Lichtsnelheid en interferentie

Anne stelde deze vraag op 11 september 2023 om 13:12.

Hallo,
Ik heb een vraag over de lichtsnelheid en de effecten die optreden zoals bij het experiment van Michelson en Morley en de speciale relativiteitstheorie van Einstein.
Ik las dat het experiment van M&M mislukt was omdat ze dachten dat in hun apparaat het licht dat met de aarde mee beweegt er langer over zou doen dan licht dat tegengesteld gaat. Ze zouden interferentie moeten waarnemen en daaruit zou dan de lichtsnelheid berekend kunnen worden. Toen bleek dat licht in alle richtingen gewoon even snel gaat en optellen of aftrekken van snelheden niet opgaat. Einstein bedacht toen zijn theorie en bepaalde de lichtsnelheid.
Ik ging toen op internet kijken wat er nog over te vinden was. Daar las ik over het zogenaamde Sagnac-effect. Ik heb het niet allemaal bekeken, maar wel las ik dat er wel een interferentie optreedt in opstellingen die vergelijkbaar zijn met de van M&M. Dat is wel gek. Kunt u vertellen hoe dat zit. Niet helemaal precies hoeft dat, maar enerzijds wordt gezegd dat er nooit interferentie zal optreden, maar als je een vergelijkbaar experiment doet met spiegels en draaiende opstellingen (waarbij dan dus juist niks meer zou moeten gebeuren) ontstaat blijkbaar volgens Sagnac wel toch iets. Er schijnt veel over geschreven te zijn, maar dat heb ik uiteraard niet bestudeerd. Ik zou het leuk vinden als u iets meer kunt vertellen hoe dat zit.

groeten van
Anne
 

Reacties

Jaap op 11 september 2023 om 15:20
Dag Anne,
a. De meest bekende experimenten van Michelson en Morley (M&M) waren bedoeld om te onderzoeken of de aarde in rust is ten opzichte van de 'ether', het veronderstelde medium waarin lichtgolven zich voort zouden planten.
In zo'n experiment volgt het licht tegelijkertijd verschillende wegen, die loodrecht op elkaar staan. Het licht van beide wegen komt samen bij een kijker, waarin wel degelijk een interferentiepatroon zichtbaar wordt doordat de optische weglengte van beide wegen niet exact gelijk is. Bij draaiing van het gehele toestel verwachtten M&M een verandering van het interferentiepatroon, aangezien de twee wegen gedraaid waren ten opzichte van de ether.
Zo'n systematische verandering van het interferentiepatroon werd echter niet waargenomen: vrijwel nul verandering. Dit is een van de beroemdste 'nulresultaten' uit de geschiedenis van de natuurkunde. Gewoonlijk wordt dit niet beschouwd als een mislukt experiment; het resultaat was alleen dat de hypothese van M&M over de ether niet werd bevestigd. Samen met andere experimenten leidde dit bij veel natuurkundigen vroeg of laat tot het inzicht dat de ether niet bestaat.
Het is niet eenduidig gebleken dat Einstein kennis had van deze experimenten van M&M toen hij in 1905 de speciale relativiteitstheorie publiceerde. Einstein is vooral gemotiveerd door verschijnselen op het gebied van elektriciteit en magnetisme, en door optische experimenten (aberratie van sterlicht, experimenten van Fizeau met licht door stromend water). De experimenten van M&M konden goed worden beschreven met de speciale relativiteitstheorie en waren een extra aanwijzing voor de juistheid van Einsteins theorie.
Overigens was het dezelfde Michelson die in eerdere, afzonderlijke experimenten de lichtsnelheid met grote nauwkeurigheid mat.

b. Interferentie kan ook optreden in een vacuüm ringvormig kanaal, als licht in tegengestelde richtingen de ring doorloopt. Als de ring stilstaat, is er al een interferentiepatroon doordat de optische weglengte in de twee richtingen niet exact gelijk is. Bij het Sagnac-effect draait de ring in zijn geheel met een geringe, constante draaisnelheid. Dit leidt tot een verandering van het interferentiepatroon, en hieruit kan de draaisnelheid van de ring nauwkeurig worden bepaald. Meting van de draaisnelheid met het Sagnac-effect gebeurt bij voorbeeld in satellieten en vliegtuigen. Metingen aan het Sagnac-effect waren niet bedoeld om de lichtsnelheid te bepalen.
Het Sagnac-effect kan zowel met de pre-relativistische optica als met de speciale relativiteitstheorie worden beschreven, mits de ring niet te snel draait.
Er ontstaat soms verwarring als men bij de relativistische beschrijving van het Sagnac-effect 'c+v' en 'c–v' ziet, met c is de lichtsnelheid en v is de omtreksnelheid van de draaiende ring. Op het eerste gezicht wordt hier v opgeteld bij en afgetrokken van de lichtsnelheid, die dan niet in alle richtingen even groot zou zijn. Dit is een misvatting: c+v en c–v zijn eenvoudig het tempo waarin de afstand langs de omtrek afneemt. Er beweegt geen materie of signaal met een snelheid c+v en c–v.
Bij het Sagnac-effect is overigens geen sprake van een Dopplereffect.
Groet, Jaap

https://nl.wikipedia.org/wiki/Sagnac-effect
Anne op 12 september 2023 om 10:35
Heel veel dank voor het uitvoerige antwoord. Heel duidelijk allemaal en interessant, maar ik moet het wel even goed lezen, want het is best wel complex. Dat het onderzoek ook ging over het wel of niet bestaan van een ether, heb ik inderdaad ook begrepen.
Het vreemde is dat vrijwel overal wordt beweerd dat uit de experimenten van M&M volgde dat v+c = v-c , maar dat is dus niet zo ? Is dat de reden van de interferentie ? Of ontstaat het als gevolg van iets anders. Waardoor is er toch een verschil in weglengte ? Dat is me nog niet helemaal duidelijk.
anne 
Jaap op 12 september 2023 om 14:17
Dag Anne,
Beweringen dat v+c=v–c volgt uit de experimenten van Michelson en Morley?
Hierover kan ik nu niets zeggen, onwetend wat er precies is beweerd met welke uitleg.

De oorzaak van interferentie is het samenspel van gelijkaardige golven in een punt.
Interferentie kan met allerlei soorten golven optreden: ook met geluid of watergolven.
Interferentie is niet specifiek iets van licht of lichtsnelheid of relativiteitstheorie.

In de experimenten van Michelson en Morley volgde licht twee verschillende wegen. Aan het eind van beide wegen kwamen de lichtgolven samen en werd een interferentiepatroon van lichte en donkere strepen waarneembaar met een kijker. Of vereenvoudigd: er ontstond een patroon op een scherm. De optische weglengte langs de twee wegen verschilt van punt tot punt op het scherm, zoals de afstand Amsterdam-Utrecht via plaats X verschilt van de afstand Amsterdam-Utrecht via plaats Y. Door het verschil in optische weglengte ontstaat hier een lichte streep en daar een donkere streep op het scherm (in de kijker).
Groet, Jaap

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Noortje heeft achtentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Noortje nu over?

Antwoord: (vul een getal in)