Relativiteitstheorie rekenkundig, hoofdstuk 2: de lichtsnelheid


Moeder Natuur

Moeder Natuur heeft één uitzondering gemaakt op datgene wat we in het vorige hoofdstuk geleerd hebben en dat is namelijk licht. Licht heeft namelijk de wonderbaarlijke onbevattelijke eigenschap dat de snelheid daarvan niet gerelateerd is aan een referentiestelsel. Een voorbijrazende lichtstraal zal altijd met dezelfde snelheid waargenomen worden. Al die personen die in het vorige hoofdstuk de revue passeerden zullen allemaal dezelfde lichtsnelheid meten. In de eerste plaats Jan die in zijn auto rijdt met een snelheid van 80 kilometer-per-uur, of de automobilist die hem inhaalt met 90 kilometer-per-uur, of de automobilist die de andere kant op rijdt met 80 kilometer-per-uur, de fietser die 15 kilometer-per-uur fietst en de voetganger die langs de kant van de weg staat. Zij allen zullen allemaal exact dezelfde lichtsnelheid meten. En dat Nederland intussen met duizend kilometer-per-uur om de aardas wentelt, en dat de Aarde met 30 kilometer-per-seconde om de Zon draait en ons zonnestelsel met 220 kilometer-per-seconde om het centrum van de Melkweg draait maakt allemaal niet uit. Iedereen zal altijd en overal een lichtstraal met dezelfde lichtsnelheid voorbij zien komen.

Het was de Schot James Clerk Maxwell die ongeveer halverwege de 19e eeuw de wetten van het elektro-magnetisme opstelde en die gooi ik er hier plompverloren in (niet schrikken, ik doe er verder niets mee):









Dit zijn de wetten van Maxwell in integraalvorm, in vectorvorm zien ze er zo uit:









Alles wat ook maar enigszins te maken heeft met elektriciteit en magnetisme heeft als fundament de bovenstaande vier vergelijkingen. Van radio’s, magnetrons en elektriciteitscentrales tot en met (mobiele) telefonie, van medische apparatuur en radar tot en met televisie en atoombommen, het is allemaal ontsproten aan deze wetten van Maxwell. Daarnaast beschrijven deze vergelijkingen ook elektromagnetische golven, deze golven ontstaan door variaties in elektrische - en magnetische velden:
In bovenstaand plaatje is het elektrische veld blauw en het magnetische veld rood. En nu komt het meest spectaculaire: de snelheid van deze golven is uit te rekenen! En wel op de volgende simpele manier (in een vacuüm):



En c blijkt hier de snelheid van het licht te zijn. Terwijl we net in het vorige hoofdstuk geleerd hebben dat een snelheid altijd ten opzichte van een bepaalde referentie geldt, leren we nu dat dit voor licht niet zo is. Licht heeft voor iedere waarnemer dezelfde snelheid. Klopt, dit kan onze grijze massa niet bevatten want zo zijn wij niet opgevoed. Onbewust wisten wij altijd al wel dat snelheid alleen betekenis heeft ten opzichte van iets. Het licht heeft hier echter geen boodschap aan en om het nog gekker te maken: indien twee lichtstralen zij-aan-zij voortbewegen dan zullen beide lichtstralen de andere lichtstraal met de lichtsnelheid waarnemen (een lichtstraal heeft natuurlijk geen ogen of meetapparatuur tot zijn beschikking maar dat doet even niet terzake). Twee auto’s die naast elkaar op de snelweg rijden en beide een snelheid hebben van 120 kilometer-per-uur hebben ten opzichte van elkaar een snelheid van nul kilometer-per-uur. Dit geldt dus niet voor licht. In de natuurkunde heeft men voor de lichtsnelheid een speciaal symbool gereserveerd, de letter c, en dit is (toevallig) de eerste letter van het woord “constant”. Kortom, licht wordt altijd en overal waargenomen met dezelfde snelheid c, de snelheid van het licht.