Naar de bron van een zender bewegend zie ik een versnelde film. Bereikt straling me dan met een hogere snelheid?

Jan, 67 jaar
29 juli 2021

Snelheid is afstand gedeeld door tijdsduur. Dat geldt altijd en voor alles, dus ook voor fotonen. Elke snelheid is relatief. Er is geen uitzondering voor fotonen. Hoe kan er dan iets worden aangenomen dat tegen deze realiteit in gaat?

Antwoord

Beste Jan,

Het is, denk ik, een vraag waar niet alleen jij mee worstelt. De bron van de verwarring bevindt zich in het door elkaar gebruiken van de concepten "snelheid" en "frequentie", en deze beide aan te duiden met het woord snelheid. Voor ik een antwoord kan geven op je originele vraag zullen we even je context moeten analyseren, daar zitten immers een paar aannames is die niet helemaal correct zijn.

"Snelheid is afstand gedeeld door tijdsduur".

Dit is inderdaad hoe we snelheid kennen in het dagelijkse leven, en hoe deze wordt beschreven binnen de Newtoniaanse Mechanica. Hiermee kun je bepalen hoe snel een auto, een trein, een vliegtuig of zelfs een raket beweegt. 

"Dat geldt altijd en voor alles, dus ook voor fotonen."

Hoewel de bovenstaande definitie voldoende is om de snelheid te bepalen van alles waar we in ons dagelijkse leven mee in contact komen, is dit niet 100% correct. Die formule is niet meer correct wanneer snelheden zeer hoog worden (de lichtsnelheid benaderen). In 1887 probeerden de Amerikaanse natuurkundigen Michelson en Morley de lichtsnelheid in verschillende richtingen te bepalen om het bestaan van een ether te bepalen. Indien deze ether zou bestaan dan zou de snelheid van het licht moeten verschillend zijn wanner deze in verschillende richtingen wordt gemeten. Michelson en Morley ontdekten echter dat de lichtsnelheid in alle richtingen exact hetzelfde is. Je krijgt hierdoor het, op basis van onze aardse ervaring, tegenintuïtief beeld dat je de snelheid van het licht altijd hetzelfde meet, ook als je naar of van een lichtbron beweegt. Hoe kun je dit nu rijmen met onze dagelijkse ervaring van relatieve snelheden? (e.g., 2 wagens die elk 30km/h rijden en frontaal botsen ondervinden dezelfde schade als een wagen die aan 60km/h op een geparkeerd voertuig rijdt). Hiervoor moeten we wachten tot 1905, tot Einstein zijn "speciale" relativiteitstheorie publiceerde. Hierbij stelt Einstein de volgende aanname voor: "alle natuurwetten zijn hetzelfde, overal in het universum". Hieruit volgt (of hierin zit vervat, afhankelijk van hoe je het bekijkt) dat de lichtsnelheid altijd hetzelfde is. Dit geldt ook als je van of naar een lichtbron toe beweegt, zoals Michelson en Morley hadden geobserveerd met hun experimenten.

Om de formules te laten werken, blijkt er steeds een speciale factor nodig te zijn: de Lorentz-factor ( één gedeeld door de wortel uit één min de "snelheid in het kwadraat" gedeeld door de "lichtsnelheid c in het kwadraat" ). Omdat c een gigantisch grote snelheid is (~300 000 000 m/s), is deze factor nagenoeg gelijk aan 1 in bijna alle situaties van het dagelijkse leven. Een auto die aan 60km/h rijdt heeft een v=~16.7m/s,  => (16.7/300000000)²=(0.000000055)²=0.0000000000000031. Als je hiermee verder rekent zal je rekenmachine zeggen dat g=1 omdat het verschil met 1 zo klein is dat deze dat niet meer kan weergeven. Kijken we naar "zeer snelle" satellieten zoals bv. Voyager 1, die nu met een snelheid van ~17km/s (1000x sneller dan de auto) het zonnestelsel uitvliegt, dan is g=1/0.999999998=1.000000002. Je ziet hier dat zelfs voor Voyager 1, de Newtoniaanse mechanica een vrij goed beeld van de werkelijkheid zal geven, en correcties door speciale relativiteit te gebruiken ongeveer 1 miljard keer kleiner zullen zijn.

Kom je echter dichter bij de lichtsnelheid (of heb je de lichtsnelheid, zoals fotonen) dan wordt die Lorentz-factor plots heel snel gigantisch groot. Dit is wat men relativistische snelheden noemt, snelheden waarbij deze Lorentz-factor merkbaar van één gaat afwijken.

"Elke snelheid is relatief. Er is geen uitzondering voor fotonen."

Inderdaad, en de manier om deze relatieve snelheid het nauwkeurigste te bepalen is met de "speciale relativiteitstheorie" van Einstein. Indien de snelheden "klein" zijn ten opzichte van de lichtsnelheid, kun je ook de Newtoniaanse relativiteit (simpelweg optellen en aftrekken van snelheden) gebruiken zonder daar een merkbare fout te maken.

"Hoe kan er dan iets worden aangenomen dat tegen deze realiteit in gaat?"

De bron van deze schijnbare tegenstelling zit het verschil tussen frequentie en snelheid (zie hieronder).

"Als ik naar de bron van een zender toe beweeg, dan zie ik een versnelde film. De straling bereikt mij dan in kortere tijd, dus met hogere snelheid."

Uit al het voorgaande hebben we geleerd dat de snelheid van fotonen (in vacuüm**) altijd de lichtsnelheid is, onafhankelijk van onze eigen "relatieve" snelheid. Dit is gemeten door Michelson en Morley, en van Einstein leerden we hoe we snelheden moeten optellen om dit te laten kloppen. Wat het zien betreft, is de analogie met film hier eigenlijk perfect om uit te leggen wat er gaande is.

Stel, dat net als een film, een bron beelden op gelijk gespreide tijdstippen (voor zichzelf) uitzendt, bv. 1 per seconde. Deze beelden bewegen met de lichtsnelheid naar je toe, het zijn immers fotonen. Als jij met een bepaalde snelheid naar die bron beweegt dan zie je deze beelden, één per één op je netvlies verschijnen. De snelheid waarmee de fotonen tegen dat netvlies aanknallen is nog steeds de lichtsnelheid (want die is altijd hetzelfde). De snelheid waarmee de beelden elkaar opvolgen is echter vaker dan 1 per seconden. Deze opvolgsnelheid noemen we frequentie. Wanneer je de opvolgsnelheid (=frequentie) verhoogd (meer beelden per seconde) dan zie je inderdaad een versnelde film. De snelheid van waarmee de individuele beelden door de ruimte bewegen is echter vast. De tegenstrijdigheid die je hier ervaart vindt zijn oorsprong in het door elkaar halen van bewegingssnelheid en opvolgsnelheid.

Ik hoop dat ik hiermee een beetje licht op deze zaak heb kunnen werpen.

Groeten,

Danny

 

** Licht beweegt enkel aan de lichtsnelheid in het vacuüm, in een middenstof zoals lucht of water beweegt licht aan een snelheid die lager is dan c (men kan licht in een labo zelfs volledig tot stilstand brengen). Maar dat is een ander verhaal.

 

    

 

 

 

 

 

Reacties op dit antwoord

  • 10/08/2021 - Jan (vraagsteller)

    Ik had al een reactie gegeven, maar deze is weer verwijderd. Ik had aangegeven dat en waarom bovenstaande uitleg niet klopt.

  • 10/08/2021 - Jan (vraagsteller)

    Ik had al een reactie gegeven, maar deze is weer verwijderd. Ik had aangegeven dat en waarom bovenstaande uitleg niet klopt. waarom is mijn reactie verwijderd en waarom komt er geen antwoord op?

  • 15/08/2021 - Danny (wetenschapper)

    Beste Jan, Bij uw reactie startte u vanuit de expliciete aanname dat relativiteitstheorie en daarmee samengaande concepten fout zijn. De experimentele realiteit spreekt u hierin echter tegen: dit gaat van experimenten met klokken in vliegtuigen, over planetenbanen en de meeting van snel vervallende deeltjes in de atmosfeer tot het feit dat u gebruik kan maken van een GPS waarbij u tot de meter nauwkeurig weet waar u bent. Het spijt me te horen dat het bovenstaande antwoord niet aan uw verwachting voldoet, maar dat is nu eenmaal het antwoord dat je krijgt indien men uw vraag benadert op basis van de huidige wetenschappelijke kennis. Groeten, Danny

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Zoek andere vragen

© 2008-2021
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen