De snelheid van het licht

De snelheid van het licht bedraagt in een vacuüm 299.792 kilometer per seconde. In theorie kan niets sneller bewegen dan het licht. Als je met de snelheid van het licht zou kunnen bewegen dan zou je per seconde 7,5 maal om de Aarde kunnen draaien.

Vroeger konden wetenschappers de beweging van het licht niet waarnemen. De dachten dat het licht overal tegelijkertijd was. Echter na verloop van tijd werden metingen van de bewegingen van deze golf-achtige deeltjes beter en beter. Dankzij het werk van Albert Einstein en anderen weten we nu dat de snelheid van het licht is begrenst: de lichtsnelheid – een constante die we “c” noemen – kan niet worden bereikt door iets dat een massa heeft. Dat gegeven weerhoudt science fiction schrijvers maar ook sommige serieuze wetenschappers er niet van om met alternatieve theorieën te komen waarbij wél sneller dan het licht kan worden gereisd.

Geschiedenis van de theorie

De oudste bekende redenering over de snelheid van het licht is afkomstig van de Griekse filosoof Aristoteles die schreef over zijn onenigheid met een andere Griekse wetenschapper, Empedocles. Empedocles beweerde dat, omdat licht beweegt het tijd nodig heeft om zich te verplaatsen. Aristoteles beweerde dat licht overal tegelijkertijd is.

In 1667 voerde de Italiaanse astronoom Galileo Galilei een experiment uit om de snelheid van het licht te meten. Hij plaatste twee mensen met een afgeschermde lantaarn op een heuvel. Ze stonden ongeveer 1,5 kilometer uit elkaar. De eerste persoon verwijderde de afscherming van de lantaarn. Op het moment dat persoon 2 dit zag deed hij hetzelfde met zijn eigen lantaarn. Door te meten hoe lang dit duurde voor één van de personen het licht van de andere lantaarn zag (waarbij hij rekening probeerde te houden met de reactiesnelheid van de personen) dacht Galileo de snelheid van het licht te kunnen berekenen. Echter de afstanden tussen de personen van Galileo waren veel te klein om een verschil waar te kunnen nemen. Het enige wat hij kon beweren is dat het licht tenminste tienmaal sneller is dan het geluid.

In 1670 gebruikte de Deense astronoom Ole Römer bedekkingen van de Jupitermaan Io om de snelheid van het licht te meten. Na een aantal maanden nauwgezet waarnemen zag Römer dat de bedekkingen later kwamen als zijn berekeningen. Hij concludeerde dat het licht tijd nodig heeft om de Aarde te bereiken. Afwijkingen in zijn berekeningen waren het grootste als de afstand tussen Jupiter en de Aarde ook het grootst waren. Hij leidde eruit af dat het licht tien tot elf minuten nodig heeft om van de Zon naar de Aarde te reizen. Tegenwoordig weten we dat het zonlicht er acht minuten en 19 seconden voor nodig heeft maar voor die tijd was het een verbazingwekkend nauwkeurige berekening en het was voor het eerst dat wetenschappers een getal hadden waarmee ze iets konden. Römer berekende de lichtsnelheid op 200.000 kilometer per seconde.

In 1728 berekende de Engelse wetenschapper James Bradley de snelheid van het licht op 301.000 kilometer per seconde. Hij baseerde zijn berekeningen op de verandering van de schijnbare positie van de sterren gedurende de omloop van de Aarde om de Zon. De berekening van Bradley wijkt minder dan 1% af van de werkelijke lichtsnelheid.

Twee pogingen in het midden van de negentiende eeuw brachten het probleem terug naar de Aarde. De Franse wetenschapper Hippolyte Fizeau richtte een lichtstraal op een snel roterend tandwiel met een spiegel 3 kilometer verderop die het licht reflecteerde naar de bron. Voor de snelheid van het tandwiel te variëren kon Fizeau berekenen hoelang het duurde voor het licht om bij de bron te vertrekken, naar de spiegel te reizen en terug te komen naar de oorsprong. Leon Foucault, een andere Franse wetenschapper, gebruikte in plaats van een roterend tandwiel een roterende spiegel. Onafhankelijk van elkaar berekenden de twee de lichtsnelheid met een nauwkeurigheid die minder dan 750 km/sec. afwijkt van de lichtsnelheid die we tegenwoordig kennen.

Het experiment van Fizeau en Foucault werd in 1879 door Albert Michelson herhaald maar hij gebruikte een veel grotere afstand en een systeem van hoogwaardige lenzen en spiegels. Michelson berekende de lichtsnelheid op 299.910 kilometer per seconde. Deze nauwkeurigheid bleef meer dan 40 jaar ongeëvenaard.

Einstein en de speciale relativiteitstheorie

In 1905 publiceerde Albert Einstein zijn eerste artikel over de speciale relativiteit. In dit artikel stelde hij dat de snelheid van het licht niet veranderd met de snelheid van de waarnemer. Dat betekent dus dat de snelheid van het licht voor een waarnemer die stilstaat op Aarde hetzelfde is als voor iemand die in een supersonisch vliegtuig reist. Dat betekent dus ook dat ofschoon de Aarde om de Zon draait, die zelf weer in een baan in ons sterrenstelsel draait en ons sterrenstelsel met een bepaalde snelheid door het heelal beweegt, de snelheid van het licht dat afkomstig is van onze zon gelijk is aan de snelheid van het licht als je je buiten ons sterrenstelsel zou bevinden. Einstein berekende dat de snelheid van het licht niet afhankelijk is van tijd of plaats.

Wat is een lichtjaar?

De afstand die het licht in één jaar aflegt wordt een lichtjaar genoemd. Een lichtjaar is een meting van zowel tijd als afstand. Licht van de Maan heeft 1 seconde nodig om ons oog te bereiken hetgeen betekent dat de Maan zich op 1 lichtseconde afstand bevindt. Het licht van het meest nabije stersysteem, alpha Centauri, heeft ongeveer 4,3 jaar nodig om ons te bereiken. Dat stersysteem bevindt zich dus op een afstand van ongeveer 4,3 lichtjaar.

Sterren en andere objecten buiten ons zonnestelsel bevinden zich op afstanden van enkele lichtjaren tot miljarden lichtjaren. Dus als astronomen objecten bestuderen die zich verder weg dan een lichtjaar bevinden zien ze ze in de tijd dat het licht daar vertrok en niet zoals ze er vandaag uitzien. In dit licht bekeken is alles wat we in het heelal waarnemen geschiedenis. Dit maakt het mogelijk voor astronomen om het heelal te bekijken zoals het er uitzag net na de oerknal die ongeveer 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond.

Is de snelheid van het licht constant?

Licht plant zich voort als golven, net zoals geluid en het kan worden vertraagd worden door tussenliggende materie. In een vacuüm kan niets sneller reizen dan het licht echter als er in een gebied materie is, zelfs heel fijn stof, dan kan licht worden afgebogen als het in contact komt met deze deeltjes en dit resulteert dan in de afname van de snelheid van het licht.

Licht dat door de atmosfeer van de Aarde beweegt reist bijna even snel als licht in een vacuüm maar licht dat door een diamant heen reist wordt vertraagd tot ongeveer de helft maar het reist dan nog steeds met een snelheid van 124.000 kilometer per seconde.

Kunnen we sneller dan het licht reizen?

In de science fiction is het heel normaal dat we ons verplaatsen sneller dan de lichtsnelheid. Daar kennen we de warp-snelheid en verplaatsen we ons in een fractie van tijd van de ene ster naar de andere ster. Het is niet bewezen dat het onmogelijk is maar het idee dat we sneller dan het licht kunnen reizen lijkt redelijk ver gezocht.

De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein zegt dat als een object sneller beweegt zijn massa toeneemt en de lengte afneemt. Bij de snelheid van het licht heeft een object een oneindige massa terwijl de lengte gelijk is aan nul en dat is iets dat onmogelijk is. Dat betekent dat in theorie geen enkel object de lichtheid kan bereiken.

Dit zorgt er niet voor dat theoretici stoppen met het bedenken van alternatieve theorieën. Het idee van warp snelheid is niet onmogelijk zeggen sommigen en misschien zullen toekomstige generaties tussen de sterren kunnen reizen zoals wij nu tussen steden kunnen reizen. Eén van de voorstellen is een ruimteschip dat de ruimte-tijd kan vouwen om op die manier sneller dan het licht te kunnen reizen. Klinkt geweldig, in theorie dan 🙂

 

Eerste publicatie: 25 december 2013
Laatste keer gewijzigd op: 16 oktober 2016