Lichtsnelheid

Er kan volgens Einstein niks sneller dan het licht, maar het heelal dijt uit, dus die heeft een snelheid, en als nou een ster licht uitzendt in de richting waarin het heelal uitdijt, dan heb je toch een snelheid, groter dan het licht, omdat je de snelheden bij elkaar moet optellen. Denk daarbij aan als je op een lopende band zelf ook gaat lopen, dan ga je ook sneller.

Een zeer verleidelijke gedachte die wel opgaat voor de snelheden waarmee wij in ons dagelijkse leven bekend zijn. Als je een bal met een snelheid van 20 km/u uit een auto gooit die 80 km/u rijdt heeft de bal dus een snelheid van 100 km/u. Dit is volgens de wetten van dhr Newton inderdaad het geval. (Lees meer)

Het begon zo’n beetje allemaal bij James Clark Maxwell (1831-1879), die vooral bekend is geworden met de theorieen over elektromagnetisme e.d.  Maar laten we eerst eens kijken naar hoe je de snelheid van een golf uitrekent. Elke golf heeft een amplitude, een golflengte en een frequentie. Om nu de snelheid te berekenen van een golf, neem je de frequentie (=aantal golven per tijdseenheid) maal de golflengte (= afstand tussen de toppen van elke golf). Je ziet dat hier ruimte en tijdmaten worden gebruikt : namelijk afstand (golflengte) en de tijdseenheid voor het aantal oscillaties. Aan de hand hiervan is de snelheid van het licht dus inderdaad ook ongeveer de welbekende 300000 km/seconde. Elke specifieke golflengte heeft zijn eigen eigenschappen. Dit gaat van enkele kilometers tot enkele miljoensten van micrometers. Zichtbaar licht varieert tussen een 80 miljoenste tot een 40 miljoenste van een centimeter. (AM-radio is ongeveer een paar honderd meter). Aangezien de snelheid van een elektromagnetische golf (of licht) dus constant is volgens bovenstaande methode, zou dit dan ook gelden als de lichtbron zelf ook een snelheid heeft ?

Nu komt een Nederlandse astronoom in beeld, namelijk Willem de Sitter (1872-1943). Hij liet aan de hand van binaire sterren (= 2 sterren die om elkaar heen draaien) ons zien dat als de ene ster naar ons toekomt, zijn licht niet kon worden ingehaald door de andere ster die van ons verwijdert. Als dit wel het geval zou zijn zoals Newton beweerde, zouden we wazige meervoudige of “uitgesmeerde” beelden van de binaire sterren zien. Als je naar de middelste ster in de steel van de grote beer kijkt, zul je inderdaad zien dat dit niet het geval is. (Dit is namelijk ook een dubbelster).

Dus volgens bovenstaande is de lichtsnelheid altijd constant, ongeacht de snelheid van de lichtbron of waarnemer. Dit is later door meerdere experimenten bevestigd. De bekendste is waarschijnlijk wel het Michelson & Morley experiment. Hierbij werd d.m.v. een halfdoorlatende spiegel (of splijtter) de lichtsnelheid gemeten aan de hand van de positie van interferentieringen.

  ---------- spiegel 1
      /
     /
    /             spiegel 2
   /                |
  /                 |
 S---------X---------|
     v               |
   ----->            |

Bij de licht bron S of lichtstraal splijtter, wordt het licht in twee delen verdeeld:

• Een deel beweegt in de verticale richting, weerkaatst tegen spiegel een en beweegt dan terug.
• Een deel beweegt in de horizontale richting, weerkaatst tegen spiegel twee en beweegt dan terug.
• De twee licht stralen ontmoeten elkaar bij punt X. Op die plaats krijg je een interferentie patroon.

De twee belangrijk parameters van deze proef zijn:

• De tijd t1 tegen spiegel 1 en terug.
  t1 = 2 * d / c * 1 / SQR (1 – v?/c?)
  t1 is bij benadering = 2 * d / c * ( 1 + 0.5*v?/c?)
• De tijd t2 tegen spiegel 2 en terug.
  t2 = d /(c+v) + d /(c-v) = 2 * d / c * 1 / (1 – v?/c?)
  t2 is bij benadering = 2 * d / c * ( 1 + v?/c?)
• Het verschil tussen t2 en t1
  t2 – t1 is bij benadering = dt = d / c * ( v?/c?) = d / c * Beta?

Door nu de opstelling van de spiegels 90 graden te draaien meet je een andere relatieve reistijd van de lichtbron, waardoor volgens Newton een verandering in snelheid zou moeten ontstaan. Dit bleek niet het geval te zijn en zoals Maxwell dus al voorspelde was de lichtsnelheid constant.

bron: Mehra-The unity of space and time