Hoe hebben we de lichtsnelheid gemeten?
Is licht oneindig snel?
Je doet een lamp aan en de hele kamer is meteen licht. Lang dachten mensen dat licht zich helemaal niet verplaatste, dat het gewoon overal tegelijk was. Hoe meet je of het überhaupt ergens naartoe gaat?
De proef met lantaarns
Galilei probeerde het met lantaarns: twee mensen op heuvels, ongeveer een kilometer uit elkaar. De een haalt de klep van zijn lantaarn, en zodra de ander dat ziet, doet hij hetzelfde. Maar hij mat alleen hoe lang mensen nodig hebben om te reageren, want licht legt die twee kilometer heen en terug af in zeven miljoenste seconde.
Een klok aan de hemel
De hemel bood een lange afstand én een klok. Jupiters maan Io draait elke 42,5 uur om de planeet en verdwijnt elke keer even in haar schaduw. Die verduisteringen komen regelmatig en zijn te voorspellen.
De klok loopt achter
De Deense astronoom Ole Rømer merkte in 1676 dat de verduisteringen van Io niet altijd op tijd kwamen. Als de aarde het dichtst bij Jupiter staat, komen ze zoals voorspeld, maar naarmate de aarde verder weg gaat, komen ze steeds later. Aan de andere kant van de baan van de aarde is de vertraging zo’n 17 minuten.
Licht steekt de hele aardbaan over
Rømer begreep waarom: licht doet er een tijdje over om van Io naar ons te komen. Aan de andere kant van de baan moet het er bovendien de hele middellijn van afleggen, ongeveer 300 miljoen kilometer. Rømer schatte dat dat 22 minuten duurt; nu weten we dat het zo’n 17 minuten is, ongeveer 1.000 seconden. Licht legt dus ongeveer 300.000 kilometer per seconde af.
Een tandwiel
Op aarde mat Hippolyte Fizeau haar als eerste, in 1849. Hij stuurde licht van een lamp door een opening tussen de tanden van een tandwiel naar een spiegel 8,6 kilometer verderop. De spiegel kaatste het terug, en het licht kwam door dezelfde opening weer in zijn oog. Maar hoe zie je daaraan hoe snel het gaat?
Als het wiel draait
Toen liet hij het wiel draaien. Zolang het langzaam ging, schoof het een stukje op voor het licht terug was, en het licht ging door dezelfde opening terug. Hoe sneller het draaide, hoe meer het terugkerende licht tegen de rand van een tand botste en zwakker werd. Bij 12,5 omwentelingen per seconde verdween het helemaal: het wiel was intussen een hele tand verder en het licht trof een tand in plaats van een opening. Eén tand opschuiven kostte 1/18.000 seconde, en in die tijd legde het licht 17 kilometer heen en terug af. Het gaat dus zo’n 310.000 kilometer per seconde.
Controleer het zelf
Microgolven zijn ook licht, alleen zien we het niet. Haal het draaiplateau uit de magnetron en verwarm er 20 seconden een reep chocola in. Microgolven kaatsen terug tegen de wanden en verwarmen het meest op plekken die precies een halve golf uit elkaar liggen: de chocola smelt ongeveer om de 6 centimeter, dus een hele golf is 12 cm. De snelheid van een golf is haar lengte keer het aantal trillingen per seconde, en dat staat op het typeplaatje van de magnetron: 2.450 MHz, oftewel 2,45 miljard. 12 cm × 2,45 miljard is ongeveer 300.000 kilometer per seconde.
Hoe het nu zit
In de jaren 70 werd ze gemeten met een laser en met dezelfde formule als bij de chocola: golflengte keer aantal trillingen. Er kwam 299.792.458 meter per seconde uit, en sinds 1983 ligt dat getal vast; aan de hand ervan wordt zelfs de lengte van de meter bepaald. Daarom meten we de lichtsnelheid nu niet meer, maar meten we ermee: een laser die terugkaatst van de spiegels die astronauten op de maan hebben achtergelaten, doet er heen en terug 2,5 seconde over, en zo weten we op de centimeter hoe ver de maan weg is.
Dus hoe hebben we haar gemeten?
Licht is zo snel dat je voor een meting een enorme afstand of een heel precieze klok nodig hebt. Rømer nam de baan van de aarde en als klok de verduisteringen van Io, Fizeau nam 17 kilometer en als klok een snel draaiend wiel. Allebei lieten ze zien dat licht ontzettend snel gaat, maar niet oneindig snel.