Wetenschap

Verbazing alom onder natuurkundigen: licht kan achteruit lopen

1 Scene van een ruimtereis uit Star Wars. © Lucasfilm

Het is dat 1 april al voorbij is, anders zou het een geslaagde nerdgrap kunnen zijn. Maar natuurkundigen nemen momenteel verrast kennis van een experiment aan de universiteiten van Glasgow en Edinburgh dat licht achteruit laat lopen. Extra opmerkelijk is dat voor de proef niet meer nodig is dan een pulslaser, een matglazen scherm en een supersnelle camera.

"Ik dacht eerlijk gezegd dat het de zoveelste bullshit-studie was", zegt de Amsterdamse lichtfysicus Kobus Kuipers van FOM-Amolf na lezing van de paper in Scientific Advances, een online spin-off van Science. "Maar ze doen echte en elegante proeven die laten zien dat ze in zekere zin de tijdrichting in een waarneming echt kunnen omdraaien."

Bedenker van het opmerkelijke Schotse experiment is quantum- en laserfysicus Daniele Faccio van de Herriot Watt universiteit in Edinburgh. Hij realiseerde zich dat een klassiek effect voor geluid, dat ooit werd beschreven door de Britse fysicus Lord Rayleigh, ook voor licht moest opgaan.

Dat Rayleigh-effect komt er op neer dat geluid van een bron die sneller dan de geluidssnelheid beweegt in omgekeerd volgorde wordt gehoord.

Relativiteitstheorie

Een lichtbron die sneller dan de lichtsnelheid beweegt, lijkt principieel in tegenspraak met de relativiteitstheorie van Einstein, waar niets sneller dan het licht beweegt. Maar het kan wel degelijk, benadrukt Faccio's collega Mateo Clerici. "Zolang de bron geen fysieke bron voor het licht is, is er eigenlijk niks aan de hand."

Kuipers vergelijkt de situatie beelden met een golf op zee die onder een scherpe hoek op het strand aankomt. Daardoor beweegt het raakpunt met veel hogere snelheid dan de eigenlijke golfsnelheid op het water.

In het experiment raakt een brede laserpuls een glazen scherm dat onder een schuine hoek is geplaatst. Waar de laser het scherm het eerst raakt licht het scherm op, maar dat licht heeft tijd nodig om daarna de camera te bereiken. Een punt verderop op het scherm licht  wat later op, waarna ook daarvan licht naar de camera onderweg gaat.

Onverwachte effecten

Share

'Bij meer dan de lichtsnelheid gaat de vlek als het ware van achter naar voor. Alsof je klok achteruit loopt'

Onderzoeker Mateo Clerici

De Schotten laten zien dat bij heel scherpe hoeken de lichtvlek met meer dan de lichtsnelheid over het scherm beweegt. Daardoor is licht van het laatste punt dat op het scherm geraakt wordt, toch als eerste bij de camera.

Dat leidt tot onverwachte effecten, zegt Clerici. "Bij snelheden onder de lichtsnelheid zie je in video-opnames de lichtvlek gewoon van links naar rechts bewegen. Bij meer dan de lichtsnelheid gaat de vlek echter van rechts naar links. Van achter naar voor, als het ware. Alsof je klok achteruit loopt."

In een tweede experiment gebruiken de onderzoekers een gebogen scherm, zodat de invalshoek van de laser en dus de snelheid van de lichtvlek onderweg varieert. Daardoor ontstaan twee lichtvlekjes, die bij gewone snelheden naar elkaar toe bewegen, maar uit elkaar bij snelheden boven de lichtsnelheid. In het ene geval vernietigen ze elkaar, in het andere ontstaat een paar, lijkt het.

Terugreizen in de tijd

Kuipers noemt de waargenomen omkeringen fascinerend, maar waarschuwt ook voor overhaaste conclusies. 'Voordat mensen beginnen over terugreizen in de tijd, moet je je realiseren dat het hier niet om echte gebeurtenissen gaat, maar de aankomst van hetzelfde lichtsignaal. Er wordt eigenlijk geen informatie in de tijd verzonden.'

Ook Clerici denkt dat zijn experimenten niet morrelen aan de fundamenten van de natuurkunde. "Het is de demonstratie van een effect dat op papier moest bestaan, maar nooit was waargenomen." Wel geeft hij aan dat de omkering van signaalvolgordes in andere golfverschijnselen belangrijk kan zijn. In sommige situaties kunnen geologen aardbevingsgolven door reflecties achterstevoren zien binnenrollen, waardoor de verkeerde plek als epicentrum wordt aangewezen.