'Kan je licht vastpakken?' en andere weetjes over licht

Professor Philippe Smet (faculteit Wetenschappen, vakgroep Vastestofwetenschappen) doet al twintig jaar onderzoek naar licht. Dé man dus om uit te leggen wat licht precies is.

Wat is licht?

“Dat is niet zo eenvoudig uit te leggen (lacht). De standaarduitleg is dat licht een vorm is van elektromagnetische straling die zichtbaar of onzichtbaar kan zijn. Je kan het een beetje vergelijken met een golf in een vijver. Je gooit iets in het water en dan ontstaan er golven. Maar die golven zijn eigenlijk geen water dat zich verplaatst, maar energie onder de vorm van op en neer bewegende moleculen. Een lichtdeeltje of foton is een energiepakketje.”

Bestaat er onzichtbaar licht?

“Voor ons als mens wel, namelijk de elektromagnetische straling die buiten het zichtbare kleurspectrum valt. Het gaat dan om UV-licht, infraroodlicht, maar evengoed over X-stralen en micro- en radiogolven. Sommige dieren kunnen wel UV-licht zien, zoals bijen. Onze ooglens houdt het nabije UV-licht tegen. Insecten hebben zo geen blokkerende lens.”

Maakt licht geluid?

“Nee. Een lichtbundel maakt normaal geen geluid, aangezien de lichtdeeltjes de moleculen in de lucht niet aan het trillen brengen. Je kunt bij heel krachtige lasers die door materialen snijden of ze doen smelten wel een geluidseffect krijgen. Het geluid dat je hoort is het gevolg van wat je doet met het licht en niet van het licht zelf.”

Kunnen we leven zonder licht?

“De vraag hierbij is: wie is ‘we’? In de diepzee of in grotten zien we soms vreemde creaturen opduiken die nooit licht hebben gezien. Sommige micro-organismen overleven ook op voedsel of een energiebron waar geen licht aan te pas is gekomen. De mens kan eigenlijk niet leven zonder licht. Je zou wel kunnen overleven in een donkere ruimte, maar ons voedsel is afkomstig van fotosynthese door planten. En fotosynthese kan enkel gebeuren met licht. We zijn als mensheid ook nog lang niet in staat om te overleven op kunstlicht. Stel dat een reusachtige meteoriet inslaat op aarde met een jarenlange verduistering tot gevolg, dan krijgen we door mislukte oogsten te maken met voedseltekort. Dat houden we even vol, maar geen jaren aan een stuk. Van de zon krijgen we ook bijzonder veel energie via het zonlicht. Ter vergelijking: de zon levert aan de aarde op één uur meer energie dan wat we nu op een heel jaar aan energie verbruiken, voor zowel elektriciteit, verwarming, industrie en vervoer. Straf, hé! Het zou dus tegenvallen mochten we zelf overal in daglicht moeten voorzien…”

Waarom gaat licht zo snel?

“Licht is het snelste wat er bestaat, het gaat wel een miljoen keer sneller dan geluid vooruit gaat in lucht. Maar het is best traag als je het afzet tegen de afstanden in het heelal. Het zou een dikke seconde duren voor een signaal van de aarde tot de maan geraakt, maar bel je naar Mars, dan mag je al 6 tot 40 minuten wachten voor het signaal heen en terug is gekeerd. De radiogolven die we gebruiken om in de ruimte te communiceren bewegen immers ook ‘maar’ aan de lichtsnelheid, want ook radiogolven zijn een vorm van elektromagnetische straling, zoals zichtbaar licht. Het licht van de dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri, doet er vier jaar over om tot hier te raken. Het probleem is dat je dus niet sneller kan communiceren dan de snelheid van het licht, wat communicatie bij ruimtereizen niet evident maakt. Je kan wel milliseconden winnen. Beleggers bijvoorbeeld kiezen voor het kortst mogelijke internetpad, en dus de kortste optische vezel, om zo net dat tikkeltje sneller hun slag te kunnen slaan.”

Waar gaat licht heen?

“Licht gaat in principe altijd rechtdoor. Met telescopen zien we vandaag licht dat al miljarden jaren rechtdoor vliegt. Maar licht kan wel gestopt worden, omdat het bijvoorbeeld geabsorbeerd wordt door een (zwart) voorwerp. Dan verandert lichtenergie in warmte. Licht kan ook van richting veranderen als het van de ene stof naar de andere gaat - denk aan een lens - en dan verandert ook de snelheid van het licht. Licht dat door glas of plastic gaat, doet dat tegen een lagere snelheid: zo’n 200.000 km/seconde in plaats van 300.000 km/seconde in lucht. Van zodra het licht door het materiaal heen is, gaat het verder - rechtdoor - aan de originele snelheid.”

"Dat licht in de ruimte altijd rechtdoor vliegt, is wel niet helemaal correct. Sinds Einstein algemene relativiteitstheorie weten we dat licht afgebogen wordt door zware objecten, zoals zwarte gaten en sterrenstelsels. Daardoor zien sterrenkundigen aan de hemel soms meerdere kopieën van hetzelfde sterrenstelsel, als er zich zo'n zwaar object bevindt tussen ons als waarnemer en dat sterrenstelsel. Hetzelfde effect maakt ook dat er geen licht uit een zwart gat kan ontsnappen."

Kan je licht vastpakken?

“Tuurlijk. Als je licht absorbeert, bijvoorbeeld met een zwart voorwerp, dan heb je het lichtdeeltje vastgepakt. Maar dan is het ook weg, want het is omgezet in warmte. Ook als je licht laat reflecteren, bijvoorbeeld tussen twee perfecte spiegels, kan je het ‘opsluiten’. Zo werken glasvezelkabels eigenlijk. De kabels bestaan uit dunne glazen draadjes waarin licht heel de tijd tegen de wanden reflecteert, zonder verlies, waardoor de optische internetsignalen heel snel heel ver geraken. Je kan licht ook nog vangen op een andere manier, namelijk door het sterk te laten vertragen. Maar dat kan enkel met speciale materialen zoals fotonische kristallen of heel koude atomen. Onder wetenschappers worden wel eens wereldrecordpogingen licht vertragen georganiseerd (lacht). Door de interactie tussen materie en licht kan licht wel met een factor van een miljard vertraagd worden. Trager licht zou kunnen helpen om in de toekomst computers op licht in plaats van op elektriciteit te laten draaien, maar zo ver zijn we nog niet.”

Leuk weetje: de gele kleur van de zon zoals wij die zien wordt beïnvloed door de atmosfeer. Als je naar de zon zou kijken vanuit de ruimte, dan straalt die een wit licht uit, vergelijkbaar met een fietslicht.

Kunnen we licht maken?

“Dat kan op twee manieren. De eerste manier is door opwarming. We weten dat een voorwerp bij een bepaalde temperatuur elektromagnetische straling uitstuurt. De zon warmt, door kernreacties in het binnenste van de zon, aan de buitenkant op tot een temperatuur van zo’n 5.000 graden Celsius en stuurt licht uit. Je zou dus de zon kunnen namaken, met dezelfde kleur en kleurspectrum, als je een voorwerp opwarmt tot 5.000 °C. De kleur is dan eerder koudwit, zoals een led fietslicht. We zijn er alleen nog niet in geslaagd om lampen tot die temperatuur op te warmen omdat alle geleidende materialen gewoonweg smelten (lacht). Het draadje in een gloeilamp haalt wel een temperatuur tot 3.000 graden en straalt dan geel-oranje licht uit. Maar een voorwerp hoeft niet zo heet te worden om licht uit te sturen. Onze lichamen sturen ook licht uit. Alleen kunnen we dat niet zien omdat het om infrarood licht gaat. Warmtecamera’s pikken dat infrarood licht wel op. Heb je koorts, dan straal je net iets meer infrarood uit.

De tweede manier heeft te maken met de kwantummechanica. Soms springt een elektron van dat atoom over van een hoge naar een lage energietoestand. Daarbij wordt een lichtdeeltje uitgestuurd, met een energie die precies gelijk is aan het energiesprongetje van het elektron. Je krijgt dan licht met één welbepaalde kleur. Een typisch voorbeeld is het oranje licht van snelweglampen, waarbij elektronen verspringen in de natriumatomen die in zo’n lamp zitten. Ook leds doen iets gelijkaardigs, waarbij heel efficiënt elektrische energie omgezet wordt in zichtbaar licht, veel efficiënter dan dat je dat kan doen door een voorwerp op te warmen.”