De lichtsnelheid, een menselijke uitvinding

[Peter van Velzen]

Anders dan het aantal poten van een kip, kunnen we niet direct een getal waarnemen voor de lichtsnelheid. Nog sterker miljarden jaren had geen enkel levend wezen er ook maar een besef van dat die snelheid bestond. Maar hij bestond ongetwijfeld wel, en waarschijnlijk was ze nooit anders dan dat ze nu is. Of ze ook meer dan 13,8 miljard jaar geleden al bestond is een vraag waar wij geen antwoord op weten. Volgens de gangbare theorie bestond er geen meer dan 13,8 miljard jaar geleden, maar zolang als de tijd bestond en er ook licht bestond, bestond er ook een lichtsnelheid, en waarschijnlijk was ze niet anders dan nu.

Empedocles (490 BCE – 430 BCE) was de eerste waarvan wij weten dat hij dacht dat het licht bewoog, maar hij en zijn tijdgenoten dachten dat het vanuit het oog met ontzaggelijke (volgens Heron oneindige) snelheid van het oog naar het object toe bewoog!’

Aristoteles besloot echter dat het niet bewoog, en hij was de standaard voor vele eeuwen na hem. Totdat Alhazen in 1021 zijn boek over Optiek publiceerde waarop hij – op grond van de lenswerking – concludeerde dat het wel bewoog doch te snel voor ons om waar te nemen.

Pas in 1667 werd in Florence voor het eerst een experiment (bedacht door Galileï) uitgevoerd om te bepalen of het licht een eindige snelheid had. Het resultaat leek negatief, maar negen jaar later ontdekt de Deense astronoom Ole Römer per ongeluk een methode die wel resultaat gaf. Römer die in Parijs werkte voor de beroemde Astronoom Cassini, maakte nauwkeurige observaties van de momenten waarop Jupiters’ maan Io plotseling onzichtbaar werd, omdat ze in de schaduw van haar planeet geraakte. Omdat Io 42,46 uur nodig heeft voor elke omloop, zouden ook die eclipsen vrijwel even lang na elkaar moeten plaatsvinden (met een nauwelijks meetbaar verschil omdat uiteraard na 4333 dagen jupiter en IO ook éénmaal rond de zon zijn gegaan, hetgeen dus nagenoeg 1/2400 verschil uitmaakt (een constant verschil van ongeveer één minuut). Er werden echter uiteenlopende verschillen gemeten die wel tot 11 minuten leken op te lopen! Op grond van het feit dat de verschillen overeenkwamen met de verschillen in afstand tussen Jupiter/Io en de aarde, kwam Römer de conclusie dat het licht blijkbaar tijd nodig had om dat verschil in afstand te overbruggen. Cassini meende dat Römer het mis moest hebben.

Christiaan Huygens daarentegen, alsmede Edmund Halley en Isaac Newton accepteerden Römers verklaring wel. Huygens berekende op grond daarvan een lichtsnelheid van 220.000 km/sec. Newton schreef in 1704 in zijn werk over (alweer) optiek dat het licht er soms 7 of 8 minuten meer voor nodig heeft op vanaf Jupiter de aarde te bereiken. Blijkbaar beschikte men 28 jaar later over nauwkeuriger observaties. Hij concludeerde dat het licht 10.210 keer sneller was dan de aarde in zijn baan rond de zon. (1,4% te hoog).

Armand Hippolyte Louis Fizeau bedacht een manier om de snelheid van het licht op aarde te meten. Hij gebruikte een spiegel op 8 km afstand die een lichtstraal weerkaatste. Dat licht passeerde op de heen en terugweg een rondraaiend wiel met gaten erin en Fizeau wist de snelheid daarvan zo aan te passen dat het licht op de heenweg door het eerste en op de terugweg door het tweede gat viel. Op grond van de rotatiesnelheid van het wiel en de dubbele afstand van wiel tot spiegel kwam hij tot een lichtsnelheid van 315.000 km/sec.

Samen met Foucault verbeterde hij dit resultaat in 1862 door in plaats van een rad met gaten een ronddraaiende spiegel te gebruiken en de hoek te meten die het licht daardoor kreeg en ze kwamen tot 298.000 km/sec. Deze snelheid bleek ook te gelden voor electromagnetische stralen zoals bestudeerd door Maxwell en dat leidde tot de conclusie dat ook licht blijkbaar electromagnetische straling is. De lichtsnelheid werd wel steeds nauwkeuriger gemeten, maar bleek (Michelson Morly 1887) niet afhankelijk van de snelheid van de lichtbron tot de aarde. Albert Einstein (1904) heeft als eerste begrepen dat dit onontkoombaar is, omdat we voor het vasstellen van gelijktijdigheid nu eenmaal als uitgangspunt moeten nemen dat dit zo is. Ik heb dit altijd zo begrepen, dat het licht best een andere snelheid zou kunnen hebben, maar dat wij geen andere kunnen wáárnemen, omdat we – teneinde die waarneming te kunnen doen eerst gelijktijdigheid moeten vaststellen (de klokken gelijk zetten), maar de methode waarmee we dat doen is nu juist op een constante lichtsnelheid gebaseerd. Maar misschien is dat te sceptisch gedacht.
Tegenwoordig is de lichtsnelheid vastgesteld op 299.792.458 meter/sec en dat gaat niet meer veranderen. Niet omdat we geen nauwkeuriger metingen zouden kunnen doen, maar omdat de meter nu eenmaal is gedefiniëerd als 1/299.792.458 van de afstand die het licht in het vacuüm in een seconde aflegt! Helaas voor Axxyanus is dit dus een menselijke constructie niet een natuurgegeven!

Ook als dat niet zo was geweest, dan was de getalswaarde van de lichtsnelheid volslagen afhankelijk geweest van de eenheden van afstand en tijd, die we gebruiken. Je kunt haar ook aanduiden in mijlen per uur of in de afstand van pool tot evenaar per minuut. (ongeveer 1800).

In de natuur komen we normaliter geen secondes en geen meters tegen. De kortste tijdseenheid die een dier van nature kent is de tijd van zonsopgang tot zonsondergang. Een halve dag dus. De normale afstand die licht moet afleggen om ons te bereiken is één astronomische eenheid (de afstand tussen de zon en de aarde). Een natuurlijk waarde voor de lichtsnelheid zou dus zijn ongeveer 86,4 ae/hd.

Als ik berekening tracht te maken voor interstellaire vluchten met snelheden dichtbij de lichtsnelheid, reken ik altijd met lichtjaren/jaar. Dan is de lichtsnelheid domweg 1. Dat rekent een stuk makkelijker dan km/sec dat kan ik je wel vertellen.

Uiteraard gaat het licht er in al deze gevallen totaal niet langzamer of sneller, maar een getal dat haar beschrijft zal altijd afhankelijk zijn van de astand- en tijdseenheden die men gebruikt. En die zijn – net als deze complete geschiedenis nu eenmaal afhankelijk van de mens.

[Fish]

Toevallig een item over de lichtsnelheid in 'De Wereld Draait Door', vanaf minuut 27.

http://www.npo.nl/de-wereld-draait-door ... _101372541" onclick="window.open(this.href);return false;

De lichtsnelheid meten met een reep chocolade en een magnetron.

[lanier]

Helaas voor Axxyanus is dit dus een menselijke constructie niet een natuurgegeven!

Onzin, de lichtsnelheid is een verhouding tussen afstand en tijd en is een natuurkundige constante. De waarde ervan verandert niet, het is een fysische grootheid.

[Peter van Velzen]

Helaas voor Axxyanus is dit dus een menselijke constructie niet een natuurgegeven!

Onzin, de lichtsnelheid is een verhouding tussen afstand en tijd en is een natuurkundige constante. De waarde ervan verandert niet, het is een fysische grootheid.

Eh nee, kijk het nog maar eens na. De waarde verandert inderdaad niet, maar dat is onafhankelijk van enige fysische meting. De waarde van de lichtsnelhied is tegenwoordig een AFSPRAAK. Zou iemand een nauwkeuriger meting doen, dan zou niet de waarde van de lichtsnelheid nauwkeuriger worden, maar de lengte van de meter! Sorry, maar het is niet anders.

Lees nog maar eens na op wikepedia.(eerste twee zinnen!).

De reden waarom dit noodakelijkerwijs voor tenminste één natuurconstante zo is, is dat de verhoudingen tussen fysische grootheden in wezen relatief is. We kunnen slechts tot een absolute waarde komen, door tenminste één van de grootheden arbitrair een waarde toe te kennen. Het toeval wil dat men daarvoor de lichtsnelheid heeft gekozen. Nou ja toeval, het heeft ongetwijfeld te maken met de rol die zij speelt in de relativiteitstheorie. Ook daar fungeert ze als enige grootheid die nooit veranderd. Maar ook dat is een menselijke beslissing, ingegeven door de overweging dat we anders geen gelijktijdigheden kunnen vaststellen tussen gebeurtnissen die plaatsvinden in referentiekaders die ten opzichte van elkaar bewegen.

Het grappige feit doet zich voor dat de grootheid die men als de meest fundamentele in onze huidige wetenschappelijke kennis beschouwd, als gevolg daarvan een waarde heeft die zuiver afgesproken is, en niet langer wordt beïnvloed door enige fysische meting. Dat is geen onzin, dat is de hudiige wetenschappelijke werkelijkheid.

Het is triest dat als ik medelingen doe, die - zover ik het kan nazoeken - volstrekt naar waarheid zijn, anderen - zonder goede argumenten - mij menen te moeten corrigeren en de werkelijke stand van zaken. "onzin" en "fout" noemen. Wellicht is het inderdaad "onzin" en "fout", misschien zijn de internationale afspraken hier over helemaal niet in orde, maar het is wél waar dat ze zijn gemaakt. Dat is niet míjn schuld.

[MaartenV]

Stel dat je van 299.792.458 meter per seconde naar lichtjaren per jaar wil rekenen, krijg je gewoon een ander getal. Maar de lichtsnelheid blijft absoluut 299.792.458 meter per seconde of 1 lichtjaren per jaar. In beide gevallen zijn de waarden absoluut. Er is een absolute waarde voor m/s en een absolute waarde voor lichtjaren/jaar m.b.t. de lichtsnelheid.

Eigenlijk geef je enkel antwoorden op de vraag: hoeveel meter legt het licht af in 1 seconden? Het antwoord is absoluut (299.792.458 m/s). Hoeveel lichtjaren legt het licht af per jaar? Het antwoord is absoluut (1 lj/jaar). Enzovoort. Dat zijn absolute antwoorden en geen arbitraire, maar je dient steeds voor ogen te houden waarvoor het getal precies staat. In de natuurkunde ben je niks met enkel getallen. Je moet altijd aangeven waarvoor dat getal precies staat.

[Peter van Velzen]

Stel dat je van 299.792.458 meter per seconde naar lichtjaren per jaar wil rekenen, krijg je gewoon een ander getal. Maar de lichtsnelheid blijft absoluut 299.792.458 meter per seconde of 1 lichtjaren per jaar. In beide gevallen zijn de waarden absoluut. Er is een absolute waarde voor m/s en een absolute waarde voor lichtjaren/jaar m.b.t. de lichtsnelheid.

Eigenlijk geef je enkel antwoorden op de vraag: hoeveel meter legt het licht af in 1 seconden? Het antwoord is absoluut. Hoeveel lichtjaren legt het licht af per jaar? Het antwoord is 1 lj/jaar. Enzovoort. Dat zijn absolute antwoorden en geen arbitraire.

Beter lezen: je kunt alleen nog een (nauwkeuriger) antwoord krijgen op de vraag "Hoe lang is een meter"?" of zelfs "Hoe lang is een seconde?" De snelheid van het licht is GEDEFINIEERD als boven genoemd. Geen enkele meting kan daar nog wat aan veranderen. Dat geld uieraard ook voor lichtjaar/jaar de lengte van het lichtjaar en van het jaar kunnen veranderen maar in deze grootheden gemeten is de lichtsnelheid evenzeer per DEFINITIE 1.

[MaartenV]

Peter, je schreef eerder:

In de natuur komen we normaliter geen secondes en geen meters tegen.

De seconde is gedefinieerd als de duur van 9 192 631 770 perioden van de straling die correspondeert met de overgang tussen de twee hyperfijnenergieniveaus van de grondtoestand van een 133cesiumatoom in rust bij een temperatuur van 0 K. (bron Wikipedia)

Men definieert de seconde dus naar iets dat voorkomt in de natuur.

[dikkemick]

http://math.ucr.edu/home/baez/constants.html" onclick="window.open(this.href);return false;

You might at first think that the speed of light, Planck's constant and Newton's gravitational constant are great examples of fundamental physical constants.

But in fundamental physics, these constants are so important that lots of people use units where they all equal 1! The point is that we can choose units of length, time and mass however we want. That's three independent choices, so with a little luck we can use them to get our favorite three constants to equal 1. Planck was the first to notice this, so these units are called "Planck units".

Planck units are great for quantum gravity. They are not so convenient for other purposes, however. The Planck length, for example, is ridiculously small: about 2 × 10-35 meters. The Planck time looks even worse: about 5 × 10-44 seconds. The Planck mass is 2 × 10-8 kilograms. In ordinary life, and even in nuclear physics, Planck units can be a real nuisance.

But in the grand scheme of things, units are not very important. They are arbitrary human conventions. As long as you stick with some choice or other you will do okay.

Many constants involves units of length, time, mass, temperature, charge and so on. The numerical value of these constants depend on the units we use. The numbers would change if we used different units. Thus, though they certainly tell us something about nature, to some extent they are human artifacts.

On the other hand, certain constants don't depend on the units we use - these are called "dimensionless" constants. Some of them are numbers like pi, e, and the golden ratio - purely mathematical constants, which anyone with a computer can calculate to as many decimal places as they want. But others - at present - can only be determined by experiment. These tell us facts about nature that are completely independent of our choices of units

[axxyanus]

Uiteraard gaat het licht er in al deze gevallen totaal niet langzamer of sneller, maar een getal dat haar beschrijft zal altijd afhankelijk zijn van de astand- en tijdseenheden die men gebruikt. En die zijn – net als deze complete geschiedenis nu eenmaal afhankelijk van de mens.

Tja Peter, maar het is dan toch jouw verwarring die de (waarde van de) lichtsnelheid vereenzelvigt met het getal.

Het getal is een vertegenwoordiging voor de lichtsnelheid in een bepaalde eenheid. Het getal is niet de waarde van de lichtsnelheid. De waarde van de lichtsnelheid is een equivalentieklasse van koppels die bestaan uit een getal en een eenheid. Je kan er een eenheid uitkiezen en na die keuze heb je een equivallentie tussen (waarden van) snelheden en getallen als representatie voor die snelheid. Je kan in dagelijks gebruik dergelijke getallen ook gewoon vereenzelvigen met de snelheid maar als je een beetje de filosofische tour op wil is het wel belangrijk dat onderscheid te maken want anders kom je tot zo'n dwaas idee als dat de lichtsnelheid een menselijke uitvinding is.

Nemen we wat je eerder in je bijdrage schreef:

Tegenwoordig is de lichtsnelheid vastgesteld op 299.792.458 meter/sec en dat gaat niet meer veranderen. Niet omdat we geen nauwkeuriger metingen zouden kunnen doen, maar omdat de meter nu eenmaal is gedefiniëerd als 1/299.792.458 van de afstand die het licht in het vacuüm in een seconde aflegt! Helaas voor Axxyanus is dit dus een menselijke constructie niet een natuurgegeven!

Een meer nauwkeurige beschrijving zou zijn dat wij de getalsvoorstelling van de lichtsnelheid vastlegden voor een bepaalde eenheid om op die manier de standaardeenheid van lengte te definiëren. Wat wij hiermee construëren is een standaardmaat, niet (de waarde van) de lichtsnelheid.

[Peter van Velzen]

pi en e zeggen ons niets over de natuur. Het zijn zuiver menselijk verzinsels!
(wel hele mooie!) De lichtsnelheid (of die nu 1 is of wat anders) beschrijft nog wel de natur, maar pi en e? Vergeet het maar!

[dikkemick]

Een (filosofische?) vraag tussendoor:
Wat is werkelijk onveranderlijk absoluut? Stel de mens had nooit geevolueerd, bestaan en er over na kunnen denken. Getallen zijn nl. constructies van de mens. Lichtsnelheid dus ook.
Wat is m.a.w. onafhankelijk van onze constructies?
Snelheid, gewicht, ruimte-tijd, temperatuur, getallen, woorden: Allemaal (zeer bruikbare) menselijke verzinsels.

Hier heb ik het antwoord niet gevonden en ik denk toch dat ik het in de filosofische hoek moet zoeken
http://nl.wikipedia.org/wiki/Wetenschapsfilosofie" onclick="window.open(this.href);return false;

[Peter van Velzen]

Peter, je schreef eerder:

In de natuur komen we normaliter geen secondes en geen meters tegen.

De seconde is gedefinieerd als de duur van 9 192 631 770 perioden van de straling die correspondeert met de overgang tussen de twee hyperfijnenergieniveaus van de grondtoestand van een 133cesiumatoom in rust bij een temperatuur van 0 K. (bron Wikipedia)

Men definieert de seconde dus naar iets dat voorkomt in de natuur.

Dat zal ik niet bestrijden, en voorheen was ze gedefiniëerd als het 1/86.400 deel van een etmaal. Dat etmaal komen we in de natuur welhaast vanzelf tegen. De betreffende overgang van het cesiumatoom kent daarentegen vrijwel geen mens, en die mensen die haar wel kennen, weten door gaans niet meer dan dat daar onze huidige definitie van de seconde van is afgeleid. Bovendien zijn de getallen 9.192.631.770 en 1/86.400 niet gebaseerd op iets dat we in de natuur tegenkomen. Axxyanus conludeert nu – terecht – dat de waarde van de lichtsnelheid niet een getal is. Het is een getal in combinatie met twee eenheden, waarvoor hij de omschrijving “equivalentieklasse van koppels die bestaan uit een getal en een eenheid.” voor heeft gevonden. Ook niet iets dat je in het dagelijks leven tegen komt.

[Peter van Velzen]

Tja Peter, maar het is dan toch jouw verwarring die de (waarde van de) lichtsnelheid vereenzelvigt met het getal.

Tja, dan leg je uit dat het geen getal is en dat de getalswaarde die er in voorkomt totaal afhankelijk is van de eenheden die je gebruikt. En dan krijg je zo’n opmerking van iemand die voorheen (in de draad de “waarom” vraag is interessant suggereerde dat de waarde van een natuurconstante vergeleken kon worden met het aantal poten van een kip of het aantal armen van een zeester.

Maar dat had ik in zekere zin verdient, met mijn sneer aan zijn adres, vanwege het toevallige feit dat de waarde van de lichtsnelheid, tegenwoordig onafhankelijk is gemaakt van een gemeten lichtsnelheid. Eerlijk gezegd ontdekte ik dat ook pas na mijn laatste bijdrage aan die andere draad. De crux van mijn verhaal was uiteraard dat het inderdaad – zoals Axxyanus nu dus ook blijkt in te zien – niet een getal is, maar een zorgvuldige menselijke constructie op basis van door mensen verrichtte waarnemingen.

[Peter van Velzen]

Een (filosofische?) vraag tussendoor:
Wat is werkelijk onveranderlijk absoluut? Stel de mens had nooit geevolueerd, bestaan en er over na kunnen denken. Getallen zijn nl. constructies van de mens. Lichtsnelheid dus ook.
Wat is m.a.w. onafhankelijk van onze constructies?
Snelheid, gewicht, ruimte-tijd, temperatuur, getallen, woorden: Allemaal (zeer bruikbare) menselijke verzinsels.

Hier heb ik het antwoord niet gevonden en ik denk toch dat ik het in de filosofische hoek moet zoeken
http://nl.wikipedia.org/wiki/Wetenschapsfilosofie" onclick="window.open(this.href);return false;

Mijns inziens is de “werkelijkheid” op zich een theorie die wij allemaal van nature hanteren. Waarschijnlijk op grond van onze genetische aanleg, misschien in combinatie van een leerproces. Of die theorie in overeenstemming is met een fysieke werkelijkheid buiten onze ideeën daarover, weten wij niet . Wij weten slechts dat zij in grote mate overeenstemt met onze waarnemingen. Dit brengt menigeen er toe te denken dat onze theorie identiek is met een werkelijkheid buiten ons, maar dat is niet noodzakelijkerwijs het geval.

Of ze dat is, is in zekere zin niet van belang. Van belang is in hoeverre we met onze theoriën betrouwbare voorspellingen kunnen doen. Alleen als dat niet lukt, moeten wij wellicht op zoek naar een betere theorie.

Omdat alles wat wij menen te weten afgeleid is van waarnemingen, maar we op elk moment een nieuwe waarneming zouden kunnen doen, die niet met onze theorie onze theoriën strookt, kunnen wij – mijns inziens – niets met absolute zekerheid weten. Sommige dingen die wij menen te weten, zijn van een “aan zekerheid grenzende” waarschijnlijkheid, maar die laatste grens – hoe dun ook – zullen wij nooit kunnen oversteken.

Ik weet dat sommige denkers – zoals Plato – denken dat er zoiets bestaat als a-priori kennis. Maar als deze al bestaat, is ze een product van onze evolutie en dus beïnvloed door de waarnemingen van onze voorouders. Zij die waarnamen dat hun aangeboren kennis onjuist was hebben minder nageslacht geproduceerd dan zij die waarnamen dat hun aangeboren kennis juist was. Ook de natuurlijke selectie is dus in zekere zin een waarnemingsproces. Ik weet niet in hoeverre wij dergelijke kennis bezitten. Zoals hierboven reeds aangegeven, vermoed ik dat onze idee dat er een fysieke werkelijkheid bestaat, wellicht een vorm van a-priori kennis is, maar het lijkt me een misvatting te zijn, dat ze niets te maken zou hebben met waarneming.

Zie ook mijn oude draad: absolutisme waarin ik al eerder op je een deel van jouw vraag hier inging.

[The Black Mathematician]

pi en e zeggen ons niets over de natuur. Het zijn zuiver menselijk verzinsels!
(wel hele mooie!) De lichtsnelheid (of die nu 1 is of wat anders) beschrijft nog wel de natur, maar pi en e? Vergeet het maar!

Wat een onzin weer. Neem een cirkel met diameter 1 cm en meet de omtrek en je komt een getal tegen dat pi benadert, hoe perfecter de cirkel, hoe beter de benadering. Hoezo komt het dan niet in de natuur voor?