AstronomieAntwoorden
AstronomieAntwoordenBoek: Licht


[AA] [Woordenboek] [Antwoordenboek] [UniversumFamilieBoom] [Wetenschap] [Sterrenhemel] [Planeetstanden] [Reken] [Colofon]

1. Licht ... 2. De (on)persoonlijkheid van fotonen ... 3. Fotonen zien ... 4. Zijn fotonen echt? ... 5. Het gewicht van licht ... 6. Licht van richting veranderen ... 7. Licht en temperatuur ... 8. Licht in de ruimte ... 9. De ether ... 10. Verstrooiing van licht ... 11. De snelheid van licht ... 12. Snelheden optellen ... 13. Hoe lang is een lichtjaar? ... 14. Lichtverschijnselen ... 14.1. Halo ... 15. Helderheid ... 16. Is de Maan een lichtbron?

Deze bladzijde beantwoordt vragen over licht. De vragen zijn:

[314] [409]

1. Licht

Volgens klassieke theorieën zijn deeltjes en golven heel verschillende dingen. Een golf heeft een golflengte en geen welbepaalde plaats, en als verschillende golven elkaar tegen komen dan krijg je interferentiepatronen maar lopen de golven wel gewoon door alsof er niets aan de hand is. Een deeltje heeft juist een hele bepaalde plaats en geen golflengte, en als verschillende deeltjes elkaar tegen komen dan botsen ze. De klassieke optica behandelt licht en andere elektromagnetische straling als een golfverschijnsel, en de klassieke mechanica behandelt massa als bestaande uit deeltjes. De stilzwijgende aanname is dat licht een golfverschijnsel is en dus niet uit afzonderlijke deeltjes bestaat, en dat massa uit afzonderlijke deeltjes bestaat en dus geen golfverschijnselen zoals interferentie kan tonen.

Aan het begin van de 20e eeuw bleek (door onderzoek door vele wetenschappers, waaronder Albert Einstein) dat dit beeld te simpel is, en dat alle zaken soms eigenschappen van deeltjes laten zien en soms van een golfverschijnsel. Licht gedraagt zich in sommige omstandigheden (zoals in een zonnecel) alsof het uit een stroom van afzonderlijke deeltjes bestaat die we nu fotonen noemen, en deeltjes zoals elektronen kunnen onder bepaalde omstandigheden interferentiepatronen vormen. In het algemeen zijn de deeltjeseigenschappen van golfverschijnselen en de golfeigenschappen van deeltjes alleen belangrijk als je naar hele kleine lengteschalen kijkt, ongeveer zo klein als de golflengte of nog kleiner. Op de naar verhouding verschrikkelijk veel grotere lengteschalen van het dagelijkse leven zijn de deeltjeseigenschappen van licht en de golfeigenschappen van deeltjes onbelangrijk. Deze zaken worden beschreven door de quantummechanica.

Op de allerkleinste lengteschalen hebben alle zaken dus de eigenschappen van deeltjes. Er blijken op die lengteschalen maar een beperkt aantal verschillende soorten deeltjes te zijn, die elementaire deeltjes genoemd worden. Een paar bekende soorten elementaire deeltjes zijn protonen, neutronen en elektronen (die samen atomen en dus materie vormen), fotonen (elektromagnetische golven), neutrino's (waarvan er tenminste drie soorten zijn), en gravitonen (zwaartekrachtgolven). Protonen en neutronen bestaan zelf weer uit nog kleinere deeltjes die quarks genoemd worden, maar die komen niet los voor.

Of een groep gelijksoortige elementaire deeltjes zich op de lengteschalen van het dagelijkse leven gedraagt als een groep deeltjes of als een golfverschijnsel hangt er van af in welke van de twee hoofdklassen van elementaire deeltjes ze vallen. Die twee hoofdklassen worden bosonen en fermionen genoemd, naar meneer Bose en meneer Fermi die belangrijk onderzoek in dit gebied gedaan hebben. Protonen, neutronen, elektronen en neutrino's zijn fermionen, en fotonen en gravitonen zijn bosonen.

Bosonen (zoals fotonen) merken elkaar niet op en kunnen zonder problemen op hetzelfde moment op dezelfde plaats zijn. Daarom kunnen verschillende lichtstralen zonder problemen door elkaar heen schijnen en blijven ze toch rechtdoor gaan. Omdat bosonen elkaar niet opmerken is het heel moeilijk om van meerdere bosonen een stabiele struktuur te maken.

Fermionen (zoals protonen, neutronen en elektronen) merken elkaar wel op en kunnen niet op hetzelfde moment op dezelfde plaats zijn. (Quantumfysici zeggen dat verschillende fermionen niet in dezelfde quantumtoestand kunnen zijn.) Daarom kunnen twee materiële dingen niet zomaar door elkaar heen bewegen.

[327]

2. De (on)persoonlijkheid van fotonen

Mensen hebben heel veel eigenschappen waaraan je verschillende mensen uit elkaar kunt houden. Zelfs eeneiige tweelingen zijn uit elkaar te houden als je maar nauwkeurig genoeg kijkt, bijvoorbeeld naar individuele haren of naar littekens of naar individuele cellen in hun lichaam. Op dat niveau zijn er heel veel verschillen. Om een mens volledig te beschrijven zodat er een exact gelijke kopie van gemaakt kan worden tot op het kleinste niveau is een werkelijk ontzagwekkende hoeveelheid informatie nodig, meer dan nu in alle computers op de hele wereld zou passen. Het is dus geen probleem om aan elk mens een eigen persoonlijkheid toe te schrijven.

Fotonen hebben echter maar een zeer beperkte hoeveelheid eigenschappen waarin ze van elkaar verschillen. Ze hebben een niet geheel vaste hoeveelheid energie, een onzekere plaats, en een niet geheel vaste richting, en helemaal geen andere eigenschappen waarin ze van elkaar te onderscheiden zijn. De vaagheid van de energie, plaats en richting zijn quantummechanische verschijnselen die alleen merkbaar zijn voor verschrikkelijk kleine dingen.

Bij mensen wordt hun plaats en richting meestal niet als deel van hun persoonlijkheid gezien, en als je dat bij fotonen ook niet doet dan houd je dus alleen hun energie over als maat van hun persoonlijkheid, en zelfs die is enigszins onzeker. Al met al valt het dus niet mee om een individuele persoonlijkheid toe te schrijven aan een foton. Als twee fotonen met ongeveer dezelfde energie op ongeveer dezelfde plek in ongeveer dezelfde richting gaan, dan kunnen we als we later een van die fotonen meten niet met zekerheid zeggen welke van de twee het nu is. Bovendien kun je een foton maar eenmaal zien, namelijk als je hem meet, en die meting verandert het foton, want je kunt het foton alleen opmerken als het iets in je meetapparaat verandert, en dat moet (volgens de Wet van Newton dat "actie = min reactie") ook invloed hebben op het foton zelf. Je kunt een foton dus niet de hele tijd in de gaten houden, wat het nog moeilijker maakt om hun identiteit te bepalen.

[321]

3. Fotonen zien

Licht bestaat dus uit losse fotonen. Een gegeven foton kan door slechts één waarnemer gezien worden, want om het foton te kunnen opmerken moet er een verandering in het oog van de waarnemer optreden en dat kan alleen als het foton geabsorbeerd wordt door een lichtgevoelige cel in het netvlies in het oog. Door de waarneming van het foton gaat het foton verloren. Ik meen ergens gelezen te hebben dat een lichtgevoelige cel in het menselijk oog tenminste ongeveer een dozijn fotonen binnen een fractie van een seconde moet ontvangen om iets waar te kunnen nemen, dus losse fotonen kunnen wij niet zien. We kunnen wel apparaten bouwen die losse fotonen kunnen opmerken.

[326]

4. Zijn fotonen echt?

De vraag of fotonen een theoretische oplossing of echt zijn is filosofisch van aard. Hoe definieer je het verschil tussen een theoretische oplossing en de werkelijkheid?

De "werkelijkheid" van fotonen blijkt eruit dat zekere meetbare zaken in het Heelal zich goed laten voorspellen uit de aangenomen eigenschappen van fotonen. Meer is eigenlijk niet nodig, en ook de "werkelijkheid" van andere dingen, zoals atomen en auto's en mensen, kun je op dezelfde manier aannemelijk maken.

Het is natuurlijk geen toeval dat fotonen zo goed lijken te passen in de werkelijkheid; dat komt omdat men de eigenschappen van fotonen heeft afgeleid uit waarnemingen van de werkelijkheid.

[504]

5. Het gewicht van licht

Einstein vond dat massa omgezet kan worden in energie, en energie in massa. Volgens de zwaartekracht zijn massa en energie hetzelfde, dus iets kan door zwaartekracht aangetrokken worden omdat het massa heeft of omdat het energie heeft, of allebei.

Als iets sneller gaat dan heeft het meer energie, wat overeen komt met meer massa, dus je zou kunnen zeggen dat de massa van iets twee bestanddelen heeft: eentje vanwege de extra energie (zoals snelheidsenergie en warmte-energie; er zijn er nog meer), en eentje die overblijft als je alle extra energie weghaalt (dus als het ding helemaal stil staat en zo koud mogelijk is). Die laatste massa noemen wij de rustmassa: de massa die het ding zou hebben als het helemaal in rust was. De rustmassa hangt niet af van de toestand van het ding (bijvoorbeedl of het snel gaat en of het heet is). De rustmassa van alle elektronen is bijvoorbeeld hetzelfde, dus die kun je in een tabel in een boek zetten. De "massa-met-alle-energie-erbij-gerekend" is voor elke elektron anders, en kan ook elk moment weer anders zijn, dus die kun je niet in een tabel in een boek zetten. Als natuurkundigen of sterrenkundigen het over massa hebben dan bedoelen ze meestal de rustmassa.

Het blijkt dat materie wel maar licht geen rustmassa heeft. Als je alle extra energie uit licht haalt, dan blijft er helemaal niets over. Als je een natuurkundige of sterrenkundige vraagt of licht massa heeft, dan kunnen ze dus "nee" zeggen als ze de rustmassa bedoelen, of "ja" als ze ook de extra energie meerekenen.

Licht en materie zijn in sommige opzichten gelijk aan elkaar (bijvoorbeeld dat ze allebei de zwaartekracht voelen), maar in andere opzichten weer niet. Bijvoorbeeld, licht kan met gemak door een stuk glas reizen zonder dat dat stuk glas daar last van heeft, maar materie kan dat niet. Daarom is het nog steeds handig (zelfs voor wetenschappers) om licht en materie te onderscheiden.

Zaken zoals licht die geen rustmassa hebben kun je niet op een weegschaal leggen, dus hebben die geen gewicht (maar wel massa, als je de energie meetelt). Massa en gewicht zijn niet hetzelfde. Je voelt geen gewicht als je vrij zweeft in de ruimte, maar dan heb je nog steeds wel massa, want anders zou de zwaartekracht je niet naar beneden trekken en/of de richting waarin je beweegt veranderen.

[340]

6. Licht van richting veranderen

Je kunt licht op verschillende manieren van richting laten veranderen.

weerkaatsen (reflectie)

Als licht weerkaatst wordt dan kun je de nieuwe richting van het licht meestal wel redelijk voorspellen. Als de weerkaatsing door een glad voorwerp is, dan kun je zelfs precies voorspellen wat de nieuwe richting van de lichtstraal zal zijn. Dan zou je het ook weerspiegeling kunnen noemen. Licht kan weerkaatsen van elk voorwerp.

verstrooien

Als licht verstrooid wordt dan kun je de nieuwe richting van het licht niet of maar slecht voorspellen. Verstrooiing van licht gebeurt meestal door hele kleine deeltjes, zoals de moleculen van de lucht (die de lucht blauw laten lijken), of stofjes of hele kleine waterdruppeltjes in de lucht. De Maan wordt tijdens een totale maansverduistering toch nog een beetje verlicht omdat een klein beetje zonlicht door de dampkring van de Aarde naar de Maan verstrooid wordt.

buigen

Als evenwijdige lichtstralen afgebogen worden dan zijn ze na de afbuiging nog steeds (bijna) evenwijdig, en dus allemaal op ongeveer dezelfde manier van richting veranderd. Licht kan afgebogen worden als er een verandering van brekingsindex is in het medium waar het licht doorheen schijnt. Licht kan ook afgebogen worden door zwaartekracht. Lees hierover beneden meer.

breken (refractie)

Als licht gebroken wordt dan verandert het plotseling van richting, bijvoorbeeld omdat het door een grensvlak heen in een medium met een andere brekingsindex terecht komt. Evenwijdige lichtstralen zijn na breking meestal nog steeds (bijna) evenwijdig.

Het verschil tussen weerkaatsing en verstrooiing van licht is niet altijd precies te bepalen, behalve dat weerspiegeling zeker niet tot verstrooing gerekend wordt. Het verschil tussen afbuiging en afbreking van licht is ook niet altijd precies te bepalen. Als de afbuiging kort duurt dan lijkt het net op afbreking.

Als een lichtstraal dicht langs een massief voorwerp gaat dan wordt het een beetje door de zwaartekracht van dat massieve voorwerp afgebogen. Als de afbuiging klein is, dan is hij ongeveer gelijk aan \(φ\) graden:

\begin{equation} φ ≈ 720 \frac{G M}{π c^2 r} \end{equation}

waarin \(G\) de universele zwaartekrachtsconstante is, \(M\) de massa van het voorwerp waar de lichtstraal langsheen vliegt, \(c\) de lichtsnelheid, en \(r\) de kortste afstand van de lichtstraal tot het centrum van het voorwerp. Als je \(M\) meet in eenheden van de massa van de Zon en \(r\) in kilometers, dan is \(φ ≈ 338,5/r\). Als je \(M\) meet in eenheden van de massa van de Aarde en \(r\) in kilometers, dan is \(φ ≈ 0,001/r\). De grootste afbuiging die een lichtstraal krijgt als hij rakelings langs de Zon vliegt is 1,75 boogseconden, en als hij rakelings langs de Aarde vliegt 0,0006 boogseconden. Dit zijn hele kleine afbuigingen.

[329]

7. Licht en temperatuur

De enige alternatieven voor weerkaatsing van fotonen zijn absorptie van fotonen en het doorlaten van fotonen (dus doorzichtig zijn). Ik heb niet gehoord dat superkoude materialen doorzichtig worden, dus neem ik aan dat superkoude voorwerpen (met een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt) fotonen absorberen en weerkaatsen net als warme voorwerpen dat doen, en dus zichtbaar kunnen zijn tegen een toepasselijke achtergrond met een andere kleur of helderheid.

[330]

Als je in een omgeving bent waarin alles op dezelfde temperatuur is en geen licht van buiten af binnen komt, dan is de omgeving gevuld met egale (warmte)straling (waaronder licht) die vanuit alle richtingen even sterk lijkt, en dan kun je niets zien omdat er geen verschillen in kleur of helderheid meer zijn.

Je kunt dus alleen contrast zien als er flinke temperatuurverschillen zijn tussen de bronnen van straling in de omgeving. Zonlicht wordt de ruimte in gestuurd bij een temperatuur van 6000 kelvin (graden boven het absolute nulpunt), en dat is veel hoger dan de typische temperatuur in onze directe omgeving (pakweg 290 kelvin), en daarom kunnen voorwerpen op Aarde die door zonlicht beschenen worden zoveel contrast tonen (in kleur of helderheid).

De warmtestraling die voorwerpen uitzenden hangt af van hun temperatuur. Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de gemiddelde frequentie (en dus hoe lager de golflengte) van de straling. Wij zijn een stuk kouder dan sterren, dus zenden wij warmtestraling uit met een veel grotere golflengte dan sterren, namelijk infrarode straling in plaats van zichtbaar licht.

[242] [247]

8. Licht in de ruimte

Je ziet alleen licht dat je netvlies bereikt, net zoals je alleen geluid hoort dat je oren bereikt of alleen geuren ruikt die je neus bereiken. Wat dit betreft zijn alle zintuigen gelijk. Licht in de ruimte gedraagt zich net zo als licht op Aarde, dus ook in de ruimte zie je een voorwerp alleen als het licht uitzendt of weerkaatst naar je ogen. Als er geen licht op een voorwerp valt en als het zelf ook geen licht uitzendt, dan is dat voorwerp voor niemand te zien.

Alleen die delen van de Aarde of de ruimtecapsule die verlicht zijn zullen zichtbaar zijn. Als de Aarde tussen de ruimtecapsule en de Zon in zit dan beweegt de ruimtecapsule door de schaduw van de Aarde waar het nacht is. Dan valt er geen zonlicht op de ruimtecapsule en is hij donker (behalve waar er op of in de capsule lichtjes branden). Vanuit de ruimtecapsule kun je dan op Aarde alleen de dingen zien die zelf licht uitzenden, zoals stadslichten of gasfakkels op olieboorplatformen. Als de ruimtecapsule dan weer in de buurt van de grens tussen dag en nacht komt, dan kun je van daaruit al weer een beetje zonlicht aan de rand van de Aarde zien dat door de dampkring van de Aarde verstrooid wordt, net zoals je het op de grond ook al een tijdje voor zonsopkomst lichter kunt zien worden en het nog een tijdje na zonsondergang niet helemaal donker is.

De maanlandingen werden altijd op plekken gedaan waar het toen op de Maan dag was, dus viel er op de landingsplek overal zonlicht op de grond en kon je alles in de foto's goed verlicht zien.

Het is dus niet altijd donker in de ruimte, want de Zon schijnt altijd. De Zon is alleen onzichtbaar als je in de schaduw van een planeet of maan of asteroïde bent. De ruimteschepen die we naar de Maan of naar de andere planeten sturen zijn de hele reis in het zonlicht, totdat ze in een baan rond de Maan of de planeet komen. Dan kunnen ze af en toe in de schaduw van de Maan of planeet zijn, en dan zijn ze wel in het donker.

Als je diep in de ruimte tussen de sterren bent, dan is het ongeveer zo donker als het op Aarde midden in een donkere nacht is als je ver van alle steden bent. Je kunt dan alle sterren zien, dus is het niet totaal donker, maar het licht van alle sterren bij elkaar is niet genoeg om een boek bij te lezen.

[156]

9. De ether

Wetenschappers kregen in de 17e eeuw in de gaten dat licht eigenschappen van een golfverschijnsel heeft. Alle andere golfverschijnselen die ze kenden, zoals watergolven en geluid, hebben een stoffelijk medium nodig om doorheen te reizen. Er moest toch iets zijn dat kan golven. Er zijn bijvoorbeeld geen watergolven zonder water, en geluid komt niet door het vacuüm van de ruimte (dus alle films waarin je een ruimteschip in de ruimte voorbij kunt horen vliegen hebben het mis). Men nam daarom aan dat licht ook een medium nodig had om zich voort te kunnen planten, en dat medium moest de hele ruimte vullen (want we kunnen planeten en sterren zien) maar mocht geen wrijving geven (want anders waren de planeten allang afgeremd door de tegenwind van dit medium). Men ging toen op zoek naar het onbekende medium, dat de ether genoemd werd.

De zoektocht naar de ether bleek vruchteloos. Hoe men ook probeerde om de ether in een proef te vangen, nooit leverde zo'n proef overtuigend bewijs dat de ether bestaat. De bekendste zulke proef was die van Michelson en Morley in 1887, die probeerden om de beweging van de Aarde ten opzichte van de ether heel nauwkeurig te meten, maar ze vonden er geen spoor van. Er zijn echter nog veel meer van zulke proeven gedaan.

Er zijn dus geen aanwijzingen dat ons huidige begrip van licht (zonder ether) onvolledig is. Als er een ether met meetbare invloed op licht was, dan zou je verwachten dat onze metingen aan licht onverklaarde afwijkingen zouden opleveren ten opzichte van onze theorie van licht, waar geen ether in voorkomt, maar zulke onverklaarde aanwijzingen zijn er niet. We kunnen natuurlijk niet uitsluiten dat er nog onbekende soorten deeltjes of zaken in het Heelal ontdekt zullen worden, maar als er toch een soort ether bestaat die het hele Heelal vult, dan heeft die ether blijkbaar geen meetbare invloed op licht en is het dus niet de ether waar men al lang geleden naar zocht.

Voor meer informatie (in het engels) over de zoektocht naar de ether en over de proef van Michelson en Morley kun je terecht op http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/lectures/michelson.html.

[155]

10. Verstrooiing van licht

Licht dat obstakels tegen komt zal daardoor weerkaatst of verstrooid worden. Dat betekent dat een deel van het licht naar andere richtingen gestuurd wordt. Dat is maar goed ook, want anders zou je alleen dingen kunnen zien die zelf licht uitzenden, zoals de Zon en vuur en lampen, maar niet de grond of een boom of een muur. Als het licht over een groot stuk op dezelfde manier van richting verandert dan is dat buiging of weerkaatsing van licht. Als het licht vanaf de obstakels in allerlei willekeurige richtingen gaat dan noemen we dat verstrooiing van licht.

Hoe goed de verstrooiing werkt hangt af van de grootte van de obstakels (deeltjes) en van de golflengte van het licht.

Een wolk in de lucht bestaat uit heel veel druppeltjes water, die wel klein zijn maar toch veel groter dan de golflengte van het licht. In zo'n geval worden alle golflengten (kleuren) even veel verstrooid, en daarom ziet een wolk er wit uit.

Mist is als een wolk die op de grond ligt, en bestaat dus ook uit heel veel hele kleine druppeltjes water. Als je 's avonds in de mist in de buurt van een straatlantaren staat, dan lijkt het alsof een deel van het licht niet van de lantaren komt maar van de mist rond de lantaren. Dat is dan licht dat ook van de lantaren komt en op weg was in een hele andere richting dan naar jouw oog, maar dat toen tegen een mistdruppeltje botste en daardoor van richting veranderd werd en toch nog naar je oog kwam. Omdat je oog alleen maar ziet uit welke richting het licht het laatst kwam lijkt het alsof dat licht niet van de lantaren kwam maar van het mistdruppeltje.

Als de diameter van de verstrooiende deeltjes minder is dan ongeveer een tiende van de golflengte van het licht, dan gaat de verstrooiing véél gemakkelijker voor kleinere golflengten dan voor grotere golflengten (namelijk omgekeerd evenredig met de vierde macht van de golflengte). Dit soort verstrooiing heet Rayleighverstrooiing, naar meneer Rayleigh die het verklaarde. Blauw licht heeft een golflengte die pakweg de helft is van die van rood licht, dus wordt blauw licht ongeveer 16 keer gemakkelijker verstrooid dan rood licht.

Atomen en gasmoleculen (zoals die in de lucht) en kleine stof- en rookdeeltjes zijn klein genoeg om Rayleighverstrooiing van licht te geven. Van elke zonnestraal die door de dampkring van de Aarde schiet zal dus een deel door de luchtmoleculen verstrooid worden, en wel voornamelijk het blauwe deel. Uit de zonnestralen die direct van de Zon je ogen bereiken zal dus wat blauw verdwenen zijn, omdat dat naar andere richtingen verstrooid wordt. Daarom ziet de Zon er een beetje geel uit (want als je blauw wegneemt van wit licht dan houd je geel over). Van zonnestralen die langs je heen schieten zal wat blauw licht naar je toe verstrooid worden, en dat licht lijkt dan niet van de Zon te komen maar van de luchtmoleculen die het naar je toe verstrooiden. Daarom ziet de lucht er blauw uit.

[452]

11. De snelheid van licht

In de lege ruimte (vacuüm) gaat licht (en andere soorten elektromagnetische straling) altijd met dezelfde snelheid, en die wordt dan ook wel dé lichtsnelheid genoemd. Die lichtsnelheid is per definitie precies gelijk aan 299.792.458 m/s en wordt in formules meestal geschreven als \(c\).

We weten niet waarom licht in een vacuüm een vaste snelheid zou moeten hebben, dus je zou kunnen zeggen dat we licht nog niet helemaal begrijpen. Maar hoe kun je aan iemand anders bewijzen dat je iets echt begrijpt, zelfs als die ander je uitleg van hoe het werkt niet zou snappen? Ik denk dat dat alleen kan als je het onder alle omstandigheden nauwkeurig kunt voorspellen, want iemand anders kan wel zien of je voorspellingen uit komen, zelfs als hij niet begrijpt hoe je aan die voorspellingen komt. We kunnen echter nooit voor alle mogelijke omstandigheden nakijken of onze voorspellingen wel uitkomen, dus denk ik niet dat we ooit alles helemaal zullen begrijpen. Maar we kunnen wel proberen daar dichter bij te komen.

Onze beste modellen voor hoe alles werkt bevatten nog steeds veel "vrije parameters", net alsof er drukknoppen en draaiknoppen zijn die heel precies bepaalde standen moeten hebben om alles precies zo te laten zijn als het nu is, maar waarvan we niet weten waarom nu precies die standen nodig zijn. Een doel van de moderne wetenschap is om het aantal van deze vrije parameters te verkleinen, door verborgen logische patronen te ontdekken die verklaren dat sommige vrije parameters met elkaar verbonden zijn, zodat een kleiner aantal vrije parameters genoeg is om alles te verklaren. Het uiteindelijke doel is om een Theorie van Alles te vinden waar helemaal geen vrije parameters meer in zitten maar die wel alles heel precies goed voorspelt. Dan zal blijken dat alle parameters die nu nog vrij lijken, zoals de massa van het proton of de diameter van een waterstofatoom of de snelheid van het licht in een vacuüm of de universele zwaartekrachtsconstante geheel opgebouwd zijn uit dimensieloze getallen zoals pi en 4 en de wortel van 2.

[484]

De waarde die de lichtsnelheid nu per definitie heeft is niet uit de lucht komen vallen, maar is het resultaat van een lange serie van metingen en berekeningen. Ole Rømer vond in 1676 als eerste een redelijke waarde (uitgedrukt als "22 minuten om de aardbaan over te steken", terwijl de "echte" waarde iets onder 17 minuten ligt). Hyppolyte Fizeau mat in 1849 als eerste de lichtsnelheid in een laboratoriumexperiment (en vond een waarde die ongeveer 4 procent te hoog was). Daarna zijn de metingen steeds beter geworden.

Zie http://nl.wikipedia.org/wiki/Meten_van_de_lichtsnelheid en http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#History

12. Snelheden optellen

In het dagelijkse leven tellen snelheden op. Als Anna 1 km/h sneller loopt dan Bert en Bert loopt 2 km/h sneller dan Clara, dan loopt Anna 1 + 2 = 3 km/h sneller dan Clara. Voor licht (en andere elektromagnetische straling) geldt dat niet. Als Anna, Bert en Clara in de zonneschijn lopen en de snelheid van het zonlicht opmeten, dan zullen ze alledrie dezelfde lichtsnelheid meten, hoewel ze niet allemaal even hard lopen.

Als licht niet door de lege ruimte gaat maar door een gas (lucht) of een doorzichtige vloeistof of vaste stof, dan zal de snelheid van het licht in die stof minder zijn dan de lichtsnelheid in vacuüm. De verhouding van de lichtsnelheid in vacuüm en de lichtsnelheid in een stof is gelijk aan de brekingsindex van die stof. De brekingsindex van water is ongeveer 1,4 (afhankelijk van de kleur van het licht), dus is de snelheid van licht in water gelijk aan ongeveer \(c/1,4\) wat ongeveer 0,7\(c\) is, en dat is weer ongeveer 210.000.000 m/s.

Hier is de lichtsnelheid in een aantal verschillende eenheden.

Tabel 1: Lichtsnelheid in Verschillende Eenheden

waarde eenheid
1.079.252.849 km/h kilometer per uur
299.792.458 m/s meter per seconde
299.792,458 km/s kilometer per seconde
63.241,08 AE/j astronomische eenheden per jaar
173,14 AE/d astronomische eenheden per dag
7,481 aardomtrekken per seconde
7,214 AE/h astronomische eenheden per uur
1 lj/j lichtjaren per jaar
0,3066 pc/j parsec per jaar
0,002004 AE/s astronomische eenheden per seconde

[33]

Om te weten hoe lang licht doet over 900 km hoef je die afstand alleen maar te delen door de lichtsnelheid, en die is (zie hierboven) bijna 300.000 km/s. Over 900 km doet licht (in de ruimte) dus 900/300.000 = 0,003 seconden.

[392]

Massaloze deeltjes reizen altijd met de lichtsnelheid en hoeven daarom niet versneld te worden tot aan die snelheid. Licht (fotonen) versnelt ook niet van nul tot de lichtsnelheid, maar gaat al meteen vanaf het begin met de lichtsnelheid. Andere golfverschijnselen hoeven ook niet versneld te worden, maar gaan meteen vanaf het begin met de passende golfsnelheid.

[34]

13. Hoe lang is een lichtjaar?

Een lichtjaar is de afstand die het licht in de lege ruimte in één jaar aflegt. Een lichtjaar is dus geen periode maar een afstand. De snelheid van licht in de lege ruimte is constant (zie hierboven), maar over de lengte van een jaar valt te twisten, als je het heel precies wilt aangeven. Hier houden we maar het gemiddelde juliaanse jaar van 365,25 dagen aan. Daarmee is een lichtjaar gelijk aan \(299.792.458 × 60 × 60 × 24 × 365,25 = 9.460.730.472.580.800 \text{ m}\) ofwel ongeveer 9,5 biljoen kilometer.

De lichtsnelheid kan ook met kleinere tijdseenheden zoals dagen en seconden gecombineerd worden tot afstandsmaten. Hieronder staat een overzicht.

Tabel 2: Lichtjaren en Verwanten

eenheid lengte
lichtseconde 299.792.458 m
lichtminuut 17.987.547.480 m
lichtuur 1.079.252.848.800 m
lichtdag 25.902.068.371.200 m
lichtjaar 9.460.730.472.580.800 m

14. Lichtverschijnselen

[407]

14.1. Halo

Een halo is een ring van licht (of deel van zo'n ring) rond de Zon of Maan. "Halo" wordt ook wel eens meer in het algemeen gebruikt voor elk lichtverschijnsel veroorzaakt door breking van licht door ijskristallen. De meestvoorkomende soort ringvormige halo is de "kleine kring" die de lichtbron omringt op een afstand van ongeveer 22 graden van het midden van de lichtbron. Het meestvoorkomende lichtverschijnsel waarbij ijskristallen een rol spelen is (in mijn ervaring) een bijzon. Een bijzon is een lichtvlek (vaak met de kleuren van de regenboog erin) op ongeveer 22 graden links of rechts van de Zon.

Een halo ontstaat als zonlicht of maanlicht naar jouw oog afgebogen wordt door kleine ijskristallen in de dampkring. Als je een halo ziet, dan moeten er zulke kleine ijskristallen in die richting in de dampkring zijn. De vorm van de halo wordt bepaald door de stand van de ijskristallen in de lucht, en natuurlijk door het vóórkomen van ijskristallen in de lucht. Als er geen toepasselijke ijskristallen in de richting zijn die hoort bij een halo, dan zie je geen halo in die richting.

Zie voor meer informatie over halo's:

[558]

15. Helderheid

Sommige mensen kunnen zeggen dat de Maan helderder is dan de sterren, en andere mensen kunnen zeggen dat de sterren helderder zijn dan de Maan. Beide groepen kunnen gelijk hebben, omdat ze verschillende dingen bedoelen als ze het over "helderheid" hebben.

Hoe kun je zien of een ding helderder is dan een ander ding? Je kunt meten hoeveel licht jou bereikt van beide dingen, en zien welke het meeste geeft. Als je dat doet, dan is de Maan helderder dan alle sterren bij elkaar. Of je kunt meten hoeveel licht beide bronnen verlaat (in alle richtingen), en zien welke het meeste geeft. Als je dat doet, dan is elke ster helderder dan de Maan.

Gezien vanaf Aarde zien de sterren er minder helder uit dan de Maan omdat de sterren verschrikkelijk veel verder weg van ons staan dan de Maan. Als je de Maan op dezelfde afstand zou zetten als de sterren dan zou de Maan zo zwak zijn dat je hem zelfs met de beste telescoop niet meer kon zien.

[582]

16. Is de Maan een lichtbron?

Als je een helder licht aan de hemel ziet, dan kun je niet meteen zeggen of dat licht naar je toe gespiegeld werd of dat het rechtstreeks kwam van de plek waar het licht gevormd werd, zonder reflecties onderweg. Er moet dus een manier zijn om te spreken over "een klein stukje van de hemel waarvandaan licht hier kwam", en dat wordt meestal een lichtbron genoemd.

Dit is vergelijkbaar met andere soorten bronnen. Een "waterbron" is een klein gebied waar water uit stroomt, ongeacht waar dat water oorspronkelijk vandaan kwam. Een "bron van wijsheid" is een persoon die veel wijze dingen zegt, zelfs als die persoon sommige of al die wijze dingen van andere mensen hoorde.

In algemeen taalgebruik is maanlicht licht dat van de Maan komt, ongeacht wat de originele bron van dat licht was. Dit is praktisch. Het betekent dat je de Maan kunt zien, en dat je wat licht hebt voor je nachtelijke bezigheden. Voor die dingen maakt het niet uit of dat maanlicht door de Maan zelf werd gemaakt of dat het eigenlijk gereflecteerd licht is dat ergens anders vandaan kwam, misschien wel van de Zon.

Dit is geheel vergelijkbaar met de definitie van zonlicht als licht dat van de Zon komt. Deze definities letten op de gevolgen in plaats van op de oorzaken. Je hebt zulke gevolg-definities nodig voordat je over de oorzaken kunt gaan nadenken.

Het eerste wat je doet als je in een onbekende omgeving komt is om de belangrijke dingen daar namen te geven, zodat je over ze kunt praten. Na een tijdje begin je te snappen hoe die dingen met elkaar samenhangen, maar dat is nog geen reden om de namen weg te gooien die je eerder aan ze gaf. "Maanlicht" is een naam, niet een verklaring. Iedereen herkent maanlicht als ze het zien, zelfs als ze geen idee hebben waar dat licht gevormd werd.

Er is een andere definitie van zonlicht als "licht dat werd gevormd in de Zon". Die definitie gaat over oorzaken in plaats van gevolgen. Welke van die definities (gebaseerd op gevolgen of op oorzaken) het meest toepasselijk is hangt af van de omstandigheden. Als dit onderscheid belangrijk voor je is in een bepaald geval, dat moet je duidelijk maken welke definitie je gebruikt.

Het is niet redelijk om te eisen dat iedereen een definitie gebruikt gebaseerd op oorzaken behalve als je weet wat alle oorzaken zijn, en de geschiedenis heeft ons geleerd dat je niet te zeker moet zijn van de volledigheid van je kennis.

Als je een definitie gebaseerd op oorzaken eist, dan is de definitie van maanlicht als "licht van de Zon gereflecteerd door de Maan" niet compleet. De Maan genereert wel degelijk zelf ook wat licht, net als alle voorwerpen die een temperatuur hebben boven het absolute nulpunt. Bovenstaande definitie sluit dat eigen licht van de Maan uit van de definitie van maanlicht, en dat is toch raar.

Ook reflecteert de Maan niet alleen zonlicht maar ook sterrenlicht, dat zeker niet door de Zon gevormd werd, dus dat sterrenlicht zou dan ook in de definitie van zonlicht genoemd moeten worden. Als er nog een tweede ster naast de Zon stond dan zou het licht van die ster vast ook in een oorzaak-gerelateerde definitie van maanlicht voorkomen, dus lijkt het niet logisch om maanlicht alleen in termen van zonlicht te definiëren.

Bovendien is een deel van het maanlicht zonlicht dat meerdere keren gereflecteerd werd, maar bovenstaande definitie laat het onduidelijk of zulk meervoudig gespiegeld zonlicht meetelt. Eén voorbeeld van zulk meervoudig gereflecteerd zonlicht is het asgrauwe schijnsel, dat het donkere deel van de Maan zichtbaar maakt tijdens de periode rond Nieuwe Maan.

En ten laatste is de Maan niet slechts een passieve reflector van zonlicht, maar laat ook zelf zijn invloed achter in het gereflecteerde licht. De Maan reflecteerd sommige kleuren beter dan andere, en een ervaren wetenschapper kan het verschil zien tussen zonlicht en maanlicht uit het spektrum van het licht.

Ik verwacht dat de meeste mensen zich niet bewust zijn van die verschillende bijdragen aan het licht dat van de Maan komt, zelfs als ze weten dat het meeste maanlicht gereflecteerd zonlicht is. En misschien ontdekken we nog een paar meer bijdragen als onze kennis van het Heelal toeneemt. Elke definitie gebaseerd op oorzaken kan daarom onvolledig blijken te zijn, maar de definitie gebaseerd op gevolgen blijft geldig.



[AA]

[../../pic/docsleft.gif vorige][../../pic/docsrigh.gif volgende]


talen: [en] [nl]

http://aa.quae.nl/nl/antwoorden/licht.html;
Laatst vernieuwd: 2016−02−07