toont onder andere sterren, gas, straling en zwarte gaten. Maar het licht van al deze bronnen, van gammastralen tot zichtbaar tot radiolicht, beweegt altijd met dezelfde snelheid door de lege ruimte: De snelheid van het licht in een vacuüm. NASA/ESA/SSC/CXC/STScI
Het maakt niet uit hoe snel je gaat, er is altijd een ding dat je nooit zult kunnen vangen: licht. De snelheid van het licht is niet alleen de snelste snelheid die iets in het universum kan reizen, het wordt beschouwd als een universele constante. Of we nu een zaklamp schijnen, naar de maan of de zon kijken, of een sterrenstelsel meten van miljarden lichtjaren ver, de snelheid van het licht is het enige dat nooit verandert. Maar is dat echt waar? Dat is wat Violet Brettschneider wil weten:
beweegt licht altijd met dezelfde snelheid? Als het wordt vertraagd door iets, zal blijven langzamer nadat het niet meer wordt vertraagd? Zal de snelheid van het licht terugkeren?
laten we beginnen met wat licht is op een fundamenteel niveau: een deeltje.
velden die zich verspreiden met de lichtsnelheid bepalen wat elektromagnetische straling is. De kleinste eenheid (of kwantum) van elektromagnetische straling staat bekend als een foton. Public domain image
het ziet er misschien niet uit als een deeltje als je het van een lichtbron ziet komen, zoals een lamp, een zaklamp, een laserpointer, of zelfs de zon, maar dat is omdat we niet goed uitgerust zijn om individuele deeltjes te zien. Als we elektronische fotodetectoren gebruiken in plaats van onze ogen, ontdekken we dat al het licht in het heelal bestaat uit hetzelfde type deeltje: het foton. Het heeft een paar eigenschappen die hetzelfde zijn tussen alle fotonen:
- zijn massa (die 0 is),
- zijn snelheid (die altijd c is, de lichtsnelheid),
- zijn spin (die altijd 1 is, een maat voor zijn intrinsieke impulsmoment),
en een zeer belangrijke die varieert: zijn energie. Violet licht heeft de meeste energie van een foton dat zichtbaar is voor de menselijke ogen, terwijl rood de minste energie heeft van een zichtbaar foton. Bij nog lagere energieën zijn infrarood -, microgolf-en radiofotonen, terwijl ultraviolet -, X-ray-en gammastraalfotonen kunnen worden gevonden bij hogere energieën.
die overeenkomen met verschillende delen van het elektromagnetische spectrum. NASA en Wikimedia Commons gebruiker Inductiveload
door het vacuüm van de ruimte, ongeacht wat hun energie is, ze reizen altijd met de snelheid van het licht. Het maakt ook niet uit hoe snel je het licht najaagt of nadert; de snelheid waarmee je het ziet reizen zal altijd hetzelfde zijn. Het ding dat verschuift, in plaats van zijn snelheid, zal de energie van het licht zijn. Ga naar licht en het lijkt blauwer, het stimuleren van het naar hogere energieën. Ga ervan weg en het lijkt roder, verschoven naar lagere energieën. Maar niets van dat alles, ongeacht hoe je beweegt, hoe je het licht laat bewegen, of hoe je de energie verandert, zal ervoor zorgen dat de snelheid van het licht verandert. Het foton met de hoogste energie en het foton met de laagste energie die ooit zijn waargenomen, reizen beide met precies dezelfde snelheid.
licht, met inbegrip van het foton, gluon en gravitatiegolven, die respectievelijk de elektromagnetische, sterke nucleaire en gravitatieinteracties dragen. NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet
maar als je bereid bent om uit een vacuüm te stappen in een materiaal, is het mogelijk om het licht te vertragen. Elk materiaal dat transparant is voor licht, laat die fotonen er doorheen reizen, inclusief water, acryl, kristallen, glas en zelfs lucht. Maar omdat er geladen deeltjes in deze materialen zitten — elektronen in het bijzonder — interageren ze zo met de fotonen dat ze ze vertragen. Licht, ook al is het niet opgeladen, gedraagt zich als een golf. Terwijl een foton door de ruimte beweegt, vertoont het oscillerende elektrische en magnetische velden en kan het interageren met geladen deeltjes. Deze interacties vertragen het, en zorgen ervoor dat het beweegt met een snelheid die lager is dan de snelheid van het licht zolang ze zich in een materiaal bevinden.
prisma laat zien hoe licht van verschillende energieën met verschillende snelheden door een medium beweegt, maar niet door een vacuüm. University of Iowa
verschillende fotonen hebben verschillende energieën, wat ook betekent dat hun elektrische en magnetische velden met verschillende snelheden oscilleren. Terwijl de snelheid van alle verschillende soorten licht hetzelfde is in een vacuüm, kunnen die snelheden verschillend zijn in elk soort medium. Schijn wit licht (opgebouwd uit Alle kleuren) door een druppel water of een prisma, en de meer energetische fotonen zullen nog meer vertragen dan de minder energetische, waardoor de kleuren te scheiden.
regenbogen zijn te wijten aan zonlicht dat reageert op waterdruppels, terwijl de resterende regenbogen ontstaan door extra reflecties in het water hieronder. Kleuren scheiden als gevolg van de verschillende snelheden van het licht van fotonen van verschillende energieën door middel van een medium, in dit geval, water. Terje O. Nordvik via NASA ‘ s Astronomy Picture of the Day
Dit is hoe schijnend licht door waterdruppels een regenboog creëert, omdat fotonen van verschillende energieën interageren met de geladen deeltjes in een medium (en vertragen) in verschillende hoeveelheden.
druppeltje resulteert in het scheiden van licht onder verschillende hoeken, waarbij rood licht sneller beweegt en violet licht langzamer door het medium water. Science Learning Hub / public domain
wat belangrijk is om te onthouden is dat er in dit alles niets verandert aan het licht zelf. Het verliest geen energie.; het verandert niet zijn fundamentele, intrinsieke eigenschappen; het verandert niet in iets anders. Het enige dat verandert is de ruimte eromheen. Wanneer dat licht het medium verlaat en terug in vacuüm gaat, gaat het terug naar het bewegen met de snelheid van het licht in vacuüm: 299.792.458 meter per seconde. In feite komt de definitie die we hebben van zowel afstand als tijd — wat een “meter” of een “seconde” definieert — van licht zelf. Atomen kunnen licht absorberen of uitzenden, afhankelijk van hoe de elektronen binnen een atoom overgang.
Delta_f1, is de overgang die de meter, seconde en de snelheid van het licht definieert. A. Fischer et al., The Journal of the Acoustical Society of America (2013)
Cesium, het 55ste element op het periodiek systeem, heeft 55 elektronen in een enkel, stabiel, neutraal atoom. De eerste 54 elektronen leven meestal in de laagste energietoestand, maar de 55e heeft twee mogelijke energieniveaus die het kan innemen die extreem dicht bij elkaar liggen. Als het overgaat van de iets hogere naar de iets lagere, gaat die energie in een foton van een zeer specifieke, goed gedefinieerde energie. Als je 9,192,631,770 cycli van dat foton neemt, is dat hoe we één seconde definiëren. Als je de afstand neemt die hij aflegt in 30.663319 cycli (dat is 9.192.631.770 gedeeld door 299.792.458), krijg je de definitie van één meter.
Dit leert ons iets fenomenaal diepgaand: zolang atomen overal in het universum hetzelfde zijn, zullen onze definities van tijd, lengte en lichtsnelheid nooit veranderen, ongeacht waar of wanneer we in het universum kijken.
universum, de fysica die atomen bestuurt, en dus onze definities van lengte, tijd en lichtsnelheid, zijn precies hetzelfde. NASA, ESA / Hubble, HST Frontier Fields
dus wat leren we als we dit alles samenbrengen?licht, ongeacht hoe hoog of laag in energie, beweegt altijd met de snelheid van het licht, zolang het door het vacuüm van de lege ruimte reist.
in veel opzichten is licht het eenvoudigste deeltje in het heelal. Hoewel het altijd met de snelheid van het licht beweegt, beweegt het niet altijd door volledig lege ruimte. Zolang er materie in het universum is die transparant is voor licht, zul je niet kunnen voorkomen dat je het vertraagt. Maar zodra dat licht teruggaat naar de lege ruimte, is het terug naar de snelheid van het licht in vacuüm, waarbij elk foton beweegt alsof het nooit met een andere snelheid heeft bewogen!
stuur je ask Ethan vragen naar startswithabang op gmail dot com!