wetten van Maxwell.

Hoewel deeltjes met massa nooit met de snelheid van het licht in een vacuüm, de absolute lichtsnelheid, of sneller kunnen bewegen, kunnen deeltjes wel door een medium reizen met een snelheid groter dan die van het licht in dat medium (Tsjerenkov-effect).

Moderne experimenten[bewerken]

De Deense natuurkundige Lene Hau slaagde er in 1998 in Harvard in om de gemiddelde snelheid van het licht (in een medium) te verlagen tot 17 m/s, zo'n 61,2 km/h. Zij deed dit door atomen af te koelen tot een miljoenste graad boven het absolute nulpunt. Atomen gaan zich dan gedragen als behorend tot een enkel superatoom. Deze toestand noemt men een Bose-Einsteincondensaat. In 1999 slaagde de onderzoeksgroep erin om het licht zelfs volledig stil te laten staan. De tijdsduur dat het licht stilstond was slechts één milliseconde.

Recente proeven hebben ook aangetoond dat het mogelijk is om de groepsnelheid van licht boven c te brengen. Een experiment zorgde ervoor dat een laserstraal door een cesiumwolk vloog over een zeer korte afstand met een snelheid van 300 × c maar deze techniek is niet bruikbaar om informatie te verzenden sneller dan het licht.

Sneller dan de lichtsnelheid[bewerken]

Op 22 september 2011 werden de resultaten gepubliceerd van een experiment waarbij vanuit de LHC van CERN een neutrinobundel werd afgevuurd op een doel 730 kilometer verderop in Gran Sasso (Italië). De metingen lijken erop te duiden dat de deeltjes een fractie sneller waren dan het licht. Omdat de onderzoekers geen fout in het eigen onderzoek konden vinden, verzocht men collega-onderzoekers uit de Verenigde Staten en Japan het experiment te herhalen.

Op 18 november 2011 is het experiment herhaald en deze keer werd de foutmarge veel kleiner door de pulsen waarmee de neutrino's uitgezonden worden duizenden keren in te korten. Wederom berekende men dat de neutrino's zich met een hogere snelheid dan het licht verplaatst hebben van CERN naar het laboratorium in het Italiaanse Gran Sasso.[6]

Op 23 februari 2012 maakte CERN bekend dat bij deze experimenten een niet goed functionerende glasvezelverbinding tot een lagere uitkomst van de vluchttijd van de neutrino's geleid kan hebben. Nieuwe metingen in mei 2012 moesten hierover uitsluitsel geven.[7] In juli 2012 werd bekend gemaakt dat na correctie van de meetresultaten de deeltjes toch in overeenstemming zijn met de snelheid van het licht.[8]

Andere opvattingen over de lichtsnelheid[bewerken]

Sinds ongeveer 1915 wordt de opvatting van Einstein, dat de lichtsnelheid altijd voor alle waarnemers constant is, algemeen aanvaard. Al meer dan honderd jaar echter zijn er natuurkundigen die alternatieven blijven formuleren en onderzoeken voor dit uitgangspunt. Er wordt namelijk beweerd dat bij metingen voor de snelheid van het licht een afname kan worden vastgesteld. Een van die mensen is creationist Walt Brown. Hij beweerde in 1980 dat de lichtsnelheid in de loop der tijd afnam (of, aangezien c wordt gebruikt in de definitie van de meter, dat "de lengte van de meter afnam"). Met deze theorie zou ook de roodverschuiving van melkwegstelsels kunnen worden verklaard, wanneer de afname sterk genoeg is geweest.

Zie ook[bewerken]

Externe link[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. Resolution 1 of the 17th CGPM. BIPM (1983) Geraadpleegd op 2009-08-23
  2. Taylor, EF, Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity, 2nd, Macmillan, 1992 ISBN 0-7167-2327-1.
  3. Penzes, WB. Time Line for the Definition of the Meter. NIST (2009) Geraadpleegd op 2010-01-11
  4. Adams, S, Relativity: An Introduction to Space-Time Physics, CRC Press, 1997, p. 140 ISBN 0-7484-0621-2. “One peculiar consequence of this system of definitions is that any future refinement in our ability to measure c will not change the speed of light (which is a defined number), but will change the length of the meter!”
  5. Rindler, W, Relativity: Special, General, and Cosmological, 2nd, Oxford University Press, 2006, p. 41 ISBN 0-19-856731-6. “Note that [...] improvements in experimental accuracy will modify the meter relative to atomic wavelengths, but not the value of the speed of light!”
  6. Neutrino's opnieuw sneller dan licht
  7. Persbericht CERN, update 23 februari 2012
  8. OPERA collaboration (2012). Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam. Journal of High Energy Physics (10): 93 . DOI:10.1007/JHEP10(2012)093.