Het licht beweegt zich met een schijnbaar onbegrensde snelheid. Echter, de werkelijke snelheid van licht in het vacuüm is beperkt en vast. Kan deze “maximale toegestane limiet van het universum”, ongeveer driehonderdduizend kilometer per seconde, door iets worden overschreden? Het antwoord is verrassend: ja.
De snelheid van licht is een van de fundamentele natuurconstanten en tegelijkertijd een streng uitgangspunt dat onze dromen om naar andere sterren of zelfs melkwegstelsels te reizen momenteel frustreert. Toen mensen ontdekten dat de aarde omringd wordt door een heelal vol sterren, sterrenstelsels en een enorme hoeveelheid andere planeten, werkte hun verbeeldingskracht op volle toeren. Wat voor werelden zouden dat zijn? Zou er leven zijn? Het zou spannend zijn om de exoplaneten en hun moedersterren in allerlei systemen met eigen ogen te zien, of te ontdekken hoe het eruitziet in een vreemd sterrenstelsel.
Het probleem is dat al deze objecten ongelooflijk ver weg liggen. En als we op de traditionele wijze naar hen toe willen vliegen, stuiten we op de fundamentele beperking die de onoverbrugbare snelheid van het licht met zich meebrengt. Dit is een fysische grens in het universum die op dit moment onze mogelijkheden effectief beperkt.
Bijna driehonderdduizend kilometer per seconde
De snelheid van licht in het vacuüm bedraagt 299.792.458 m/s, vaak afgerond naar 300.000 km/s. Deze snelheid, aangeduid als de universele constante c, verschijnt in veel natuurkundige formules. Volgens Einstein’s speciale relativiteitstheorie, die de basis vormt voor een aanzienlijk deel van de hedendaagse natuurkunde, kan niets in het bekende universum zo snel bewegen als het licht. Net zoals andere natuurkundige extremen, wordt het concept van oneindigheid verbonden met de snelheid van het licht. Het idee is dat wanneer materie de snelheid van het licht nadert, haar massa ook toeneemt. Als materie daadwerkelijk de grenzen zou bereiken, zou haar massa oneindig worden, wat binnen de standaard natuurkunde onmogelijk is. Daarom vormt de snelheid van het licht, zoals we deze nu begrijpen, een absolute snelheidslimiet voor het hele universum.
Lichtjaren: Een Afstand van Onmetelijke Grootte
Wetenschappelijke disciplines die zich met het universum bezighouden, hebben soms de neiging enigszins verwarrende termen te gebruiken, zoals het lichtjaar, afgekort als ly. Dit is geen eenheid van tijd, zoals op het eerste gezicht zou kunnen lijken: een lichtjaar geeft de afstand aan die licht in een jaar aflegt in het vacuüm, ongeveer tien biljoen kilometers. Het is een praktische manier om de onmeetbare afstand die sterren en melkwegstelsels van ons verwijdert te beschrijven.
Van de maan naar de aarde doet het licht er ongeveer één seconde over. We kunnen dus zeggen dat ons hemelse broertje zich op een seconde lichtafstand bevindt – wat aantoont hoe ongelooflijk groot een lichtjaar is. Het licht van de zon bereikt de aarde in ongeveer acht minuten; dus is een ster ongeveer acht lichtminuten van ons verwijderd. Maar zodra we de grenzen van ons zonnestelsel passeren, komen we in de wereld van lichtjaren. De dichtstbijzijnde ster, de rode dwerg Proxima Centauri in het sterrenbeeld Centaurus, ligt op een afstand van 4,22 ly. Mocht deze ster exploderen, dan zouden we dat pas na 4,22 jaar weten.
De Invloed van de Snelheid van Licht op de Astronomie
De effecten van de snelheid van licht zijn zo diepgaand dat we deze al 350 jaar geleden hebben opgemerkt. De Deense wiskundige en astronoom Ole Rømer was bezig betrouwbare astronomische klokken te ontwikkelen voor zeelieden en concludeerde in 1676 uit zijn observaties van Jupiter en de occlusies van de maan Io dat de snelheid van licht eindig is. Echter, de wetenschappelijke gemeenschap verwierp zijn ontdekking omdat deze indruiste tegen de toenmalige opvattingen over het functioneren van het universum.
De bevindingen van Rømer werden pas in 1851 bevestigd door de Franse fysicus en astronoom Hippolyte Fizeau, die de snelheid van licht inschatte op 315.000 km/s. Léon Foucault, een collega van Fizeau, voerde in 1862 een nauwkeurige meting uit die leidde tot 298.000 km/s. Albert Abraham Michelson hield zich in de jaren daarna ook bezig met de snelheid van het licht en verbeterde in 1879 de meting met behulp van zeer hoogwaardige spiegels en lenzen. Hij kwam tot de waarde van 299.910 km/s, die vier decennia lang de meest nauwkeurige bepaling van de snelheid van licht bleef.
De Onmogelijkheden van het Ether
In die periode worstelden wetenschappers met de aard van licht. Het was onduidelijk of licht nu golven of deeltjes zijn. Michelson en zijn collega Edward Morley veronderstelden dat licht een golfkarakter had, net als geluid, wat leidde tot het probleem dat geluid een medium nodig heeft om zich voort te planten. Daarom geloofden veel onderzoekers dat licht eigenlijk een mechanische golfbeweging was in een nog onbekend medium, dat destijds niet gedetecteerd kon worden. Dit leidde tot hypothesen over ether, een hypothetische substantie waarvan werd gedacht dat deze de drager van licht was.
De beroemde Michelson-Morley-experimenten in 1887 hadden als doel deze ether aan te tonen, maar resulteerden in het tegendeel. Het resultaat leidde tot de conclusie dat ether niet bestond, wat een “tektonisch breukvlak” creëerde in de natuurkunde en leidde tot de ontwikkeling van de speciale relativiteitstheorie door Albert Einstein in 1905. Dit “mislukte” experiment had zo’n invloed dat Michelson uiteindelijk de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontving in 1907 voor zijn bijdragen aan het vakgebied.
De Mogelijkheid om Licht te Vertragen
In het vacuüm beweegt licht zich gewoonlijk met de hoogste snelheid. Maar als het door een materiaal gaat, kan de snelheid worden vertraagd afhankelijk van de brekingsindex van dat materiaal. De snelheid van licht verschilt aanzienlijk in verschillende transparante stoffen: bijvoorbeeld in water beweegt het met ongeveer 225.000 km/s en in glas met ongeveer 200.000 km/s, wat een derde langzamer is dan in een vacuüm. In diamant beweegt het met ongeveer 124.000 km/s, wat nog steeds indrukwekkend is, maar aanzienlijk langzamer.
Recent onderzoek heeft zelfs aangetoond dat wetenschappers in staat zijn om licht vast te houden en zelfs te stoppen in ultrakoude atomische wolken. In 2015 toonde een team onder leiding van Daniel Giovannini aan dat ze de snelheid van licht in het vacuüm konden vertragen door gebruik te maken van specifiek gestructureerde fotonen. Dit wijst erop dat licht, onder bepaalde omstandigheden, zich inderdaad langzamer kan voortbewegen dan zijn officieel vastgestelde snelheid.
Snelheid van het Universum
De snelheid van licht wordt vaak gezien als de maximale toegestane snelheid in het universum. Maar kan iets deze snelheid overschrijden? Het antwoord is: onder speciale omstandigheden, ja. De ruimte zelf kan bijvoorbeeld de snelheid van het licht overschrijden door zijn expansie. Het universum breidt zich uit met een snelheid van meer dan 68 km/s per megaparsec, wat overeenkomt met zo’n 3,26 miljoen lichtjaar: een galaxie op 1 megaparsec afstand van ons verwijdert zich elke seconde met 68 km, en een galaxie op 2 megaparsec afstand met 136 km, enzovoort.
Op een bepaalde afstand kan de snelheid van kosmische expansie, vanuit dat perspectief, de snelheid van het licht overtreffen. De algemene relativiteitstheorie van Einstein staat deze situatie toe. Uiteraard betekent dit niet dat iets zich daarin sneller dan het licht beweegt ten opzichte van zijn directe omgeving.
