IMG_4232

Lichtsnelheid

facebooktwittergoogle_plusredditmail

Je hebt misschien ooit wel eens gehoord van de lichtsnelheid: de hoogste snelheid die er bestaat. Niets kan sneller dan de snelheid van het licht. De lichtsnelheid is ongeveer 300.000 kilometer per seconde (ongelooflijk snel dus!). Waarom is het niet 400.000 kilometer per seconde? En waarom kan er niets sneller bewegen dan het licht?

Waarom zo snel?

Waarom is de lichtsnelheid exact 299.792.458 meter per seconde?

Deze vraag heeft niet echt een antwoord, het is nou eenmaal zo. Dit is een nogal onbevredigend antwoord, kan ik me voorstellen. Een ander voorbeeld van eenzelfde (onmogelijk te beantwoorden) vraag: waarom is de afstand tussen de Zon en de Aarde 150 miljoen kilometer? Ook deze vraag heeft veel wetenschappers erg lang bezig gehouden, maar er is geen antwoord. Het is nou eenmaal zo. Als de afstand tussen de ster en onze planeet anders was geweest, zou het veel te koud of te heet op Aarde zijn om leven te laten ontstaan. Dan hadden we hier niet gezeten om de vraag te kunnen stellen!

Terug naar de lichtsnelheid. Je kunt meten wat de lichtsnelheid is; dat kom je namelijk uit op 299.792.458 meter per seconde. Dit is een fundamentele natuurconstante, dit zijn constanten die door het universum opgelegd zijn (voor zover we weten). Deze constante van de lichtsnelheid is zo fundamenteel, dat we dit officieel hebben gedefinieerd als “de afstand die het licht aflegt in één 299.792.458e seconde”. Het is de definitie van een meter.

 

Waarom niet sneller?

Er is nog iets geks aan de hand met de lichtsnelheid: je kunt nooit sneller gaan dan het licht. Nu ga ik deze eigenschap met een heel vreemd voorbeeld uitleggen.

Om te beginnen, stel je een persoon voor, die loopt in een rijdende trein. De trein rijdt 120 kilometer per uur en de persoon loopt 5 kilometer per uur. Als je je buiten de trein bevindt, bijvoorbeeld op een station, dan beweegt de persoon in de trein zich met een snelheid van 125 kilometer van je af (120km + 5km). Zit je echter zelf in de trein en kijk je naar de lopende persoon, dan beweegt de persoon 5 kilometer per uur van je af (je bevindt je immers beiden in de rijdende trein). De snelheid die je meet als je buiten de trein staat is dus de snelheid van de trein, plus de snelheid van de persoon.

Concluderend kun je zeggen dat de snelheid die je hebt, altijd ten opzichte van iets anders is. Dat is meestal de grond, want die staat stil. Althans, die lijkt stil te staan, de grond draait echter met honderden meters per seconde rond, omdat de Aarde om haar eigen as draait. Dit heb je echter niet door, omdat je met de grond meedraait (net zoals je stil lijkt te staan in een rijdende trein).

Nog een voorbeeld. Stel dat de trein 295.000 kilometer per seconde rijdt, terwijl de persoon in de trein in één seconde 200.000 kilometer aflegt (laten we de praktische uitvoering hiervan even buiten beschouwing..). Zit je in de trein, dan zie je de loper met 200.000 kilometer per seconde van je afbewegen. Sta je echter buiten de trein, op de grond, dan zie je de persoon met maar liefst 495.000 kilometer per seconde van je afbewegen (snelheid trein + snelheid persoon). Dat is sneller dan het licht, en dat kan dus niet! Wat gaat er hier dan mis…?


‘Sneltrein’

Snelheden optellen

Wat we hierboven doen is niet anders dan snelheden optellen (snelheid van de trein + snelheid van de persoon = totale snelheid). Dit werkt voor alledaagse situaties prima, zoals dat in het eerste voorbeeld het geval was. Maar wanneer je de lichtsnelheid benadert (ca. 300.000 km/sec) werkt dit niet meer: er gelden andere spelregels. Bovendien is de theorie waarbij je snelheden ‘simpelweg’ optelt, in feite achterhaald. Wanneer je de lichtsnelheid nadert, moet je een andere methode gebruiken: de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein.

Deze theorie beweert dat, wanneer objecten in de buurt komen van de lichtsnelheid, je snelheden op een andere manier moet optellen. Er geldt een andere formule en de basistheorie geldt niet meer.

Basistheorie van de snelheid: ‘Snelheid van de trein plus de snelheid van de persoon‘.

Relativiteitstheorie over snelheid: ‘Snelheid van de trein plus de snelheid van de persoon. Deel de uitkomst door 1 plus de snelheid van de trein maal de snelheid van de persoon gedeeld door de lichtsnelheid in het kwadraat‘.

Oftewel:

De laatste formule is een meteen een hele mond vol en ook een stuk ingewikkelder, maar op deze manier klopt het wel. Als we de snelheden optellen volgens de speciale relativiteitstheorie komt er bij het eerste voorbeeld nog steeds 125 kilometer per uur uit. Bij het tweede voorbeeld (de trein reed 295.000 km/sec en de persoon liep 200.000 km/sec) komt er 298.993 kilometer per seconde uit. Niet sneller dan het licht dus!

Waarom klopt dit?

Om de theorie van snelheden optellen te veranderen naar de speciale relativiteitstheorie, moet je wel een goede reden hebben. Je bent namelijk dingen moeilijker aan het maken. Wie zegt dat het veranderen van de wet klopt? Door deze tweede formule te gebruiken, bevestig je altijd het feit dat niets sneller kan dan het licht, maar is dat ook de werkelijkheid?

De speciale relativiteitstheorie werkt met twee postulaten (aannames):

  1. De lichtsnelheid is overal hetzelfde, ongeacht je eigen snelheid
  2. De natuurwetten zijn overal hetzelfde

Deze theorie is overigens alleen geldig wanneer je snelheid niet verandert. Als je snelheid wel verandert, moet je nog ingewikkelder gaan werken. Deze twee postulaten kun je aannemen, en dan volgt daar een hele theorie uit die Einstein dus heeft ontwikkeld, inclusief die ingewikkelde formule voor snelheden ‘optellen’. Of deze postulaten altijd waar zijn weten we niet 100% zeker, maar in alle waarnemingen en experimenten die we hebben gedaan is deze theorie nog nooit ontkracht. ‘Gewoon’ snelheden optellen wel. De speciale relativiteitstheorie is dus in meer gevallen waar dan ‘gewoon optellen’.

Of het de echte werkelijkheid is, weten we dus (nog) niet zeker, daarom proberen we steeds extremere experimenten uit te voeren om te kijken of de speciale relativiteitstheorie na een tijdje ook niet meer werkt, net zoals snelheden optellen na een tijd ook niet meer bleek te werken.

Het antwoord op de vraag: “Is deze theorie de werkelijkheid?”, is dus: “Ja, tot zover we kunnen zien en meten, en waarschijnlijk verder”.

facebooktwittergoogle_plusredditmail

11 gedachten over “Lichtsnelheid”

  1. Hallo Luc,

    Kan het zijn dat de lichtsnelheid de max is omdat de tijd dan nul is waardoor licht in geen tijd door het gehele universum reist? Ik kan mij niet voorstellen dat licht onderweg is. Het heelal is zo plat als een twee dimensionaal vlak. Wat ik niet begrijp is hoe kan licht een golf zijn omdat een golf een functie in tijd is. Ik begrijp er niets van en loop al lang met deze vraag rond.

    Zou je me kunnen uitleggen hoe licht miljarden jaren kan reizen?

    B.v.d

    Met vriendelijke groet,

    Marcon.

    1. Hoi Marcon,

      Je zit te worstelen met de rariteiten van speciale relativiteitstheorie. Voor ons gaat een lichtstraal met de lichtsnelheid en de tijd gewoon zoals we gewend zijn. Voor een lichtstraal staat de tijd stil en bestaat afstand niet.

      Als je in de buurt van de lichtsnelheid komt (met een heel snel ruimteschip), wordt afstand steeds kleiner en blijft de klok gewoon normaal lopen. Als je vanaf Aarde naar het ruimteschip zou kijken is de afstand gelijk, maar loopt zijn klok trager. Deze twee effecten compenseren elkaar precies zodat het effect voor beide hetzelfde is.

      De speciale relativiteitstheorie is echter niet in twee zinnen samen te vatten, dus ik verwacht niet dat deze uitleg super behulpzaam is. Als je er meer over wilt weten raad ik je het boek ‘De sublieme eenvoud van relativiteit’ van Sander Bais heel erg aan!

      Groetjes en succes,
      Luc

  2. niemand waagt zich aan een correctere uitleg over tijdsdilatatie, het sneller afleggen van een afstand dan dat je op basis van de lichtsnelheid zou denken kan dus wel, maar ik ken de juiste formule niet, ik heb wel eens gelezen dat als je met 1G blijft versnellen je op 46 jaar aan de uithoeken van het heelal zit, dus 13.8miljard lichtjaar ver, je hebt dan dus gereisd met 34.246,57Lj/u of 9.5 lichtjaar per sec…
    graag had ik hier wat meer uitleg bij gehad, ik weet wel dat gezien van op de Aarde de reis langer duurt dan 13.8miljard jaar en als je terug zou komen de Aarde reeds lang niet meer zou bestaan… en ik houd ook geen rekening met afremmen en zo dat weet ik allemaal wel, maar hoelang zou het duren (zonder afremmen) om naar Alpha centauri te vliegen (met 1G)

    1. Hoi Jan,

      Bedankt voor je reactie. Sneller dan het licht is daadwerkelijk niet mogelijk. De meest uitgebreide uitleg over tijdsdilatie heb ik gevonden in het boek ‘de sublieme eenvoud van relativiteit’, van Sander Bais. Die kan ik je echt aanraden.

      Tijdsdilatatie zit in het regime van speciale relativiteitstheorie. Deze is alleen van toepassing op referentiestelsels zonder versnelling. Als je een versnelling hebt, kun deze theorie dus niet aannemen en moet je de algemene relativiteitstheorie gebruiken. Deze theorie is echter veel en veel moeilijker te bevatten. Maar lees het boekje van Sander Bais, dat verhelderd hopelijk een hoop.

      Als je ‘oude’, Newtoniaanse mechanica aanneemt en je versnelt met 1G, dus 9,81 meter per seconde per seconde, dan kun je uitrekenen wanneer je aan de lichtsnelheid zit. Dat is namelijk 300.000/9,81=30581 seconde of slechts 8 uur! Echter is dit helemaal fout, omdat je te maken krijgt met relativiteit en niet meer de Newtoniaanse mechanica mag gebruiken. Als je eenmaal aan de lichtsnelheid zit, leg je een lichtjaar per jaar af (vandaar de naam). Naar een uithoek van het universum gaan kost dus 13,8 miljard jaar.

      De reden waarom je niet sneller kunt versnellen dan het licht, is dat je steeds meer energie moet toevoegen om sneller te gaan. Als je massa hebt, dan heb je oneindig veel energie nodig om de lichtsnelheid te bereiken. Een deeltje met massa kan hem dus alleen maar benaderen, en dat is wat bijvoorbeeld in de LHC gebeurt. Daar krijgen deeltjes een snelheid van ongeveer 99,99999% van de lichtsnelheid.

      Hier kun je een stukje van het boek vinden: http://books.google.nl/books?id=fbR-RA2YyZUC&pg=PA112&lpg=PA112&dq=versnelling+relativiteitstheorie&source=bl&ots=xgXOE36j3C&sig=pWqXKnZI-jojLVYgKb9UJrDKs0o&hl=en&sa=X&ei=8OhkU8qeB8akPc7FgIAL&ved=0CGwQ6AEwBzgK#v=onepage&q=versnelling%20relativiteitstheorie&f=false

      Succes!
      Luc

      1. Ughh.. en wat staat er in je dimensieloze constantes wiki link:
        [quote]
        The original standard model of particle physics from the 1970s contained 19 fundamental dimensionless constants describing the masses of the particles and the strengths of the electroweak and strong forces.

        the fine structure constant;
        the strong coupling constant;
        fifteen masses of the fundamental particles (relative to the Planck mass Mp=1.22089(6)×1019 GeV/c2), namely: six quarks
        six leptons
        the Higgs boson
        the W boson
        the Z boson
        [/quote]
        Hee, in dit stukje over dimensieloze constantes staat ook je higgs boson.

        1. Dat is in eenheid van Planck massa. Dat is een eenheid, net als gram of kilo. Een analogie is: een steen weegt 2 kilo. In eenheid van gram is dat 2000. De 2000 is dan inderdaad dimensieloos. Als je vraagt ‘hoeveel weegt een higgsdeeltje?’ dan is het antwoord 125 GeV/c^2 (dat is een eenheid van massa). Het antwoord kan ook zijn 0,00000000000000001 Planck massa’s. Oftewel: massa higgs / Planck massa = constant en dimensieloos. Net zoals massa steen / massa gram = dimensieloos.

          Als je natuurlijke eenheden kijkt, is de lichtsnelheid overigens wel dimensieloos: http://physics.stackexchange.com/questions/52976/how-can-the-speed-of-light-be-a-dimensionless-constant

  3. Volgens natuurkundige dr. Edward Dowdye jr. zijn de theorieën van Albert Einstein onjuist. Als Einstein nu leefde, zou hij met de hedendaagse technieken en instrumenten zijn eigen theorie weerleggen, aldus dr. Dowdye, die jarenlang in het Goddard Space Flight Center van NASA heeft gewerkt.

    Dowdye maakt deel uit van een groep wetenschappers die vraagtekens zetten bij de relativiteitstheorie. Uit waarnemingen maken astronomen op dat het begrip zwaartekrachtlens in de praktijk anders werkt dan de relativiteitstheorie ons leert, zegt Dowdye.

    http://www.theepochtimes.com/n3/739183-former-nasa-physicist-disputes-einsteins-relativity-theory/?photo=3

  4. Als niks sneller dan het licht kan waarom zeggen wetenschapper dat Neutrino sneller dan het licht kan? Wat is licht snelheid precies. Moet ik dan denken als ik de aan knop van mij lamp indrukt en wanneer die aan gaat dat het snelheid van het licht is? Kan je nog eens makkelijk uitleggen als je dichtbij snelheid van het licht komt en is het mogelijk om doordat ook tijd te reizen?

    1. Hoi Remco,

      Neutrino’s gaan niet sneller dan het licht. Dat leek even zo te zijn, maar het bleek een fout in de meetapparatuur te zijn (losse kabel). De media heeft het vervolgens volledig opgeblazen.

      Als je een lamp aan zet, heeft het licht even nodig om van de lamp je oog te bereiken. Ook licht moet afstand afleggen, net zoals jij in een auto. Echter gaat het licht zo snel, dat het instantaan lijkt.

      Als je in de buurt van de lichtsnelheid komt, worden afstanden kleiner voor jou. Als je als buitenstaander naar iemand kijkt die bijna met de lichtsnelheid gaat, loopt zijn horloge langzamer. Je kunt niet door de tijd reizen hierdoor, deze effecten heffen elkaar precies op. Dit (speciale relativiteitstheorie) is helaas niet echt makkelijk uit te leggen, maar ik kan je het boekje ‘de sublieme eenvoud van relativiteit’ van Sander Bais heel erg aanraden. Links vind je een link waar je hem kunt bestellen.

      Groetjes
      Luc

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

De volgende HTML-tags en -attributen zijn toegestaan: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>