Hvor hurtigt bevæger lys sig i rummet?

Blandt de videnskabelige teorier, der er sværest at få greb om, finder man Einsteins relativitetsteori.

Den specielle relativitetsteori fra 1905 er blandt andet baseret på et postulat om, at lyset hastighed i vakuum – altså i et lufttomt rum – er konstant. Det betyder, at den er den samme for alle iagttagere, uanset deres egen hastighed eller lyskildens hastighed.

Relativitetsteorien er blevet bekræftet i utallige videnskabelige eksperimenter, og så må man leve med, at den fører til nogle konklusioner, der virker kontra-intuitive.

For i vores dagligdag er vi vant til, at vi kan lægge hastigheder sammen – hvis vi f.eks. kører i tog med en hastighed på 100 km/t, og så går fremad i kupeen med en hastighed på 10 km/t, så bevæger vi os med 110 km/t i forhold til landjorden.

Men hvad nu, hvis toget kører med en hastighed, der er 2/3 af lysets, og vi så lyser fremad med en lygte? Vil lyset fra lygten så ikke bevæge sig med en hastighed større end – øh – lysets? Eller, som Jimmy Rasmussens spørgsmål lyder:

»Det siges, at lysets hastighed ikke kan overskride 300.000 kilometer i sekundet. Hvis vi nu i et tankeeksperiment flyver i en raket med 299.999,9999 kilometer i sekundet, stikker hovedet ud af vinduet og lyser fremad med en lommelygte, ville vi så kunne se lyset fra lommelygten bevæge sig langsomt fremad?«

Den 16-årige Einstein tænkte samme tanker

Lad os starte med at fastslå, at lyset bevæger sig med en hastighed på præcis 299.792.458 meter i sekundet i vakuum. Faktisk er det mere korrekt at sige, at en meter er den længde, som lyset tilbagelægger på 1/299.792.458 af et sekund, for da lysets hastighed netop er konstant, har man valgt at bruge denne hastighed, når man skal definere en meter.

Og lad os så høre, hvad lektor Ulrik Uggerhøj fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet har at sige om sagen:

»Det er et rigtig godt spørgsmål, som det siges, at Einstein stillede sig selv i en alder af 16 år: Hvordan ville det være at bevæge sig med lysets hastighed i samme retning som udbredelsen af lys? Umiddelbart ville man synes, at så måtte lyset stå stille.«

»Men det gør det ikke, hvilket Einstein hurtigt indså: De fysiske love for udbredelsen af lys – Maxwells ligninger – tillader ikke lys at stå stille. I det tomme rum bevæger det sig altid med de 299.792.458 meter i sekundet. Man kan således hverken øge eller sænke dets hastighed i det tomme rum, ved at lade det udsende eller modtage af noget, der bevæger sig.«

Alle eksperimenter viser det samme

Men én ting er jo, hvad Einstein tænkte sig frem til, og noget andet er, hvad man rent faktisk kan observere. Men det har Ulrik Uggerhøj også fuldstændig tjek på – faktisk fanger vi ham, mens han arbejder på et eksperiment ved forskningscenteret CERN i Schweiz, hvor man rutinemæssigt regner med Einsteins relativitetsteori. Han fortæller om lysets konstante hastighed:

»Det er et modintuitivt, men eksperimentelt meget velafprøvet, faktum. Man har for eksempel ladet partikler med 99,975 procent af lysets hastighed udsende lys, og det lys der kommer derfra, udbreder sig med den normale lyshastighed. Og astronomiske observationer giver samme konklusion.«

Denne observation er et af fundamenterne i relativitetsteorien. Det andet fundament, det såkaldte relativitetsprincip, stammer egentlig fra Galilei, og er udtrykt i mange velkendte fænomener. Det handler om, at det er umuligt at detektere, om man er i jævn bevægelse, medmindre man kigger ud og sammenligner med noget andet.

Sagt på en anden måde: Hvis man er i jævn bevægelse, er man det altid i forhold til noget andet. Hvis man ikke tager notits af omgivelserne, kan man ikke mærke eller på anden måde måle, at man bevæger sig. Så længe flyet flyver jævnt, tør man f.eks. godt købe en kop kaffe hos stewardessen. Man kan ikke se på kaffen, at man bevæger sig jævnt med 800 km/t i forhold til Jorden. For at vide det, er man nødt til at kigge ud af vinduet.

Man kan tilsvarende ikke se på lyset, at man bevæger sig, når man udsender det, heller ikke hvis man bevæger sig med en hastighed meget tæt på lysets.

Ure går langsommere og ting bliver kortere

Et ur i bevægelse går langsomt, og objekter i hastig bevægelse bliver både tungere og kortere

Ulrik Uggerhøj, fysiker

Disse kendsgerninger har nogle spøjse konsekvenser, som Ulrik Uggerhøj fortæller om: »Det faktum, at lysets hastighed altid har den samme størrelse i det tomme rum, har som konsekvens, at et ur i bevægelse går langsomt, og objekter i hastig bevægelse bliver både tungere og kortere i bevægelsesretningen.«

Men det gælder altså kun, hvis man står på sidelinjen og betragter en, der suser af sted. Når man selv bevæger sig med uret eller objekterne, ser de ud, som de plejer.

»Den første af disse relativistiske effekter indgår som et essentielt element i præcisionen for GPS-systemet. Hvis ikke der tages hensyn til relativitetsteorien ophober GPS-systemet en fejl på 11 km om dagen, så man kan tage GPS-systemets nøjagtighed som et bevis for, at relativitetsteorien er korrekt,« slutter Ulrik Uggerhøj.

Således afklaret omkring lysets konstante hastighed i det lufttomme rum takker vi for både spørgsmål og svar og sender en T-shirt til Jimmy Rasmussen – omend vi ikke tør love, at vi sender den med lysets hast.

Vi har indhentet svar på flere videnskabelige spørgsmål i Spørg Videnskaben, hvor alle er velkomne til at spørge.

Du kan også købe boghandlernes bedste jule- og mandelgaveidé; en ny bog fra Videnskab.dk med 77 af de bedste spørgsmål og svar fra Spørg Videnskaben: Hvad gør mest ondt – en fødsel eller et spark i skridtet?