In vacuüm verplaatst licht zich altijd met een constante snelheid van 299.792.458 meter per seconde. Niets kan sneller reizen dan deze constante c, zoals door natuurkundigen is aangegeven. Deze twee postulaten zijn fundamentele bouwstenen van de moderne natuurkunde en werden meer dan honderd jaar geleden voor het eerst verkondigd door Albert Einstein.
Ja, niets kan sneller reizen dan het licht, maar…
Wanneer licht door een ander medium dan vacuüm reist, zal het worden vertraagd. Wanneer licht zich bijvoorbeeld door water of lucht voortplant, zal het dat met een langzamere snelheid doen. Dat komt doordat licht wordt verstrooid door de moleculen waaruit de verschillende materialen bestaan. De fotonen zelf worden niet langzamer. Maar hun passage door een medium gaat gepaard met absorptie door elektronen en opnieuw emissie. Voor sommige materialen, zoals water, zal het licht langzamer zijn dan de elektronen. Een elektron in water kan dus sneller reizen dan licht in water. Maar niets reist ooit sneller dan c.
In sommige gevallen kan traag licht een aantal zeer interessante natuurkundige verschijnselen opleveren. Je hebt waarschijnlijk wel gehoord van de sonische giek. Een ‘normaal’ subsonisch vliegtuig zal de lucht soepel rond de vleugels afbuigen. Een supersonisch vliegtuig – het soort dat sneller reist dan geluid (meer dan 340 m/s) – zal in feite veel sneller bewegen dan de lucht die het ontwricht. Het resultaat is een plotselinge drukverandering of schokgolf die zich met de snelheid van het geluid in een kegel van het vliegtuig af voortplant.
Dr. Manhattan
De fasesnelheid van licht in een medium met brekingsindex n is v
licht = c/n. Water heeft een brekingsindex van ongeveer 1,3, dus de lichtsnelheid in water is aanzienlijk lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Niet alleen een elektron kan zich sneller dan het licht door een ander medium verplaatsen – ook andere deeltjes. Als een geladen deeltje in een medium sneller reist dan het licht, dan wordt een zwakke straling geproduceerd. In water bijvoorbeeld exciteert het geladen deeltje de watermoleculen, die dan naar hun normale toestand terugkeren door fotonen van blauw licht uit te zenden. Het licht plant zich voort in een kegel voorwaarts van het gebied waar de interactie plaatsvond, analoog aan de sonische dreun.
Dit effect, bekend als Cherenkovstraling, werd in 1934 door Pavel Cherenkov waargenomen als een zwakke blauwe gloed, toen hem werd gevraagd de effecten van radioactiviteit in vloeistoffen te bestuderen. Mensen die met kernreactoren werken, krijgen deze blauwe gloed vaak te zien. In de populaire cultuur wordt de machtige Doctor Manhattan uit de klassieke grafische roman “Watchmen” van Ian Moore altijd omgeven door een blauwe gloed.
Deze discussie roept de vraag op: in hoeverre kunnen we licht vertragen?
Dood stop
Hoewel we de snelheid van het licht, die altijd constant is, nooit echt kunnen versnellen of verminderen, zijn wetenschappers er wel in geslaagd om de tijd die het licht nodig heeft om door verschillende media te reizen, te manipuleren. Bij kamertemperatuur zijn atomen ongelooflijk snel en gedragen zij zich als biljartballen, die op elkaar afketsen wanneer zij op elkaar reageren. Naarmate je de temperatuur verlaagt (vergeet niet dat temperatuur de beweging van atomen weergeeft), gaan atomen en moleculen langzamer bewegen. Uiteindelijk, als je ongeveer 0,000001 graden boven het absolute nulpunt komt, worden atomen zo dicht opeengepakt dat ze zich gedragen als één superatoom, dat eendrachtig samenwerkt. Dit is het domein van de kwantummechanica, dus bereid je voor op een hoop rariteiten.
Dit is eigenlijk een aparte toestand van materie, bekend als het Bose-Einstein condensaat, dat niet lijkt op alledaagse waarneembare toestanden als vloeistof, gas, vast of plasma. BEC, kortweg, werd voor het eerst voorspeld in de jaren 1920 door Albert Einstein en de Indiase natuurkundige Satyendra Bose en het was pas heel laat in 1995 dat wetenschappers in staat waren om de noodzakelijke voorwaarden te produceren voor het ontstaan van deze extreme toestand van materie.
In 1999 richtte Lene Vestergaard Hau, een professor aan de Harvard Universiteit, een laserstraal door zo’n wolk van bijna bewegingsloze natriumatomen van slechts 1/125 inch lang. Eerst wordt een eerste straal, de zogeheten koppelingsstraal, op de wolk gericht, waardoor deze transparant wordt. Dit gebeurt met een extreem hoge snelheid van verandering van de brekingsindex.
Een tweede laserstraal, de sondepuls, vuurt door deze nu doorzichtige gaswolk die een brekingsindex heeft die honderd triljoen maal hoger is dan die van glas in optische vezel. Onder deze omstandigheden kroop het licht met een snelheid van maar liefst 38 mijl per uur. Paarden zijn sneller.
Drijvend licht
Zich niet op haar lauweren rustend, ging Professor Hau tot het uiterste: het stoppen van licht in zijn spoor. Om het licht helemaal tot stilstand te brengen, maakten de wetenschappers gebruik van een soortgelijk, maar veel krachtiger effect. De onderzoekers koelden een gas van magnetisch gevangen natriumatomen tot op een paar miljoenste van een graad van het absolute nulpunt (-273 graden C). De experimentele opstelling leek sterk op die van de eerste poging, maar als het team de koppelingslaser uitschakelde terwijl de sondelaser nog op de wolk scheen, dan hield de sondepuls op. Als de koppellaser dan weer wordt ingeschakeld, komt de sondepuls ongeschonden weer naar boven, net alsof hij had gewacht om zijn reis te vervolgen. Verbazingwekkend! Deze bevindingen werden in hetzelfde jaar (2001) herhaald door Dr. Ronald Walsworth van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge.
Sindsdien zijn er verschillende mijlpalen gezet. In 2013 zette een team van de Duitse universiteit van Darmstadt licht volledig stil in een kristallijne structuur en hield dit een volle minuut zo. Ze gebruikten de val ook om een beeld bestaande uit drie strepen op te slaan en vervolgens weer op te halen. “We hebben laten zien dat je complexe informatie kunt inprenten op je lichtstraal,” zei hoofdonderzoeker George Heinze. In 2015 vonden onderzoekers van de Universiteit van Glasgow een manier om de snelheid van licht te vertragen waarbij het niet door een medium hoeft te lopen. Ze veranderden in wezen indirect de snelheid ervan door het licht door een speciaal masker te laten lopen – een filter dat de bundel vorm gaf in een Gaussische of Bessel-bundel.
Nadat het door een medium is gegaan, zeg glas, water of elk soort materiaal waarvan je een filter kunt maken, wordt licht verondersteld weer te versnellen tot zijn normale constante. Het experiment toonde aan dat licht langzamer dan c kan reizen, door de vorm te veranderen. Dit was 0,001 procent langzamer dan het had moeten zijn. Niet zo indrukwekkend als licht op de rem zetten, maar toch fascinerend. Misschien is licht toch kneedbaarder dan natuurkundigen eerder dachten.
Er zijn natuurlijk praktische toepassingen voor deze ‘foefjes’. Deze omvatten kwantumcomputing en kwantumcommunicatietoepassingen. Toch lijkt het me net zo geweldig om dit soort baanbrekende wetenschap gewoon voor de lol te bedrijven.