Meer dan een eeuw geleden ontdekte Einstein een paradox in het voorspelde gedrag van spiegels die met de lichtsnelheid reizen. Mogelijk is deze paradox nu opgelost.
In 1905 ontdekte Albert Einstein een paradox in een gedachte-experiment over spiegels die zich met de snelheid van het licht voortbewegen. Nu hebben nieuwe berekeningen deze paradox mogelijk ontrafeld.
‘Als je op internet zoekt naar ‘Wat zie je in een spiegel die met de snelheid van het licht beweegt?’, vind je heftige discussies op natuurkundefora. Gek genoeg is geen van de voorgestelde antwoorden correct’, zegt natuurkundige Sergei Bulanov van de ELI Beamlines Facility in Tsjechië.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Volgens Bulanov volgt uit Einsteins speciale relativiteitstheorie dat licht dat weerkaatst wordt door een spiegel die met de lichtsnelheid beweegt een oneindige intensiteit en amplitude heeft (gezien vanuit iemand die zelf niet met de spiegel meebeweegt). Maar Einsteins formules leiden tevens tot een andere uitkomst: dat elk object dat met zo’n hoge snelheid beweegt transparant wordt, en dus helemaal geen licht reflecteert.
Plasmaspiegels
Bulanov en zijn collega Timur Esirkepov van het National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology in Japan denken nu dat ze deze paradox hebben opgelost. Hun verklaring verschijnt binnenkort in wetenschappelijk tijdschrift Physical Review E.
Volgens hen is het probleem dat de spiegel die Einstein zich voorstelde niet kan bestaan. Er zou namelijk een oneindige hoeveelheid energie nodig zijn om een gewone glazen spiegel met de snelheid van het licht te laten bewegen.
De onderzoekers bestudeerden daarom een haalbaarder alternatief: spiegels gemaakt van plasma’s, oftewel mengsels van ionen en elektronen. Zulke spiegels zijn al geproduceerd in experimenten met ongelooflijk krachtige lasers. Wanneer deze lasers op bepaalde materialen worden gericht, creëren ze plasma’s met lokale verstoringen. Die verstoringen reflecteren licht als een spiegel en bewegen extreem snel door het plasma, bijna net zo snel als het licht.
Driedimensionaal
Deze echt bestaande spiegels verschillen op een cruciaal punt van de geïdealiseerde spiegels van Einstein: ze zijn niet twee-, maar driedimensionaal. Dat betekent dat achter het reflecterende oppervlak van de spiegel ook plasma zit.
Bulanov en Esirkepov ontdekten dat de eigenschappen van de 3D-plasmaspiegel als geheel kunnen variëren, evenals de eigenschappen van het licht dat erop valt. In sommige scenario’s wordt het licht intens gereflecteerd. In andere scenario’s wordt het licht doorgelaten. In weer andere scenario’s vormt het licht een golf waarvan de pieken en dalen niet vooruitbewegen, maar alleen in de buurt van de spiegel op en neer gaan.
Lege ruimte opsplitsen
Natuurkundige Brendan Dromey van de Queen’s University Belfast in het Verenigd Koninkrijk zegt dat deze nieuwe theorie binnenkort getest zou kunnen worden, omdat steeds meer faciliteiten extreem sterke lasers gebruiken. Als plasmaspiegels echt zodanig gemaakt kunnen worden dat ze zeer intens licht reflecteren, zou dat volgens Dromey kunnen leiden tot nieuwe beeldvormingstechnieken, vergelijkbaar met krachtigere röntgenstraling. Het intense licht zou volgens hem ook ons begrip van fundamentele natuurkunde kunnen vergroten door ogenschijnlijk lege ruimte op te splitsen in de deeltjes-antideeltjesparen waaruit die ruimte in werkelijkheid is opgebouwd.
De aannames die Bulanov en Esirkepov deden over de 3D-vorm van de plasmaspiegel kunnen de spiegel nog steeds te veel versimpeld hebben, waarschuwt natuurkundige Stefan Haessler van het Polytechnisch Instituut van Parijs. Toch vindt hij het werk waardevol, omdat er nog maar weinig wiskundig exacte studies van de situatie zijn.
Bulanov en Esirkepov bereiden nu een experimentele test van hun ideeën voor. Die test zal plaatsvinden in een laboratorium met krachtige lasers in Tsjechië.
