Anderhalf jaar geleden schreef Noortje Stolk in de papieren GAXEX een artikel over licht. Lees het hieronder:

Op het moment van schrijven is 2015 alweer twee maanden bezig. Dit is een reden voor een zoektocht naar wat er bijzonder is aan 2015. Niet alleen is 2015 het jaar waarin VESTING 25 jaar bestaat, culturele hoofdsteden van het jaar Bergen en Pilsen zijn (zou dit iets met elkaar te maken hebben?!) en de reizigerstunnel van station Zwolle weer open gaat. Daarnaast is het ook het jaar van het licht. Wij vinden het vanzelfsprekend dat er licht is. Dus waarom is 2015 zo bijzonder dat dit het jaar van het licht is? Dit artikel neemt je mee op een reis van de ontwikkelingen op het gebied van licht en de belangrijke gebeurtenissen die daarmee gepaard gingen in het afgelopen millenium.

Vader van de moderne optica

De grondlegger van de optica is geboren in de tiende eeuw na Christus. Al hasan Ibn Al-Haytham, in het westen bekend onder de Latijnse naam Alhazen, kwam in 965 ter wereld in Basra, het moderne Irak. Die tijd staat bekend als de Gouden eeuw van de moslimcivilisatie. Deze eeuw ging gepaard met veel ontwikkelingen op het gebied van wetenschap, technologie en geneeskunde. In een gebied dat zich uitstrekte van Spanje tot China, leefden mannen en vrouwen van verschillende religies en culturen samen, ontwikkelden kennis van beschavingen uit de Oudheid en deden ontdekkingen die vaak een grote, maar niet erkende impact hadden op onze wereld. Duizend jaar geleden schreef hij The Book of Optics (1015) in Egypte. Hierin stelde hij dat het licht een individueel en cruciaal aspect is van het visueel proces. Zijn onderzoeksmethodes, bestaande uit experimenten om de theorie te verifiëren, hebben veel onderzoekers geïnspireerd en zijn daarom veel terug te vinden in de onderzoeken uit de Renaissance, zoals het werk van Christiaan Huygens en René Descartes. Daarom komen deze methodes nog altijd overeen met moderne wetenschappelijke methodes.
Christiaan Huygens beweerde in de zeventiende eeuw al dat licht een golfverschijnsel is dat een bepaalde interferentie en buiging heeft. Isaac Newton was het hier echter niet mee eens en stelde dat het licht uit een stroom van snelle deeltjes bestond. Dit heeft tot een hevige discussie geleid, waarin werd besloten dat licht uit een stroom van snelle deeltjes bestond. Niet iedereen was het met deze beslissing eens en onderzoekers experimenteerden nog steeds in de veronderstelling dat licht een golfverschijnsel was. De wetenschapper Young ontdekte in 1801 dat twee puntvormige lichtbronnen een interferentie patroon vormden. Dit betekent dat twee golven op dezelfde plaats en tijd voorkomen, waardoor ze elkaar versterken of uitdoven. Hiermee stelde Young een golftheorie op van licht. De gevestigde namen accepteerden dit nog steeds niet en bleven aanhanger van Newton’s theorie. Toen in 1808 door Étienne Malus werd ontdekt dat licht polariseert door weerkaatsing, werd al snel aangetoond dat dit alleen kon als licht een golf was. Fresnel verklaarde in 1815, nu tweehonderd jaar geleden, door middel van een experiment dat de golftheorie daadwerkelijk waar was.
Al snel werd Youngs theorie algemeen geaccepteerd. Het laatste bewijs van de golftheorie kwam in 1849 toen de relatieve snelheid van het licht werd gemeten. Men was toen in staat om aan te tonen dat de lichtsnelheid afnam als de dichtheid van het medium groter werd. Volgens de deeltjestheorie was dit namelijk precies andersom.
In de jaren daarna volgde er veel onderzoek op het gebied van licht en elektromagnetisme. Inmiddels was de dynamo uitgevonden en was aangetoond dat magnetisme elektriciteit opwekt. Michael Faraday, een Britse natuur- en scheikundige, wordt omgeschreven door tijdgenoten als de man waaraan wij het licht te danken hebben. Hij experimenteerde veel op het gebied van elektriciteit en magnetisme. Helaas was het werk van Faraday theoretisch niet sterk onderbouwd waardoor James Maxwell later de wiskundige uitwerking deed van zijn ideeën, waaruit de Maxwell vergelijkingen in 1865 zijn ontstaan.
 

Maxwell vergelijkingen

De Maxwell vergelijkingen bestonden in eerste instantie uit twintig vergelijkingen in twintig variabelen. In 1884 werd een kortere notatie gevonden met behulp van vectoranalyse, waardoor het mogelijk was om de twintig vergelijkingen in vier vergelijkingen uit te drukken. De vier wetten geven het wiskundige en natuurkundige verband weer tussen de magnetische en elektrische veldsterkte, de magnetische inductie, de elektrische stroom en verschillende natuurkundige constanten. De eerste wet is de wet van Gauss. De tweede wet is de magnetische wet van Gauss. De derde wet is de inductiewet van Faraday. Zoals hierboven werd beschreven heeft Faraday aangetoond dat verandering van een magnetisch veld elektriciteit opwekt. De vierde wet is een generalisatie van de wet van Ampère; een elektrische stroom of verandering van elektrische flux genereert een circulerend magnetisch veld. De wetten waren niet alleen een enorme doorbraak omdat voor het eerst in de geschiedenis twee verschillende verschijnselen op natuurkundig gebied met elkaar werden verbonden, het was ook een voorzet voor de later door Albert Einstein ontdekte relativiteitstheorie.
De Maxwell wetten zeggen dat de snelheid van het licht altijd gelijk blijft. Volgens de klassieke natuurkunde mag je snelheden echter bij elkaar optellen. Dus als een voorwerp dat een snelheid heeft een lichtstraal zou uitzenden, zou deze snelheid groter zijn dan de snelheid van het licht. Deze tegenstrijdigheid heeft Einstein gebracht tot het schrijven van zijn relativiteitstheorie in 1915.
 

Algemene relativiteitstheorie

Volgens de klassieke wetten van Newton zou het dus mogelijk zijn dat voorwerpen sneller gaan dan het licht, wat volgens de speciale relativiteistheorie onmogelijk is. Daardoor stelde Einstein dat weerstand een “schijnkracht” is, die veroorzaakt wordt door de hemellichamen in het heelal. De zon en andere grote hemellichamen zouden de ruimte vervormen en dit zorgt ervoor dat kleinere lichamen in gekromde lijnen gaan lopen. De aarde doet dit ook; de massa van de aarde zorgt ervoor dat de ruimte om de aarde vervormt, zodat kleinere voorwerpen naar de aarde toevallen.
Voorheen werden drie dimensies gebruikt, namelijk drie ruimtedimensies. Hier voegde Einstein een extra dimensie aan toe, namelijk de dimensie tijd. De combinaties van deze dimensies samen is het ruimtetijd-stelsel. De aarde valt dus niet om de zon heen, maar de ruimtetijd is gekromd. Voorwerpen kiezen altijd de weg van de minste weerstand, een rechte lijn. Zodra de aarde echter dichtbij een grote massa komt, wordt deze lijn afgebogen. De zon kan de ruimtetijd zo verbuigen dat planeten in een ellips of zelfs in het geval van Mercurius in een rozet draaien. In 1919 is tijdens een zonsverduistering aangetoond dat het licht van sterren inderdaad wordt afgebogen door de massa van planeten.
Tijd is nauw verbonden met ruimte en daardoor werd door Einstein aangenomen dat tijd ook gekromd wordt. Dit zou betekenen dat wanneer jij in een voorwerp zit dat sneller gaat, de tijd langzamer gaat. Tijd en ruimte zijn dus complementair. Dit is ook aangetoond met behulp van de atoomklok. Een atoomklok is een klok die de tijd aangeeft op basis van trillingen van atomen. Hierdoor heeft een atoomklok een afwijking van één seconde per vijf miljard jaar. Zodra je de weerstand verandert zal een klok sneller of langzamer lopen. Hiermee is dus aangetoond dat tijd relatief is.
 

Kosmische achtergrond straling

De kosmische achtergrondstraling is een van de belangrijkste onderdelen van de oerknaltheorie. De oerknaltheorie beweert dat 13,7 miljard jaar geleden ons heelal is ontstaan uit een singulariteit. Tot op de dag van vandaag is nog steeds niet bekend wat singulariteit precies inhoudt. Wetenschappers vermoeden dat het onder andere zwarte gaten bevat, dus een zone waar de dichtheid zo groot is, dat alles erin is geperst. Na de verschijning van deze singulariteit heeft het zich uitgerekt tot ons huidige universum, de oerknal. Het universum was aanvankelijk erg heet, maar koelde geleidelijk af in de loop der eeuwen. Tot op de dag van vandaag rekt het universum zich uit en koelt het dus nog steeds af. We zouden echter resten moeten kunnen zien van deze hitte. In 1965 werd bij toeval iets ontdekt door Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson. Beiden waren net afgestudeerd en werkten bij Bell Laboratories. Ze werkten met een antenne die ontworpen was voor het opvangen van microgolfstraling. Ze ontdekten een straling op een golflengte van 1,9 mm, ze wisten niet dat deze straling voorspeld was en wijdden het aan hun telescoop. Er overnachtten regelmatig duiven in hun telescoop, waardoor de onderzoekers dachten dat het aan de duivenpoep op de telescoop lag. De telescoop werd schoongemaakt en de bouten van de microscoop werden afgevijld. De straling werd echter nog steeds waargenomen en er werd contact gezocht met mede-onderzoekers. Al snel werd de conclusie getrokken dat het om kosmische achtergrondstraling ging, waardoor dus een deel van de oerknaltheorie werd bevestigd.
De ontdekkingen hierboven beschreven zijn tweehonderd, honderd of vijftig jaar geleden geleden, daarom is 2015 een bijzonder jaar voor het licht. Er is nog steeds veel onduidelijk over ons heelal en de relativiteitstheorie, maar ik hoop dat jij als lezer dit jaar flink in het zonnetje mag staan!

 Dit artikel is geschreven door Noortje Stolk.