Waarom kun je lichtsnelheid meten met een magnetron en chocolade?
Het is een magische term die vaak voorkomt in science fiction, hij komt voor in de beroemde formule E=mc2 en volgens Einstein is het niet mogelijk om sneller te gaan dan dit: de lichtsnelheid. Het is al eeuwen bekend dat de snelheid van licht eindig is en gemeten kan worden. Onlangs bedacht iemand een wel heel moderne en leuke manier om de snelheid van het licht te meten: met behulp van een stuk chocolade en een magnetron. Het werd een hype op internet en ook De Wereld Draait Door pikte het op (vanaf 27:20). WRM kun je met deze alledaagse voorwerpen de lichtsnelheid meten? En belangrijker: hoe doe je dit zelf thuis?
Wie gingen je voor?
In het alledaagse leven heb je het idee dat licht zich ogenblikkelijk verplaatst en dat het dus met bijna oneindig hoge snelheid moet bewegen. Toch bleek al vroeg dat de snelheid eindig is en gemeten kan worden. De eerste meting van de snelheid van licht werd gedaan in 1676 door de Deense astronoom Ole Rømer (aldus wikipedia). Daarna zijn er door vele anderen (o.a. de Nederlandse wetenschapper Christiaan Huygens) metingen gedaan. Tegenwoordig meet bijna elke natuurkundestudent in het eerste jaar de lichtsnelheid met behulp van een prachtige opstelling van lasers en spiegeltjes.
Na vele metingen kwam men erachter dat er iets bijzonders is met licht: het gaat altijd even snel. Remmen voor een stoplicht zit er voor een laserstraal dus niet in. Het feit dat de snelheid van licht een constante is, is één van de inspiratiebronnen geweest voor Einsteins relativiteitstheorie.
Het recept voor de lichtsnelheidsmeting
Maar hoe kun je nu zelf thuis deze bijzondere constante meten? Zoals gezegd hebt je hier enkel een magnetron en een stuk chocolade voor nodig (niet opeten! Dat mag na het experiment). Om te beginnen moet je ervoor zorgen dat het bord waarop je de chocolade de magnetron zet niet rond kan draaien, dus haal de draaischijf eruit. Zet vervolgens het bord in je beste keukenvriend en zet hem twintig seconden aan (bij goedkope magnetrons moet het wat langer, maar let op dat je niet eindigd met chocoladesaus). Als je het bord er nu uit haalt kun je zien dat de chocolade op een aantal punten gesmolten is. Meet de afstand tussen deze plekken en onthoud dit getal goed.
Nu komen we bij de natuurkunde. Licht is straling en de straling waarmee je je diepvriesmaaltijd opwarmt is dus ook licht (al is het voor ons niet zichtbaar). Deze magnetronstraling beweegt ook met de lichtsnelheid en kun je je voorstellen als een golf. De golfbeweging is een trilling die ervoor zorgt dat je eten ook gaat trillen (en die trilling ervaren wij als warmte).
Op de plekken waar de magnetrongolf een top (of een dal) heeft is de verhitting maximaal, en precies daar tussenin wordt je maaltijd helemaal niet verhit. Dat is de reden dat je opgewarmde lasagne op sommige plekken loeiheet is terwijl andere nog steenkoud zijn. Zoals je in de illustratie kunt zien, zit er een halve golflengte tussen een top en een dal. Omdat dit de hete plekken van de magnetron zijn, zal de chocolade daar als eerste gaan smelten. Als je de afstand tussen twee gesmolten plekken meet, meet je dus een halve golflengte. We zijn er nu bijna! We weten namelijk de golflengte van onze magnetrongolf!
En nu? Nu ga je opzoek naar de frequentie die jouw magnetronstraling heeft (dit staat meestal achterop en verschilt per model). Die frequentie wordt gemeten in Hertz (Hz) of Megahertz (MHz, wat 1.000.000 Hz is). Hoe komen we nu bij de snelheid van licht? De snelheid van een golf kun je berekenen met de volgende formule: snelheid = frequentie (Hz) x golflengte. Vul nu de frequentie van je magnetron en vermenigvuldig die met je gemeten golflente in; dan vind je (hopelijk) een getal dat erg veel lijkt op de lichtsnelheid: 299.792.458.000 centimeter per seconde of 299.792.458 meter per seconde (als je de afstand tussen de gesmolten punten gemeten hebt in meters). Toegegeven, het is wat prutswerk, maar je hebt nu wel de snelheid van het licht gemeten! Bovendien heb je een prima excuus om aan de chocoladefondue te gaan. Zie hier een filmpje over dit fenomeen.
Leuk weetje:
Aangezien de snelheid van het licht tegenwoordig zo nauwkeurig bekend is, wordt hij gebruikt om de exacte lengte van een meter te definiëren.
