De Lichtsnelheid - Corona Borealis | Zevenaar

De Lichtsnelheid
Lichtsnelheid
Introductie
•  Hoe is de lichtsnelheid gemeten
•  Wat is dan de lichtsnelheid
  De lichtsnelheid als kosmologische meetlat
en hoe meten we afstanden in het heelal
  Hoe ver kunnen wij kijken en is dat alles wat
er te zien valt
  Wat gebeurt er als wij (bijna) net zo snel als
het licht kunnen reizen
  Kunnen wij ooit sneller dan het licht reizen?
Lichtsnelheid
Het meten van de lichtsnelheid
  Voor het eerst gemeten in 1676 doordat Ole Rømer
ontdekte dat Io 22 min later uit de schaduw van
Jupiter kwam als de aarde in zijn baan om de zon het
verst weg stond bij jupiter t.o.v. de kortste afstand tot
Jupiter. De diameter van de baan van de aarde om de
zon moest dus 22 min zijn. Huygens berekende hieruit
dat de lichtsnelheid dan 220.000 km/s moest zijn
  Delambre berekende met dezelfde methode en met
tabellen met de omloopstijden van de manen van
Saturnus dat de lichtsnelheid 304136km/s moest zijn
  Fizeau liet in 1849 een lichtstraal tussen de tanden
van een tandwiel doorschijnen en plaatste op 8 km een
spiegel. Hij liet het tandwiel juist zo snel draaien dat
het gereflecteerde signaal net door het eerste tandje
tegengehouden werd en berekende zo dat de
lichtsnelheid 313.000 km/s was
  Foucault verving in 1862 het tandwiel door een
roterende spiegel en door de hoek tussen uitgezonden
en ontvangen signaal te meten bepaalde hij de
lichtsnelheid op 298.000 km/s
Lichtsnelheid
Eigenschappen
  Sinds eind 19e eeuw is bekend dat de lichtsnelheid:
  In vacuüm 300.000km/s bedraagt
 
 
 
 
 
  Gemeten met proeven
  Berekend door Maxwell in zijn theorie over EM golven
De lichtsnelheid in vacuüm constant is
De lichtsnelheid de maximale snelheid in het heelal is
De lichtsnelheid onafhankelijk is van de beweging van de
bron
De lichtsnelheid onafhankelijk is van de beweging van de
waarnemer
De lichtsnelheid is dus in alle richtingen gelijk en
onafhankelijk van de snelheid van de waarnemer
  Dit was strijdig met de newtoniaanse natuurkunde en
de intuïtie maar was wel het uitgangspunt voor
Einsteins relativiteitstheorie
Lichtsnelheid
Eigenschappen
  Met de lichtsnelheid kunnen we
  In 1 seconde 7 keer rond de aarde vliegen
  Naar de andere kant van de aarde bellen zonder tijd
vertraging
  Gebeurtenissen om ons heen zien zonder tijdvertraging
  Bij onweer de lichtflits onmiddellijk zien later gevolgd
door de donder
  Terugkijken in de geschiedenis van het heelal
  Sinds 1983 is de lichtsnelheid van 299.792.458 m/s
exact omdat de definitie van de meter hier toen van
afgeleid is: een meter is de lengte van het pad dat het
licht in vacuüm in 1/299.792.458 seconde aflegt.
  De lichtsnelheid geldt niet alleen voor licht. Ook
zwaartekracht en zwaartekrachtsgolven planten zich
volgens de algemene relativiteitstheorie voort met de
lichtsnelheid
Lichtsnelheid
Opmerkelijk
  In de koran (32.5) staat dat engelen
reizen met een snelheid waarbij de
afstand van 1000 jaar omwentelingen
van de maan in 1 dag wordt afgelegd.
  Dit blijkt met 0,01% nauwkeurigheid
de lichtsnelheid te zijn!
Lichtsnelheid
Kosmische meetlat
  Maar astronomisch is de lichtsnelheid traag:
  Tijdens het Apolo project verliep de
communicatie met de astronauten op de
maan traag (2x1,3 sec reactietijd)
  Licht van de zon heeft 8 minuten nodig om
aarde te bereiken.
  Als zon nu zou verdwijnen weten we het pas over
8 minuten.
  Stuursignalen naar Curiosity op Mars doen
er 44 minuten over
  Signalen van de satelliet Cassini bij Saturnus
doen er 3 uur over om de aarde te bereiken
  En signalen van en naar de Voyager 1 op 18
miljard km aan de rand van ons zonnestelsel
doen er 30 uur over
Lichtsnelheid
Kosmische meetlat
 
De dichtstbijzijnde ster Proxima Centauri staat op 40.000.000.000.000 km van de aarde
 
Rekenen met afstanden in km’s is dus niet meer werkbaar. Daarom werken astronomen met
lichtjaren; de afstand die het licht in vacuum in 1 jaar aflegt: 9.600.000.000.000km
 
Proxi Centauri staat dus op bijna 4 lichtjaren van de aarde
 
 
 
 
  Dit betekent dat het licht dat wij zien dus 4 jaren geleden is verzonden.
  Wij kijken dus terug in de tijd
Sirius (de helderste ster) staat op 8,6 lichtjaar
Vega staat op 25 lichtjaar
Betelgeuse staat op 500 lichtjaar
ZONDER DE LICHTSNELHEID WISTEN WIJ NIETS OVER DE GESCHIEDENIS VAN DE KOSMOS
Lichtsnelheid
Kosmische meetlat
  Het dichtstbijzijnde sterrenstelsel, de
Andromeda nevel staat op 2,5 miljoen
lichtjaar
  Het heelal blijkt gevuld te zijn met
honderden miljarden sterrenstelsels tot
wel 13,2 miljard lichtjaar weg
  Wij kunnen tot meer dan 13 miljard
jaar terugkijken via een gravitatie lens
  Een sterrenstelsel op 2 miljard lichtjaar
buigt het licht zodat het als een lens
werkt. Daardoor kunnen we zover kijken
Lichtsnelheid
De barrière
  De eerste fotonen konden 380.000 jaar na de oerknal
door de ruimte reizen (Cosmic Background Radiation)
  Toen was de ruimte zodanig afgekoeld dat de electronen
werden ingevangen door protonen. De ruimte werd gevuld
met waterstof en helium en werd transparant.
  Het eerste licht werd dus 13,7 miljard jaar geleden
uitgezonden. Verder kunnen we dus niet terugkijken. Dat
is de barrière van de lichtsnelheid
Lichtsnelheid
De barrière
 
Eindigt de ruimte op 13,7 miljard lichtjaar?
  De ruimte kan veel groter zijn, maar licht kan nooit langer dan 13,7
 
 
 
 
 
miljard jaar hebben gereisd. Verder kunnen we niet kijken.
Maar een alien die in een sterrenstelsel woont op 13,7 miljard
lichtjaar kan ons juist zien maar ook 13,7 miljard lichtjaar de
andere kant op kijken en ziet dus wat wij nooit kunnen zien
Temperatuur en massaverdeling zijn overal in het heelal gelijk. Dit
kan alleen als direct na de oerknal de ruimte met meer dan de
lichtsnelheid is geëxpandeerd
Het heelal expandeert nog steeds en lijkt dit nu op 13,7 miljard
lichtjaar te doen met snelheden hoger dan de lichtsnelheid
Verre sterrenstelsels in dit gebied zullen we nooit zien omdat het
licht ons nooit kan bereiken. De sterrenstelsels bewegen zich door
de expanderende ruimte sneller van ons vandaan dan dat fotonen
naar ons toe kunnen reizen.
DE RUIMTE KAN EXPANDEREN MET SNELHEDEN BOVEN DE
LICHTSNELHEID, MAAR BINNEN DE RUIMTE IS DE MAXIMUM
SNELHEID BEGRENST DOOR DE LICHTSNELHEID
Lichtsnelheid
Afstandmeting
  In 1929 ontdekte Edwin Hubble dat het heelal veel groter was dan onze
melkweg en dat er talloze andere melkwegstelsels waren.
  Hij ontdekte dat op de Andromeda na alle andere sterrenstelsels van ons af
bewogen
  Hij ontdekte dat hoe groter de afstand des te sneller bewegen de
sterrenstelsels van ons af. De verhouding tussen snelheid en afstand bleek
zelfs constant te zijn.
  Door de afstand van een sterrenstelsel door zijn snelheid te delen krijg je het
begin van de expansie. Daar komt bij elk sterrenstelsel 13,7 miljard jaar uit!
Lichtsnelheid
Afstandmeting
  De lichtsnelheid van 9,6 biljoen km/jaar is een onveranderlijke
constante. Het is dus een SUPERMEETLAT om afstanden te meten.
  Dit doen we door de zgn ‘roodverschuiving’ te meten (vergelijk met het
doppler effect)
  Door de expanderende ruimte (bewegen de sterrenstelsels zich van ons
vandaan en) worden de lichtgolven opgerekt
  Door het oprekken van de golven wordt de golflengte dus langer en
verandert de kleur richting rood.
  Hoe verder weg des te groter de snelheid van het sterrenstelsel (en de
expansiesnelheid van het heelal) hoe groter de roodverschuiving
  Oftewel door de golflengte van het licht te meten weten we de snelheid
waarmee het sterrenstelsel zich van ons af beweegt en dus de afstand
van het stelsel (wet van Hubble)
Lichtsnelheid
Pauze
Lichtsnelheid
Relativistische effecten
  Albert Einstein heeft bewezen dat de
lichtsnelheid de maximum snelheid in onze
ruimte(tijd) is
  Als een object versnelt en de lichtsnelheid
nadert wordt zijn massa oneindig groot.
Er is dan een oneindige hoeveelheid
energie nodig voor een minimale verdere
versnelling. Dit bestaat niet
  In deeltjesversnellers kunnen wij deeltjes
met massa versnellen tot 99,999% van de
lichtsnelheid.
  Het heelal vervormt zich zelfs om de €
lichtsnelheid maar constant te houden.
Proberen nu in deeltjesversnellers de
ruimtetijd te vervormen.
mv =
m0
v2
1− 2
c
Lichtsnelheid
Relativistische effecten
  Even leek in 2011 de theorie van Albert
Einstein onderuit te zijn gehaald
  Neutrino’s weggeschoten vanuit CERN bij
Geneve en ontvangen in een ondergrondse
detector in Gran Sasso (midden Italië) bleken
60 nanosec eerder aan te komen dan op grond
van lichtsnelheid mogelijk is (d.i. 18 meter)
  Het bleek een fout in de meting te zijn door een
fout aangesloten glasvezelkabel
  Nieuwe metingen bevestigen dat neutrino’s
reizen met maximaal de lichtsnelheid
  Einstein kan zich weer tevreden terugdraaien in
zijn graf
  Nog steeds wordt geregeld zijn theorie met
metingen bevestigd
Lichtsnelheid
relativistische eigenschappen van licht
  Als ik vanaf mijn fiets een bal naar
voren gooi is de snelheid van de bal de
snelheid die ik hem meegeef + de
snelheid van mijn fiets
  Maar het licht van mijn fietslamp
bereikt een object altijd na dezelfde
tijd, hoe hard ik ook fiets. Zelfs als ik
bijna met de lichtsnelheid zou fietsen.
  De lichtsnelheid is constant en dus
onafhankelijk van de snelheid van de
bron en de waarnemer
u+v
w=
uv
1+ 2
c
Lichtsnelheid
relativistische eigenschappen van licht
  Als een reiziger (R) met 225.000 km/s reist
en een lamp aan de voorzijde ziet het licht
nog steeds met de lichtsnelheid vertrekken.
  Maar een waarnemer (W) buiten ziet het licht
ook met 300.000km/s gaan en ziet het
ruimtevaartuig er met 225.000km/s
achteraangaan en ziet dus dat het
ruimtevaartuig met 75.000km/s achterblijft
bij het licht
  Dit is alleen te verklaren als de ruimte en tijd
van R verschillen van die van W (Einstein).
Elke waarnemer heeft zijn eigen ruimte en
tijd.
 
Lichtsnelheid
relativistische eigenschappen van licht
  Newton dacht dat tijd volkomen los stond van
beweging door de ruimte
  Einstein ontdekte dat er een nauw verband bestaat
tussen ruimte en tijd (ruimtetijd)
  Bij stilstand beweegt alles perfect synchroon door de
tijd; seconde na seconde tikt weg, ik beweeg alleen in
de tijd.
  Bij beweging wordt een deel van de beweging door de
tijd omgezet in beweging door de ruimte
  De voortgang door de tijd vermindert dus en daarom
verstrijkt de tijd voor de reiziger langzamer. Bij
terugkomst is R minder oud geworden dan W.
  De gecombineerde snelheid van de beweging van elk
voorwerp door de ruimte en zijn beweging van de tijd
is altijd exact gelijk aan de snelheid van het licht
  Bij reizen met de lichtsnelheid staat de tijd dus stil!
Lichtsnelheid
relativistische eigenschappen van licht
  Als wij in een auto rijden lijkt alles normaal te
blijven maar als wij met ons voertuig in de buurt
zouden komen van de lichtsnelheid gebeuren
rare dingen.
  De tijd gaat langzamer dan voor waarnemer
buiten.
  Omdat de tijd langzamer gaat verouder je minder
snel dan mensen buiten het voertuig. Als je uitstapt
zijn de anderen verouderd t.o.v. jezelf
  GPS moet hiervoor worden gecorrigeerd. 24
satellieten die met 11.000 km/u vliegen. GPS
ontvanger meet tijdverschil van ontvangst
satellietsignalen. Zonder toepassing
relativiteitstheorie zou de uitkomst onbruikbaar
zijn.
  Een waarnemer buiten ziet ons voertuig krimpen
  De inzittenden zien de ruimte vervormen en de
kleuren vermengen. Alsof we door een tunnel
reizen waarin alle kleuren samenvloeien.
Lichtsnelheid
relativistische eigenschappen van licht
  Al deze effecten werken ook in het dagelijks leven maar zijn
nauwelijks meetbaar omdat de snelheden laag zijn
  Lichtsnelheid alleen constant in vacuum. Licht remt af in bv
glas of water.
  Licht raakt atoom-electron in baan met hoger energieniveau-
electron valt weer terug- atoom zendt foton weer uit-hierdoor is
snelheid licht vertraagd-hierdoor buigt licht af- oftewel we kunnen
hiermee licht focussen
  Hiervan wordt gebruik gemaakt in b.v. lenzen van telescopen en
microscopen
  Recentelijk kon de lichtsnelheid in een laboratoriumopstelling
met lasers, prisma’s lenzen spiegels een gas op bijna het
absolute nulpunt vertraagd worden tot bijna 0 m/s
  Een lichtpuls van 1 km lengte kromp hierbij tot 0,002mm
  De gestopte lichtpuls kon op een andere locatie weer geactiveerd
worden met behoud van alle oorspronkelijke informatie (teleportatie??)
Lichtsnelheid
relativistische eigenschappen van licht
  De lichtsnelheid is ook afhankelijk van de sterkte
van het gravitatieveld.
  Hoe sterker de gravitatiekracht des te trager is
de lichtsnelheid
  In sterke gravitatievelden zullen ook de klokken
langzamer lopen.
  Ook hiermee moest met GPS rekening worden
gehouden
  In zwarte gaten (oneindige dichtheid) zullen de
klokken net als bij de lichtsnelheid stilstaan.
  Bob observeert Alice die in zwart gast valt
  Bob ziet doordat de tijd bij Alice steeds langzamer
gaat lopen dat de val van Alice vertraagt tot 0. Zij
blijft leven maar voor eeuwig op dezelfde plaats
  Alice valt en merkt niets van de vertragende tijd tot
zij heel dicht bij de singulariteit komt en door de
oneindig wordende zwaartekracht uit elkaar gereten
wordt
Lichtsnelheid
Sneller dan licht
  Kunnen we in de toekomst sneller reizen dan het
licht?
  In onze ruimte(tijd) is de lichtsnelheid de maximale
snelheid die niet overschreden kan worden
  Maar als we kunnen ontsnappen aan de ruimtetijd is
sneller dan het licht wellicht niet onmogelijk.
  Dit kan b.v. Door het creëren van wormholes. Maar
hier zal giga giga veel energie voor nodig zijn.
  Een andere mogelijkheid is de warp motor. Deze laat
achter het ruimtevaartuig de spacetime uitdijen en
voor het ruimtevaartuig inkrimpen waardoor
ruimteschip zich in een soort bubble bevindt en de
ruimtetijd het voortstuwt met snelheden die de
lichtsnelheid ruim kunnen overstijgen
  Dit zal niet op korte termijn mogelijk zijn, maar over
duizenden jaren misschien wel.
Lichtsnelheid
Sneller dan licht
  Toch bestaan in de theoretische natuurkunde
deeltjes (Tachyonen) die sneller gaan dan de
lichtsnelheid
  Als v=c delen we door 0 en is E dus oneindig
groot
E=
  Maar als v groter dan c dan delen we door een
1−
imaginair getal (wortel uit een negatief getal). Als
v oneindig groot wordt nadert E naar 0
  Tachyonen worden dus aan de ondergrens van hun
snelheid door de lichtsnelheid begrensd
  Tachyonen zijn nog nooit in de praktijk gevonden
mc 2
€
v2
c2
Lichtsnelheid
Sneller dan licht
  Stel we (of deeltjes) kunnen reizen
sneller dan het licht.
  Hadden al gezien dat als snelheid
toeneemt de tijd langzamer gaat en dat
bij de lichtsnelheid de tijd stilstaat
  Als we sneller dan het licht zouden
reizen gaat de tijd terug (wordt
negatief)
  Oorzaak en gevolg worden dan dus
omgedraaid. Een signaal dat ik (met
tachyonen) uitzend wordt ontvangen
voor het wordt uitgezonden!
  Er wordt dus een bericht ontvangen uit
de toekomst
Lichtsnelheid
Sneller dan licht
  Tachyonen zijn het gevolg van een zuiver
wiskundige exercitie.
  Natuurkundig zijn er nogal wat problemen die het
bestaan van tachyonen onwaarschijnlijk maken (zo
moeten de deeltjes een imaginaire massa hebben)
en zijn tachyonen strijdig met bestaande
natuurkundige theorieën (b.v. Voortplanting
golven sneller dan het licht)
  Handige ondernemers zijn er al wel op
gesprongen
  tachyonen zouden u nieuwe energie geven
  Tachyonen zooltjes kunnen de tachyonen opvangen
en geven u een onbegrensde levenskracht
  Worden nog grof verkocht ook!
Lichtsnelheid
Sneller dan licht
  Wat wel is aangetoond is dat de uitdijing van het
heelal op zeer grote afstand sneller is dan de
lichtsnelheid!
  Is dit strijdig met de speciale relativiteitstheorie?
  Neen.
  De speciale relativiteitstheorie handelt over deeltjes
die reizen in de ruimtetijd
  Wat we waarnemen is dat de ruimtetijd zelf uitdijt
  De warp motor vormt een bubble in de ruimtetijd,
daarom is de warp motor vanuit een fysisch
perspectief wel mogelijk
  De hoeveelheid benodigde energie zal ook in de verre
toekomst een warp motor onmogelijk maken.
Lichtsnelheid
Afronding
Dit is dus
nog verre
toekomst
muziek
Heeft u nog vragen?