WAT IS DE LICHTSNELHEID?

Send

Al sinds de oudheid proberen filosofen en geleerden licht te begrijpen. Naast het proberen de basiseigenschappen ervan te onderscheiden (d.w.z. waaruit is het gemaakt - deeltje of golf, enz.), Hebben ze ook geprobeerd om eindige metingen te doen van hoe snel het reist. Sinds het einde van de 17e eeuw doen wetenschappers precies dat, en met toenemende nauwkeurigheid.

Door dit te doen, hebben ze een beter begrip gekregen van de mechanica van licht en de belangrijke rol die het speelt in de natuurkunde, astronomie en kosmologie. Simpel gezegd, licht beweegt met ongelooflijke snelheden en is het snelst bewegende ding in het universum. De snelheid wordt beschouwd als een constante en onbreekbare barrière en wordt gebruikt als middel om afstand te meten. Maar hoe snel reist het?

Lichtsnelheid (c):

Licht reist met een constante snelheid van 1.079.252.848,8 (1,07 miljard) km per uur. Dat komt neer op 299.792.458 m / s, of ongeveer 670.616.629 mph (mijl per uur). Om dat in perspectief te plaatsen: als je met de snelheid van het licht zou kunnen reizen, zou je in een seconde ongeveer zeven en een halve keer rond de wereld kunnen reizen. Ondertussen zou een persoon die met een gemiddelde snelheid van ongeveer 800 km / h (500 mph) vliegt, meer dan 50 uur nodig hebben om de planeet slechts één keer te omcirkelen.

Om dat in een astronomisch perspectief te plaatsen, is de gemiddelde afstand van de aarde tot de maan 384.398,25 km (238.854 mijl). Dus licht kruist die afstand in ongeveer een seconde. Ondertussen is de gemiddelde afstand van de zon tot de aarde ~ 149.597.886 km (92.955.817 mijl), wat betekent dat licht slechts ongeveer 8 minuten nodig heeft om die reis te maken.

Geen wonder dat de lichtsnelheid de metriek is die wordt gebruikt om astronomische afstanden te bepalen. Als we zeggen dat een ster als Proxima Centauri 4,25 lichtjaar verwijderd is, zeggen we dat het - met een constante snelheid van 1,07 miljard km per uur (670.616.629 mph) - ongeveer 4 jaar en 3 maanden duurt om daar te komen. Maar hoe kwamen we tot deze zeer specifieke meting voor "lichtsnelheid"?

Geschiedenis van de studie:

Tot de 17e eeuw wisten geleerden niet of licht met een eindige snelheid of onmiddellijk reisde. Van de dagen van de oude Grieken tot middeleeuwse islamitische geleerden en wetenschappers uit de vroegmoderne tijd ging het debat heen en weer. Pas op het werk van de Deense astronoom Øle Rømer (1644-1710) werd de eerste kwantitatieve meting gedaan.

In 1676 merkte Rømer op dat de perioden van de binnenste maan van Jupiter Io korter leken te zijn wanneer de aarde Jupiter naderde dan wanneer ze zich ervan terugtrok. Hieruit concludeerde hij dat licht met een eindige snelheid reist en naar schatting duurt het ongeveer 22 minuten om de diameter van de baan van de aarde te overschrijden.

Christiaan Huygens gebruikte deze schatting en combineerde deze met een schatting van de diameter van de baan van de aarde om een schatting van 220.000 km / s te verkrijgen. Isaac Newton sprak in zijn baanbrekende werk ook over de berekeningen van Rømer Opticks (1706). Aanpassend voor de afstand tussen de aarde en de zon, berekende hij dat het zeven of acht minuten zou duren om van de een naar de ander te reizen. In beide gevallen hadden ze een relatief kleine marge.

Latere metingen door de Franse natuurkundigen Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) en Léon Foucault (1819 - 1868) verfijnden deze metingen verder - resulterend in een waarde van 315.000 km / s (192.625 mi / s). En in de tweede helft van de 19e eeuw werden wetenschappers zich bewust van het verband tussen licht en elektromagnetisme.

Dit werd bereikt door natuurkundigen die elektromagnetische en elektrostatische ladingen meten, die vervolgens ontdekten dat de numerieke waarde heel dicht bij de lichtsnelheid lag (zoals gemeten door Fizeau). Op basis van zijn eigen werk, waaruit bleek dat elektromagnetische golven zich in lege ruimte voortplanten, stelde de Duitse natuurkundige Wilhelm Eduard Weber voor dat licht een elektromagnetische golf was.

De volgende grote doorbraak kwam in het begin van de 20e eeuw / In zijn paper uit 1905, getiteld "Over de elektrodynamica van bewegende lichamen ”, Albert Einstein beweerde dat de lichtsnelheid in een vacuüm, gemeten door een niet-versnellende waarnemer, in alle traagheidsreferentieframes hetzelfde is en onafhankelijk van de beweging van de bron of waarnemer.

Op basis van dit en het relativiteitsprincipe van Galileo als basis, leidde Einstein de theorie van speciale relativiteit af, waarin de snelheid van het licht in vacuüm (c) was een fundamentele constante. Voordien was de consensus onder wetenschappers van mening dat de ruimte gevuld was met een "lichtgevende ether" die verantwoordelijk was voor de verspreiding ervan - dat wil zeggen dat licht dat door een bewegend medium reist, door het medium zou worden meegesleurd.

Dit betekende op zijn beurt dat de gemeten snelheid van het licht een simpele som van zijn snelheid zou zijn door het medium plus de snelheid van dat medium. De theorie van Einstein maakte het concept van de stationaire ether echter nutteloos en bracht een revolutie teweeg in de concepten van ruimte en tijd.

Het bracht niet alleen het idee naar voren dat de lichtsnelheid in alle traagheidsreferentieframes hetzelfde is, het introduceerde ook het idee dat er grote veranderingen optreden wanneer dingen dichtbij de lichtsnelheid komen. Deze omvatten het tijd-ruimte frame van een bewegend lichaam dat lijkt te vertragen en samentrekken in de bewegingsrichting wanneer gemeten in het frame van de waarnemer (d.w.z. tijdsdilatatie, waarbij de tijd vertraagt naarmate de lichtsnelheid nadert).

Zijn waarnemingen verzoenden ook Maxwells vergelijkingen voor elektriciteit en magnetisme met de wetten van de mechanica, vereenvoudigden de wiskundige berekeningen door externe verklaringen die door andere wetenschappers werden gebruikt weg te doen en stemden overeen met de direct waargenomen lichtsnelheid.

In de tweede helft van de 20e eeuw zouden steeds nauwkeurigere metingen met laserinferometers en caviteitsresonantietechnieken schattingen van de lichtsnelheid verder verfijnen. In 1972 gebruikte een groep van het US National Bureau of Standards in Boulder, Colorado, de laser-inferometer-techniek om de momenteel erkende waarde van 299.792.458 m / s te krijgen.

Rol in de moderne astrofysica:

Einsteins theorie dat de lichtsnelheid in vacuüm onafhankelijk is van de beweging van de bron en het traagheidsreferentiekader van de waarnemer is sindsdien consequent bevestigd door vele experimenten. Het stelt ook een bovengrens voor de snelheden waarmee alle massaloze deeltjes en golven (inclusief licht) in een vacuüm kunnen reizen.

Een van de uitkomsten hiervan is dat kosmologen ruimte en tijd nu behandelen als een enkele, verenigde structuur die bekend staat als ruimtetijd - waarin de lichtsnelheid kan worden gebruikt om waarden voor beide te definiëren (dwz "lichtjaren", "lichtminuten" en "Lichte seconden"). De meting van de lichtsnelheid is ook een belangrijke factor geworden bij het bepalen van de snelheid van kosmische uitzetting.

Beginnend in de jaren 1920 met observaties van Lemaitre en Hubble, werden wetenschappers en astronomen zich ervan bewust dat het universum zich uitbreidt vanuit een beginpunt. Hubble merkte ook op dat hoe verder een sterrenstelsel verwijderd is, hoe sneller het lijkt te bewegen. In wat nu de Hubble-parameter wordt genoemd, wordt de snelheid waarmee het heelal uitdijt berekend tot 68 km / s per megaparsec.

Dit fenomeen, waarvan wordt aangenomen dat het betekent dat sommige sterrenstelsels daadwerkelijk sneller kunnen bewegen dan de lichtsnelheid, kan een grens stellen aan wat waarneembaar is in ons heelal. In wezen zouden sterrenstelsels die sneller reizen dan de lichtsnelheid een 'kosmologische gebeurtenishorizon' passeren, waar ze voor ons niet langer zichtbaar zijn.

Tegen de jaren negentig lieten de roodverschuivingsmetingen van verre sterrenstelsels ook zien dat de uitdijing van het heelal de afgelopen paar miljard jaar versnelt. Dit heeft geleid tot theorieën als 'Dark Energy', waarbij een onzichtbare kracht de expansie van de ruimte zelf aanstuurt in plaats van objecten die er doorheen bewegen (waardoor de snelheid van het licht niet wordt beperkt of de relativiteit wordt geschonden).

Samen met speciale en algemene relativiteit, is de moderne waarde van de lichtsnelheid in een vacuüm verder gegaan om de kosmologie, kwantumfysica en het standaardmodel van deeltjesfysica te informeren. Het blijft een constante als we het hebben over de bovengrens waarop massaloze deeltjes kunnen reizen en het blijft een onhaalbare barrière voor deeltjes die massa hebben.

Misschien zullen we ooit een manier vinden om de lichtsnelheid te overschrijden. Hoewel we geen praktische ideeën hebben over hoe dit zou kunnen gebeuren, lijkt het slimme geld te liggen op technologieën waarmee we de wetten van de ruimtetijd kunnen omzeilen, ofwel door warpbellen te creëren (ook bekend als de Alcubierre Warp Drive), of er doorheen te tunnelen ( aka. wormgaten).

Tot die tijd zullen we gewoon tevreden moeten zijn met het universum dat we kunnen zien, en moeten we vasthouden aan het verkennen van het deel dat bereikbaar is met conventionele methoden.

Voor Space Magazine hebben we veel artikelen geschreven over de lichtsnelheid. Hier is hoe snel is de lichtsnelheid? Hoe bewegen sterrenstelsels sneller dan licht? Hoe kan ruimtevaart sneller gaan dan de lichtsnelheid? En de lichtsnelheid doorbreken.

Hier is een coole rekenmachine waarmee je veel verschillende eenheden kunt omzetten voor de lichtsnelheid, en hier is een relativiteitsrekenmachine, voor het geval je bijna met de lichtsnelheid wilde reizen.

Astronomy Cast heeft ook een aflevering die vragen over de snelheid van het licht behandelt - Vragen tonen: Relativiteit, Relativiteit en meer Relativiteit.

Bronnen: