Nieuw licht op lichtsnelheid

Hij wilde laten zien dat elektromagnetische golven zich met de lichtsnelheid verplaatsen, maar hij zag ze sneller gaan. Tegen alle natuurkundige wetten in. Dr. Neil Budko (Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica) zocht uit hoe het zat en publiceerde zijn bevindingen in Physical Review Letters.

Neil Budko. (Foto: Sam Rentmeester/FMAX)

Om zijn studenten te demonstreren dat een elektromagnetische golf zich voortplant met de snelheid van het licht, zette dr. Neil Budko een simpele opstelling in elkaar. Een antenne verzendt een elektromagnetische golf en een andere vangt hem een stukje verder op. Op een oscilloscoop is precies te zien wanneer het signaal bij de ontvanger aankomt.
Als de antennes een eind uit elkaar stonden, klopte het precies. Budko liet een golf los, verschoof de antennes een beetje en liet een tweede golf gaan. En inderdaad, het verschil in de afstand gedeeld door het verschil in de tijd die de golf nodig had om de grotere afstand te overbruggen, was keurig de lichtsnelheid. Maar als de antennes dicht bij elkaar stonden, zag hij iets vreemds.
“Als de ontvanger tien tot vijftien centimeter van de bron stond, deed het signaal er korter over dan verwacht. De golf moest sneller zijn gegaan dan het licht”, aldus Budko. “Er zijn wel eens rare snelheden gemeten, maar altijd in media als plasma. In lucht of vacuüm verplaatsen alle elektromagnetische golven zich met de snelheid van het licht. Niet sneller en niet langzamer.” Budko is te nuchter om meteen te denken dat hij de relativiteitstheorie omver had geworpen. Maar toch lag hij een paar nachten wakker. Hoe konden de golven zich sneller verplaatsen dan het licht?
Zijn nieuwsgierigheid was gewekt en hij ging op zoek naar een verklaring. Eerst simuleerde hij in de computer een elektromagnetisch signaal en liet er de standaardformule op los. In een grafiek zag hij tot zijn verbazing weer snelheden groter dan de lichtsnelheid. En als hij de antennes heel dicht bij elkaar zette – minder dan een golflengte uit elkaar – zag hij nog iets vreemders, iets dat hij bij de metingen nog niet had gezien.
In zijn kamer herhaalde hij het experiment dat hij voor de studenten had gedaan, maar dan veel preciezer. Honderd keer zette hij de ontvangende antenne precies een millimeter verder. En ook hier vertoonden de grafieken afwijkende snelheden. “Als ik een serie golven van de ene antenne naar de andere zend, gaat het keurig volgens verwachting”, zag Budko. “De grote en negatieve snelheden treden op in het midden van de serie golven.”
De golven gaan niet echt sneller dan het licht, zegt Budko. “Maar we stellen ons de voortplanting van elektromagnetische golven door vacuüm of lucht te simpel voor.” Een pakket golven verplaatst zich niet netjes als een trein vooruit. Het midden blijkt onderweg te vervormen. De locomotief gaat keurig met de verwachte snelheid, maar het is alsof de wagons erachter met stevig elastiek aan elkaar zitten. Ze lijken even te wachten voor ze vertrekken, en daarna de locomotief in te halen door iets sneller te gaan. “Voor grotere afstanden is dit fenomeen te verwaarlozen. Maar als je de antennes dicht bij elkaar zet, krijg je met de huidige manier van kijken vreemde snelheden.”
In zijn recente publicatie in Physical Review Letters doet Budko de suggestie op een andere manier naar de verplaatsing van elektromagnetische golven te kijken. “De zogenoemde Maxwell-vergelijking, die het gedrag van elektromagnetische golven verklaart, kun je oplossen. Dan krijg je een formule met drie delen”, legt Budko uit. “Daarvan gebruiken we nu alleen het laatste deel. Maar je zou ze alle drie moeten gebruiken.”
Budko durfde zijn artikel in eerste instantie haast niet te publiceren. Hij kon niet geloven dat nog niemand had geschreven over het fenomeen dat hij in zo’n simpele opstelling gezien had. “Bovendien denk je wel even na voor je publiceert over snelheden groter dan de lichtsnelheid”, zegt hij. “Ik stuurde mijn artikel met opzet naar een vooraanstaand blad. Ik wilde echt goede reviews.” Van vakgenoten kreeg hij tot nu toe alleen positieve reacties. Daarnaast kreeg hij ook mails van wat hij ‘alternatieve wetenschappers’ noemt, die in zijn metingen een opstap zagen naar tijdmachines. Budko lacht erom. “Zij moeten mijn artikel nog maar eens goed lezen.”

http://sites.google.com/site/physicusnaturalis