Lys strømmer ut av den nye konsertsalen i Hamburg under åpningen i januar 2017.

Hva betyr det at lysets hastighet er konstant?

Lysets hastighet er grunnleggende for universet vårt. Men hvordan kan lyset gå like fort overalt og hva betyr det?

16.1 2017 04:00

Som journalist i forskning.no har jeg har skrevet mange artikler om stjerner og radiosignaler langt, langt unna, men en ting har alltid plaget meg litt.

Lyshastigheten er nøyaktig 299 792 458 meter per sekund. Ikke noe komma, ikke noe slingringsmonn.

Er det virkelig mulig at det er så nøyaktig? Hver eneste gang man måler?

Meteren og lyshastigheten

Svaret er ganske enkelt ja. Det er så nøyaktig, og det ble bestemt i 1983 at hastigheten skulle være 299 792 458 meter per sekund. Men dette tallet er så nøyaktig nettopp fordi selve meteren er basert på lyshastigheten.

Her snakker vi alltid om hastigheten lys som reiser gjennom vakuum. Lys som reiser gjennom for eksempel glass eller luft går akkurat like fort, men lyset blir påvirket av atomene i materialet, og veien gjennom blir «forstyrret». Dermed tar det lengre tid for lyset å reise gjennom materialet

En meter er definert som avstanden lyset reiser på 1/299 792 458-dels sekund. Derfor vil det alltid være et helt tall, uten noen kommaer eller slingringsmonn.

Denne merkelige og fascinerende avgjørelsen ble tatt på den 17. generalkonferansen for mål og vekt i 1983. Da mente representantene at lyshastigheten og sekundet var såpass godt definert og kunne måles så å si likt hver gang.

Ti år før denne konferansen var det kjent at lyshastigheten var 299 792 456,2 pluss/minus 1,1 meter per sekund. Disse målingene ble gjort med laserinterferometer og atomklokker, og flere målinger gjorde hastigheten enda mer nøyaktig.

Den siste lille usikkerheten kom faktisk fra selve definisjonen på meteren som rett og slett ikke var god nok, ifølge Scientific American.

Siden 1960 hadde meteren vært definert som et visst antall bølgelengder i stråling fra et krypton-atom. Meteren har hatt mange definisjoner, men ingen var egentlig nøyaktige nok.

Den første kom i 1793, og var definert som en timillionersdel av avstanden mellom ekvator og Nordpolen.

Men i 1983 mente de som bestemmer over målenhetene våre at lyshastigheten var godt nok målt, og knyttet meteren direkte til lyshastigheten. Dette skaper en litt merkelig situasjon, siden vi aldri kan få nye målinger av lyshastigheten, siden meteren er en grunnleggende måleenhet i SI-systemet

Hvis vi skulle gjort det, måtte vi ha hatt en annen definisjon av meteren som ikke var avhengig av lyshastigheten, som fysikeren Chris Oates skriver i denne artikkelen.

Men hva betyr dette? Vi mennesker har bestemt at lyshastigheten har en verdi, i et system som vi selv har funnet på. Men uavhengig av meter, sekunder og franske målebyråer er lyshastigheten den samme overalt, uavhengig av hvem som måler den, ifølge Einstein.


En av de originale meter-prototypene i Paris. Denne er i Vaugirard i Paris, og ble satt opp på slutten av 1700-tallet. (Foto: Ken Eckert/
CC BY-SA 4.0
)

Dobbeltstjerner

Det er lett å glemme, men lyshastigheten er konstant uansett retning eller kilde.

– Dette er svært lite intuitivt, sier Øyvind Grøn til forskning.no. Han er professor i fysikk ved Høgskolen i Oslo og Akershus, og har forelest om Einsteins teorier i mer enn tre tiår.

Hvis du sitter på taket av en bil som kjører og kaster en ball, vil ballen oppføre seg ganske forskjellig hvis du kaster den mot eller med retningen som bilen kjører i (la oss droppe luftmotstand for å gjøre tankeeksperimentet litt greiere). Hvis du kaster den framover, vil ballen gå i bilens hastighet pluss hastigheten ditt kast gir ballen.

Hvis du kaster den bakover, vil ballen gå i bilens hastighet, minus den hastigheten du påfører ballen. Den vil kanskje bare dette rett ned bak bilen.

Men hvis ballen hadde oppført seg som fotoner som går i lyshastigheten, ville den nådd samme hastighet uansett om du kastet den framover, bakover eller opp. Den går bare i én hastighet, hele tiden, uavhengig av retning og kilde. Det spiller ingen rolle om bilen du sitter på beveger seg. 

– Dette ble først vist for rundt hundre år siden. Da ble Einsteins teorier testet ved å observere dobbeltstjerner, to stjerner som går i bane rundt hverandre, forteller Grøn.

Dette kalles De Sitters dobbeltstjerneeksperimenter, og ble utført i 1913 av den nederlandske astronomen Willem de Sitter.

Når to stjerner går i bane rundt hverandre, vil en stjerne være på vei vekk fra deg, mens den andre er på vei mot deg. Hvis lysets hastighet var avhengig av kilden, på samme måte som ballens hastighet i eksempelet med bilen over, vil lyset som sendes ut av stjernen som er på vei vekk gå saktere, sammenlignet med lyset fra stjernen som er på vei mot deg.

Hastighetsforskjellen ville skapt store forskjeller på lyset fra de to dobbeltstjernene. Lyset fra de to stjernene ville kommet til jorden på forskjellige tidspunkt, og dermed være ute av synk med hverandre.

– Man kan relativt enkelt finne ut at lyset fra de to stjernene har nøyaktig samme hastighet når de treffer oss, forteller Grøn.

Absolutt?

Lysets hastighet er dermed den samme overalt, men det er noen viktige unntak til hvordan lyset oppfattes.

– Dette er en lokal effekt, forteller Øyvind Grøn.

– Lysets hastighet vil alltid være det samme for en observatør som måler lyset der man selv er.

Men her blir det forvirrende. Hvis lys på vei fra A til B går innom et veldig massivt objekt, for eksempel solen, vil dette lyset bruke lengre tid på reisen enn hvis lyset ikke var innom et massivt objekt.

Dette kalles Shapiro-effekten. Lyset må gjennom det massive tyngdefeltet rundt solen, og massive tyngdefelt sakker rett og slett ned tiden.

Fenomenet ble grundig illustrert i science fiction-filmen Interstellar. Her drar hovedpersonene ned på en planet som ligger farlig nærme et ekstremt massivt sort hull.

På denne planeten oppfattes tiden normalt, men på romskipet, som ligger utenfor tyngdefeltet, går det flere tiår. Poenget er at tiden ikke oppfattes forskjellig på hverken planeten eller romskipet.

Det samme gjelder for lyset som reise gjennom tyngdefeltet. Nede i tyngdefeltet er lysets hastighet det samme som det alltid har vært, men fra utsiden vil det oppfattes som at lyset går saktere, fordi selve tiden går saktere.

– Men lysets hastighet vil være den samme, uansett hvor du befinner deg, sier Grøn.

Universets fartsgrense

Selv om vi kaller det for lysets hastighet, er det ikke bare lyset som beveger seg i denne vanvittige hastigheten.  I fysikken betyr ikke lys bare synlig lys, her mener vi all elektromagnetisk stråling.

Dette inkluderer blant annet røntgenstråler, mikrobølger, radiobølger og synlig lys. Alt er en del av det elektromagnetiske spektrumet, og alt beveger seg i lysets hastighet. 

Denne strålingen består av fotoner, som ofte kalles små energipakker. Fotonene oppfører seg både som bølger og partikler, noe det berømte dobbeltspalte-eksperimentet har vist.

Youtube-brukeren Veritasium har laget en video om dobbeltspalte-eksperimentet, som du kan se under.

Ifølge Einstein er det nesten ingenting som kan reise i lysets hastighet. Hvis noe har masse, som nesten alle ting i universet, kan det ikke gå i lysets hastighet. Det ville krevd absurde mengder energi for å skape den nødvendige akselerasjonen.

Men fotoner har ingen masse. Den er lik 0. Da har ikke fotonet noe valg. De må alltid gå i lysets hastighet.

Men hvorfor er det sånn?

– Det er nok ingen som har et veldig dypt svar på dette, sier Øyvind Grøn.

– Den skotske matematikeren James Clerk Maxwell var den første som viste matematisk at elektromagnetiske bølger reiser i denne hastigheten.

Maxwells ligninger viste at elektrisitet, magnetisme og lyshastighet var uløselig knyttet til hverandre. Vi skal ikke gå dypere ned i utregningene til Maxwell, men han viste at tomrommet har visse egenskaper som sier at lys må bevege seg i denne hastigheten.

– Vi kommer ikke noe nærmere enn denne forståelsen, sier Øyvin Grøn.

Men denne fartsgrensen sier noe helt grunnleggende om universet vi lever i. Fartsgrensen dukker nemlig opp i en annen sammenheng som ikke har noe med lys eller elektromagnetisk stråling å gjøre.

Hvis du vil vite mer om Maxwells ligninger og dykke enda dypere ned i lysfarten, kan du se denne strålende videoen av PBS Space Time:

Tyngdekraftens hastighet

– Gravitasjonsbølger beveger seg i lysets hastighet. De kunne ha gått i en hvilken som helst fart, men de går i den samme farten som elektromagnetisk stråling.

Helt siden Einsteins teorier har forskere sagt at gravitasjonsbølger eksisterer, men de ble ikke påvist før i fjor.

Men det er vanvittig å tenke på at de beveger seg akkurat like fort som lyset. Gravitasjonsbølger er bølger i selve romtiden, og det må ekstremt kraftige hendelser til for at vi skal kunne måle dem. Gravitasjonsbølgene som ble registrert i fjor kommer fra en kollisjon mellom to sorte hull som gikk i bane rundt hverandre.

– Det kan selvfølgelig være en tilfeldighet, men det er helt bemerkelsesverdig. Det kan tyde på en dyp sammenheng mellom gravitasjon og elektromagnetisme som vi ikke har klarlagt enda.

Dette betyr også at endringer i tyngdefeltet går i lysets hastighet. Hvis solen forsvant nå, ville jorden fortsette å gå rundt solen som om ingenting hadde skjedd i åtte minutter til.

En teori om hvorfor gravitasjonsbølger går i akkurat denne hastigheten, er at gravitasjon har sin egen elementærpartikkel, kalt graviton.

– Hvis denne partikkelen er masseløs, på samme måte som fotonet, vil den gå i lysets hastighet.

Men dette er en del av kvantefeltteori, og ingen har påvist at det eksisterer et graviton enda.

– Hvis det finnes en tilsynelatende sammenheng mellom to fenomener, bør det finnes en dyp sammenheng mellom fenomenene, sier Grøn.

En liten bonus til deg som har vært med gjennom hele artikkelen. Lysets hastighet er kjent, men hva er egentlig mørkets hastighet? Svaret finner du i videoen under:

 

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.