Waarom heeft licht een constante snelheid?

De redactie van Kennislink krijgt regelmatig lezersvragen. Zo vroeg Bart zich af waarom licht met de lichtsnelheid reist en waarom het over de loop miljoenen jaren niet in intensiteit afneemt.

1 juli 2013

Ik zou graag willen weten wat maakt dat licht beweegt. Welke energie zit daarachter en hoe komt het dat die snelheid constant blijft? Verder kan licht miljoenen jaren onderweg zijn, maar schijnbaar niet in intensiteit afnemen. Hoe komt dat?

Bart.

Roel van der Heijden, redacteur Natuurkunde en Techniek bij Kennislink, geeft antwoord:

Licht is bijzonder. Het kan namelijk als een deeltje én als een golf beschouwd worden, afhankelijk van hoe je naar het fenomeen kijkt en welk experiment je er mee doet.

Noordzee bij Denemarken. — Net als golven op zee, heeft licht een ‘vaste snelheid’.
Muns

Golvende zee

Het feit dat licht altijd met een bepaalde snelheid gaat kan het beste worden uitgelegd met het golfkarakter. Licht is eigenlijk een ‘golf’ van een elektrisch en magnetisch veld. Maar waarom beweegt zij?

Je zou dat enigszins kunnen vergelijken met een golf op zee. Deze blijft nooit stilstaan, maar beweegt zich met een bepaalde snelheid over het oppervlak. Die golfsnelheid is onder dezelfde omstandigheden altijd gelijk en mede afhankelijk van de zwaartekracht op aarde en de eigenschappen van het zeewater. Golven op zee bewegen met snelheden tot honderden kilometers per uur, lichtgolven doen dat doorgaans met de lichtsnelheid, oftewel bijna 300.000 kilometer per seconde.

Het enige dat nodig is voor het bestaan van zo’n golf is de startenergie. Voor een lichtgolf kan dat bijvoorbeeld afkomstig zijn van een geëxciteerd elektron dat naar een lager energieniveau valt. Een watergolf kan veroorzaakt worden door een plons van een steentje in de vijver. De golven zullen zich in beide gevallen acuut met hun ‘typische snelheid’ door het medium voortbewegen.

Een groot verschil tussen water- en lichtgolven is dat de laatstgenoemde niet uit zal doven. Om dat te kunnen verklaren moeten we licht door een andere bril bekijken.

Fotonen worden óf helemaal geabsorbeerd, of helemaal niet.
Wikimedia Commons / Sledzik1984

Licht als een deeltje

Een lichtdeeltje, ofwel een foton, dat bijvoorbeeld door onze zon wordt uitgezonden zal normaal gesproken voor de eeuwigheid door de ruimte blijven vliegen. Het is stabiel en zal zelf nooit vervallen.

Maar natuurlijk hebben veel fotonen een eindig leven. Stel dat het hierboven genoemde foton een molecuul tegenkomt in de interstellaire ruimte. Op dat moment bestaat er een kans dat het wordt geabsorbeerd. De energie van het foton wordt dan opgenomen door het molecuul. Gebeurt dat niet, dan zal het lichtdeeltje ongehinderd zijn weg vervolgen, met alle energie die het in eerste instantie had. De vreemde wetten van de quantummechanica verbieden in ieder geval dat er slechts een gedeelte van de energie van het lichtdeeltjes wordt opgenomen. Het is alles of niets.

Juist het alles-of-niets-karakter verklaart waarom er nooit energie van een foton kan worden ‘afgesnoept’ door absorptie. Als we bijvoorbeeld ‘s nachts een ster zwakker zien worden dan komt dat altijd door een afname in het aantal lichtdeeltjes, die stuk voor stuk nog precies evenveel energie bij hebben als op het moment, jaren geleden, dat ze werden uitgezonden.