Flickr / Clinton Steeds

Sneller dan het licht, dat gaat zomaar niet!

In 2011 ontstond wereldwijde opschudding over een natuurkundig experiment in de Italiaanse Abruzzen. De OPERA detector - opgeleverd in 2008 om neutrino’s [1] waar te nemen die vrij komen in de deeltjesversneller van CERN in Genève - zou neutrino’s gevonden hebben die sneller dan het licht gingen.

De vraag waarom dit resultaat zo opmerkelijk was raakte een beetje bedolven onder het sensationele nieuws dat Einstein - boegbeeld van de exacte wetenschap - er wellicht naast gezeten zou hebben. Zijn speciale relativiteitstheorie stelt namelijk dat niets sneller kan dan het licht. Uiteindelijk liep alles af met een sisser omdat het om een meetfout bleek te gaan. Deze was veroorzaakt door foute timing in het GPS systeem dat werd gebruikt.

De neutrino’s zouden Einsteins fundamentele snelheidslimiet overtreden. Het uitgangspunt van de speciale relativiteitstheorie is dat de lichtsnelheid een universele constante is. Dit betekent dat iedereen die de lichtsnelheid meet dezelfde waarde zal vinden. Dit klinkt triviaal, maar het zou vreemd zijn als Einstein hetzelfde had beweerd over een automobilist die aan het inhalen is op de A2: ten opzichte van zijn eigen auto zit hij stil, volgens een snelheidscamera langs de weg rijdt hij 120 kilometer per uur, en volgens de bestuurder die wordt ingehaald rijdt hij 10 kilometer per uur. Stel nu dat de automobilist (handsfree) met een laser zit te schijnen. Alle omstanders meten de snelheid van het laserlicht, en vreemd genoeg vinden ze allemaal dezelfde waarde.

De lichtsnelheid is een universele constante.

Einstein werd hiertoe gebracht door enkele experimenten [2] die lieten zien dat de lengte van een object afhankelijk is van de waarnemer, en dus niet universeel is. Dit was op te lossen door de lichtsnelheid tot universele constante te promoveren—dus voor alles en iedereen hetzelfde. Het gevolg hiervan was dat de universaliteit van lengte, tijd, en massa sneuvelde. In het dagelijks leven merken we hier niets van, pas als we te maken krijgen met snelheden dicht bij de lichtsnelheid gebeuren er interessante dingen: tijd vertraagt en lengte verkort. Het vreemde is dat de mate van (bijvoorbeeld) lengteverkorting afhankelijk is van wie je het vraagt. Als de automobilist op de A2 een snelheidsduivel blijkt te zijn en er met de helft van de lichtsnelheid vandoor gaat, wordt zijn auto volgens hemzelf namelijk niet korter. De rest van de weggebruikers ziet hem in een redelijk samengeperst autootje voorbijgaan, en volgens de snelheidscamera (die stilstaat) is hij het meest samengeperst.

De reden dat (zoals het algemeen te boek staat) “dingen niet sneller kunnen dan het licht” heeft te maken met de relativiteit van massa. Einsteins theorie stelt dat een object zwaarder wordt naarmate het sneller gaat. En hoe zwaarder iets is, hoe meer energie benodigd is om het verder te versnellen. Je zou dus een oneindige hoeveelheid energie nodig hebben om een object met de lichtsnelheid te laten gaan, en dat kan niet. Dit kan alleen als het object massaloos is, zoals bijvoorbeeld een lichtdeeltje. En in dat geval reist het met de lichtsnelheid.

Deze schijnbaar universele snelheidsbeperking vraagt echter om een nuancering; er zijn namelijk best dingen die sneller kunnen dan het licht. Als je bijvoorbeeld op een heldere avond met volle maan een laserpointer op de maan richt, en die van links naar rechts beweegt, gaat het puntje van de laser veel sneller dan de lichtsnelheid. Rekent u maar mee: de maan staat ongeveer 400.000 kilometer van de aarde en is ruim 3.400 kilometer breed. Dit betekent dat de laserpointer op aarde over ongeveer een halve graad gedraaid moet worden. Als we ervan uitgaan dat het mogelijk is om de laser binnen één seconde over een hele cirkel te draaien, dan volgt dat de punt van de laser met een snelheid van 2.500.000 kilometer per seconde over de maan zoeft, ongeveer acht keer sneller dan het licht. Hier heeft niemand moeite mee, en dat komt omdat de algemeen geaccepteerde formulering van Einsteins snelheidsbeperking is dat informatie niet sneller kan dan het licht.

Dit klinkt een beetje vaag, maar de achterliggende gedachte is dat informatie altijd een fysieke drager moet hebben. Dit is òf iets met massa (een liedje op een harde schijf of een elektronenstroom in een circuit) òf het is licht (bijvoorbeeld internetverkeer via een glasvezelkabel of een SOS-kreet per Morsesignaal). De laserspot die sneller dan het licht over de maan zoeft kan niet gebruikt worden voor het doorgeven van informatie. Het moment dat de laserpointer begint met draaien daarentegen wel, ik kan bijvoorbeeld met iemand af spreken dat ik dat moment gebruik om door te geven dat het eten klaarstaat. Dit moment—wat voor het doorgeven van informatie gebruikt kan worden—reist echter precies met de lichtsnelheid naar het maanoppervlak, en dus is Einsteins snelheidsbeperking ongeschonden.

Er zijn best dingen die sneller kunnen dan het licht.

Einsteins relativiteitstheorie staat dus toe dat sommige dingen sneller mogen gaan dan het licht, zolang ze maar geen informatie overdragen tussen twee punten. Dit betekent dus dat de neutrino’s uit het OPERA-experiment volgens Einstein inderdaad niet sneller konden dan het licht, die brachten immers informatie over. (Om dat concept van informatieoverdracht te illustreren: de teams in de Abruzzen en in Genève hadden af kunnen spreken dat het Geneefse team neutrino’s zou sturen als de Italianen welkom waren op de koffie. Er had dan duidelijk informatieoverdracht plaats gehad.) Was dit desastreus geweest voor de relativiteitstheorie? Waarschijnlijk niet. Newtons mechanica wordt immers ook nog door hele volksstammen gebruikt, en dat was voor de relativiteitstheorie waarschijnlijk niet anders geweest. Alle sensatie en oproer over deze opmerkelijke vondst uit 2011 was dus lichtelijk overdreven.

[1] Neutrino’s laten zich door bijna niets stoppen: op het moment dat u dit leest passeren er miljarden neutrino’s van de zon onopgemerkt door elke vierkante centimeter van het aardoppervlak en uzelf. Daarom gebruiken ze in de OPERA detector blokken van fotografische film om af en toe een paar neutrino’s te stoppen; elk blok weegt meer dan acht kilo, en in totaal zijn het er ongeveer 150.000.

[2] Dit was voornamelijk het Michelson-Morley experiment. De twee heren splitsten een bundel licht op in twee armen die even lang waren. Eén arm stond in de richting van de rotatie van de aarde, de ander stond daar haaks op. Via een methode die ingewijden ‘interferentie’ noemen, lieten ze zien dat de arm die in de richting van de aardrotatie gedraaid was een héél klein stukje korter werd dan de andere arm. Conclusie: lengte is niet universeel.

Gerelateerde artikelen
Reacties
1 Reactie
  • Zeer interessant! Mooi duidelijk geschreven. Ik heb een vraag. Ik heb weleens gehoord dat je met relativiteitstheorie ook zwaartekracht zou kunnen uitleggen, ik heb alleen geen idee hoe dat zou moeten, aangezien ik hier alleen dingen lees over snelheden. Wat heeft zwaartekracht nou met lichtsnelheid te maken? Ik heb het weleens aan een natuurkundige gevraagd, maar die was niet zo duidelijk, die begon over tensoren of iets dergelijks. Ik weet wat een sensor is maar niet een tensor, sorry hoor maar een beetje vreemde lui zijn het wel soms, krijg ik de indruk.
    Hoe dan ook bedankt voor de heldere uitleg, ik hoop dat je mijn vraag kan beantwoorden.

Geef een reactie

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

Naar boven