Lichtsnelheid van 392.000.000 m/s

Voor onderhoudende experimenten heb je niet per se een groot laboratorium nodig. De snelheid van het licht kun je meten met enkel een magnetron en een reep chocola.

De Italiaanse natuurkundige Galileo Galilei bedacht in de zeventiende eeuw een eenvoudig experiment om de lichtsnelheid te meten. Geef twee waarnemers een lamp en zorg dat ze een flink eind van elkaar staan. Spreek af dat waarnemer één zijn lamp flitst en de klok start. Zodra waarnemer twee de flits ziet, knippert hij ook met zijn lamp. Wanneer de eerste waarnemer op zijn beurt die flits ziet, stopt hij de klok.

Zo gezegd, zo gedaan. In 1667, Galileo was 25 jaar dood, werd het experiment uitgevoerd. Bij de eerste proef werd een tijd van ongeveer één seconde gemeten. Daarna gingen de twee waarnemers steeds een stukje verder uit elkaar staan, maar de gemeten tijd bleef telkens één seconde.
Die ene seconde is natuurlijk niet de lichtsnelheid; het is de reactietijd van de twee waarnemers. Doordat de gemeten tijd telkens gelijk bleef, konden de proefnemers wel met enige zekerheid zeggen dat de lichtsnelheid Heel Erg Groot is, anders hadden ze wel een verandering gemeten. Maar hoe groot is de snelheid dan? Ergens tussen tienduizend kilometer per uur en oneindig, concludeerden ze.

Dat kan beter. Het enige wat je nodig hebt om thuis de lichtsnelheid te bepalen is een magnetron, een liniaal en een chocoladereep. Het idee is simpel: de eigenschappen van iedere golfbeweging zijn uit te drukken als: snelheid = frequentie x golflengte. Stel je maar even voor dat je aan het strand staat en dat er iedere tien tellen een golf op de kust slaat. Als de afstand tussen twee golven precies tien meter is, kun je uitrekenen hoe snel het zeewater zich verplaatst: v = 0,1 Hz x 10 m = 1 m/s.
De straling in een magnetron verplaatst zich met de lichtsnelheid en de frequentie van het apparaat staat meestal ergens achterop vermeld (vrijwel altijd 2,45 GHz). Om de snelheid van het licht te kunnen meten, hoef je dus alleen de golflengte te bepalen, en daar gebruik je de chocoladereep voor.

Haal de draaischijf uit de magnetron en leg de reep op een stuk keukenpapier in de oven. Zet nu de magnetron zo’n veertig tot zestig seconden op vol vermogen. Als het goed gaat, zie je dat de chocolade op bepaalde punten eerder smelt. Dat is de plek waar de golf van de magnetronstraling door de reep heen gaat. De afstand tussen twee van die gesmolten punten is de halve golflengte van de magnetronstraling.
Verder is het vrij simpel. Vermenigvuldig de gemeten afstand met twee en plug de getallen op de juiste plek in de formule. Bij een eerste proef in het lab van "Ik denk dus ik plof!" maten we een afstand van ongeveer acht centimeter. Daarmee kwamen we op een lichtsnelheid van niet minder dan 392.000.000 meter per seconde, ruim dertig procent hoger dan de werkelijke lichtsnelheid van 299.792.458 m/s.
Pas na een flink aantal metingen, en na een wel heel erg ruime interpretatie van de waarnemingen, kwamen we op een afstand van zo’n 61 millimeter tussen twee punten. Daarmee komt de lichtsnelheid op 298.900.000 m/s.

Hoe kun je de meting nauwkeuriger maken? “Veel verschillende soorten chocolade gebruiken”, was de oplossing van één van de "Ik denk dus ik plof!"-laboranten. Dat klinkt logisch. Afhankelijk van de verhouding tussen cacao en cacaoboter in de chocolade, verandert het smeltpunt. Het is aannemelijk dat bepaalde soorten of merken chocolade nauwkeuriger meetpunten opleveren.
Je kunt ook een dunne laag hagelslag gebruiken. Dat heeft als voordeel dat de straling niet door een dikke laag chocola hoeft en dat de warmte zich minder makkelijk verspreidt. Het nadeel is dat je na afloop minder chocolade overhoudt.

Auteur: Ernst Arbouw

Vragen over de lichtsnelheid? Ga naar het bètasteunpunt.

Meer weten over de studie natuurkunde? Kijk naar de bèta-studies die je kunt volgen aan de RUG.