Bepaling lichtsnelheid altijd met gebruik van een spiegel?

[witdejesse]

Ik ben vrij nieuw in de wereld van de relativiteitstheorie en de lichtsnelheid. Ik vroeg me af of de experimenten om de lichtsnelheid te bepalen altijd zijn gedaan met gebruik van één of meerdere spiegels? En hoe weten we dan dat het licht niet even 'rust' in de spiegel alvorens te weerkaatsen? En weet je bovendien de exacte locatie van de weerkaatsing? Ik bedoel, hoe weet je dat de weerkaatsing aan het oppervlak van de spiegel gebeurt en niet een stukje daaronder?

mvg, Jesse de Wit

[Neutra]

Ole RΦmer deed het zonder spiegels. Volg de link.

[In physics I trust]

Of deze als je meer wil weten over de gebruikte methode: klik.

[eendavid]

Dergelijke metingen kunnen nu niet zonder meer aanvaard worden, om dergelijke problemen. Het meten van de lichtsnelheid met spiegels is daarom veel netter dan deze zonder spiegels. Mogelijke problemen opgesomd in de openingspost kunnen opgevangen worden door de metingen te doen bij verschillende afstanden L (een constante delay wordt zo uitgefilterd). Bij de typische interferometriemetingen wordt sowieso naar verschillen gekeken in doen de gestelde problemen zich niet voor.

[kitcar]

een andere methode zou bv een Mounbounce (EME) kunnen zijn waarbij de maan als reflector dient van radiosignalen vanaf de aarde of satelliet verzonden.

Wel moet je met een en ander rekening houden zoals de wisselende afstand aarde-maan (tussen 350K en 405K km) etc

http://en.wikipedia.org/wiki/EME_(communications)

[physicalattraction]

Het nadeel van de methode met de maan is dat we de afstand juist bepalen door gebruik te maken van een constante lichtsnelheid. Wanneer je deze afstand dus wil gebruiken om de lichtsnelheid zelf te bepalen, dan moet je eerst heel nauwkeurig die afstand meten zonder gebruik te maken van licht. Lijkt me uitdagend.

[tuander]

Ik lees even heel snel, dus een snelle vraag: een reflector is toch een soort spiegel? Dus dat geldt dan toch per definitie niet als 'meting zonder spiegel'?

[hagemot]

Wat mij altijd verbaasd aan die metingen met spiegels is de relativiteit. De spiegels staan ten opzichte van elkaar vast, dwz in rust tot elkaar. Dan is het onmogelijk om een lichtstraal te spiegelen zonder bij-effecten veroorzaakt door de spiegel zelf. Dat maakt de spiegel in elk lichtstraalmeetexperiment onbruikbaar. Lijkt me. 

[Benm]

Tja, wat heet in rust?
 
Op de maan staan een aantal retroreflectoren (een soort spiegel dat licht terugstuurt waar het vandaan kwam, feitelijk gewoon te maken met 3 gewone spiegels) die gebruikt worden om de afstand tot de maan te meten - door te kijken hoe lang het duurt voor een laserpuls vanaf de aarde weer terug komt. Gezien de maan tov de aarde beweegt staan die spiegels zeker niet stil.
 
Maar er is niet altijd sprake van spiegels: iets als GPS werkt met signalen 1 kant op. Dat het microgolven zijn en geen zichtbaar licht doet daar verder weinig aan af, je berekent de afstand tot een satelliet op basis van het ontvangen van het signaal, en de tijdcode die het signaal op het moment van verzenden mee kreeg.  

[hagemot]

Wat ik bedoel is het effect dat elke spiegel stilstaat (vast) op zijn ondergrond. Die ondergrond heeft een snelheid die (meestal) niet dezelfde is als de snelheid van de bron. Dus is het spiegelbeeld nooit exact hetzelfde als het uitgezonden originele beeld.
 
In rust is als je de spiegels tegenover elkaar hebt staan en je meet met een gesplitste lichtstraal plus interferentietralie dat er geen faseverschuiving optreedt. Dat redt je niet tussen de aarde en de maan, maar ik kan me voorstellen dat het wel kan tussen een ruimtevaartuig en de maan. Als je dan dat ruimtevaartuig weer verbindt met een laboratoriumopstelling die dezelfde snelheid registreert, dan kun je tussen aarde en maan rust krijgen, lijkt me. Dan zou je (althans theoretisch) wel kunnen bereiken dat de spiegels vast staan.
 
Maar dat neemt niet weg dat de heenwegstraal bij de spiegel een terugwegstraal wordt, waarbij het lastig is om te meten wat er gebeurt met de beweging van de bron en de beweging van de spiegel. 
 
En dan wordt het heel concreet oplosbaar en heeft de TS zijn antwoord. Want waar de lichtsnelheid alleen afneemt met de druk, zijn de lokale bewegingen alleen terug te vinden als een frequentieverschil. Waar het reële effect van de diepte van de spiegel dus is te bepalen met een fasemeter, is het reële effect van de lokale beweging te bepalen met een frequentiemeter. 

[Benm]

Er zijn plannen om een interferometer in de ruimte te bouwen, voor het detecteren van zwaartekrachtgolven. Dit wordt een systeem met 3 stations, dus geen bundel die naar een spiegel kaatst en direct terug naar zijn oorsprong. 
 
Maar wat de openigsvraag betreft, en dan met name dit:
 

En hoe weten we dan dat het licht niet even 'rust' in de spiegel alvorens te weerkaatsen? En weet je bovendien de exacte locatie van de weerkaatsing? Ik bedoel, hoe weet je dat de weerkaatsing aan het oppervlak van de spiegel gebeurt en niet een stukje daaronder?

 
Als dat het geval zou zijn dan zou de tijd niet linear afhankelijk zijn van de afstand tussen de spiegels. Stel dat het licht gewoon een seconde in de spiegel zou blijven om dan te weerkaatsen, dan duurt het 1 seconde als je pal voor die spiegel staat voor je de reflectie ziet. Zet je hem 150.000 km uit elkaar dan duurt het 2 seconden, bij 300.000 km 3 seconden etc: de relatie tussen afstand en tijd is dan niet meer evenredig. In de praktijk is dat wel het geval. 

[hagemot]

Ja; maar nu stop je er wel een zelfgemaakte maat van menselijk meten in met je ene vaste seconde. Maar wat nu als het licht een botsverlies heeft van een halve trilling? Dan is het absoluut onmogelijk om dat ooit te meten. Immers, als je pal voor de spiegel staat, duurt het een halve trillingstijd extra voor je de reflectie ziet. Zet je hem 150.000 km uit elkaar dan duurt het twee trillingstijden, bij 300.000 3 trilingstijden etc extra; de relatie tussen afstand en trillingstijd is dan beïnvloed, zonder dat de snelheid is beïnvloed. Maar wel de trillingstijd die belangrijk is veranderd; maar in heel het experiment niet gepeild wordt. Ook dit is maar een voorbeeld natuurlijk; maar het geeft aan dat het te kort door de bocht is om aan te nemen dat de behouden relatie tussen afstand en tijd bewijskracht heeft.
 
Wat het meten van andere verstoringen betreft (die jij zwaartekrachtgolven noemt), denk ik niet dat er een principieel verschil zal zijn met een interferometer die wordt gedraaid.

[Benm]

Daar heb je een valide punt natuurlijk. Een zeer kleine vertraging zou je niet opmerken, je merkt bijvoorbeeld ook niet dat de lichtsnelheid in glas lager is dan in lucht als je in de badkamerspiegel kijkt. 
 
En in theorie is dat met een gangbare spiegel ook wel het geval: het electrische veld van het foton wordt 'kortgesloten' door de geleide spiegel, en dat produceert op zijn beurt een nieuw foton dat uitgezonden wordt door de spiegel. De vraag hoe lang dat proces duurt is dan ook wel een realistische, en het antwoord erop is 'heel kort'. 
 
Als je de afstand tot een spiegel in de orde van millemeters wilt bepalen is het compleet insignificant, maar als je het met de precisie van een golflengte oid wilt bepalen is het wellicht een ander verhaal. 
 
Hoeveel het precies is durf ik niet te zeggen, maar je zou dat kunnen uitzoeken door te werken met fotonen met een veel lagere energie (cq langere golflengte) als radiogolven. Als je pakweg een radiosignaal neemt met 1 meter golflengte (300 MHz) moet het ergens uit te vogelen zijn hoeveel vertraging de reflector oplevert. Praktisch is dat dan weer lastig gezien het detecteren van 1 foton van een dergelijk lage energie ondoenlijk is. 

[hagemot]

Uh, maar waarom zeg je "een zeer kleine vertraging"? Je hebt waarschijnlijk gelijk met je fotonenergiebenadering, maar sinds wanneer wordt een frequentie of golflengte beschouwt als iets van snelheid? Je verschil is dus normatief 'nul'. Stel je nu eens theoretisch voor dat het transversale effect van een lichtdeeltje een soort van torsie is. Gewoon even gedachtenexperimenteel; het is niet mijn standpunt. Hoe zou je dat preciezer willen meten, als je het effect niet eens zoekt, en er ook geen meetapparaat voor hebt? Het begint ermee te zien dat er met dat deeltje iets is dat nog niet verklaard is. 

[Benm]

Ik weet niet wat je precies wilt meten, maar stel dat je vraag is of spiegels licht vertragen of niet, dan zou je het volgende kunnen doen:
 
Bouw een opstelling met een lichtbron en beamsplitter, en zet het zodanig op dat 1 bundel door 1 spiegel gereflecteerd wordt, en de andere precies dezelfde lengte aflegt via meerdere spiegels. Beide bundels komen op een detector terecht. Als je nu een lichtpuls stuurt zou je een verschil in tijd om de gegeven afstand te overbruggen moeten zien afhankelijk van of het het pad met 1 spiegel is, of het pad met meerdere spiegels. 
 
Je kunt dat experiment ook doen met meerdere padlengtes maar dezelfde spiegels, bijvoorbeeld eerst met een pad van 1 meter, en daarna 10 of 100 meter of iets dergelijks. Door te vergelijken hoe lang het licht erover doet deze paden te volgen kun je concluderen welke vertraging gevolg is van de spiegels, en welke van domweg de lengte van het pad. 
 
De uitkomst van een dergelijk experiment weet ik overigens niet - om het goed te doen moet je extreem nauwkeurig werken en first surface mirrors gebruiken, bij "normale" spiegels verlies je al snelheid als het licht door glas gaat ipv door lucht/vacuum. Die first surface mirrors en beamsplitter zijn redelijk verkrijgbaar (veel gebruikt in de laser(show) industrie, maar ook spiegels voor tandartsen etc). De nauwkeurigheid van de opstelling is echter wel heel lastig: je moet de spiegels positioneren met een fout kleiner dan de golflengte als je zoekt daar vertragingen in de orde grootte van de frequentie. Een optisch pad bouwen van een meter lang met een fout kleiner dan zeg 1 micrometer is behoorlijk lastig. 
 
Bij een interferometer oid zou je dat doen door het bij te stellen zodanig dat beide paden even lang zijn voor een foton, maar dat zou compenseren voor een vertraging in de spiegels, precies hetgene wat je hier wilt onderzoeken.