Specjalna teoria względności, wysunięta przez Alberta Einsteina w 1905 r., Jest jedną z najbardziej wpływowych teorii w dziedzinie fizyki teoretycznej i praktycznej XX wieku. Każdy fizyk to wie, ale jak można to wytłumaczyć tym, którzy nie mają nic wspólnego z nauką? Czy są rzeczy i zjawiska obserwowane w życiu codziennym, które mogłyby zademonstrować działanie tej rewolucyjnej teorii?
Teoria względności
Sformułowana przez Alberta Einsteina w 1905 roku, naukowa teoria względności sugeruje, że:
- wszystkie procesy fizyczne są wszędzie takie same, a prawa fizyki są przestrzegane w każdym środowisku;
- istnieje maksymalna prędkość propagacji oddziaływań, która nie może przekraczać prędkości światła;
- przestrzeń i czas są jednorodne.
Film promocyjny:
Teoria wyjaśnia zachowanie różnych obiektów w czasoprzestrzeni, co pozwala przewidzieć wszystko, od istnienia czarnych dziur, w które sam Einstein nie mógł uwierzyć, po fale grawitacyjne. Względność wydaje się pozornie prosta, ale nie jest do końca prawdziwa.
Wpływ teorii względności
Teoria względności wyjaśnia nie tylko tak niesamowite zjawiska, jak fale grawitacyjne i czarne dziury, ale także to, jak różnie postrzegana jest czasoprzestrzeń w zależności od prędkości i kierunku ruchu obiektów.
Jeśli prędkość światła jest zawsze stała, oznacza to, że dla astronauty poruszającego się bardzo szybko względem Ziemi sekundy mijają wolniej niż dla obserwatora z Ziemi. Czas zasadniczo zwalnia astronautę.
Ale niekoniecznie potrzebujemy statku kosmicznego, aby obserwować różne efekty relatywistyczne. W rzeczywistości istnieje wiele przypadków, w których teoria szczególnej teorii względności, zaprojektowana w celu ulepszenia mechaniki Newtona, przejawia się w naszym codziennym życiu i technologiach, których używamy regularnie.
Elektryczność
Magnetyzm jest efektem relatywistycznym i jeśli używasz elektryczności, możesz podziękować teorii względności za to, że generatory działają.
Jeśli weźmiesz przewodnik i wystawisz go na działanie pola magnetycznego, zostanie wygenerowany prąd elektryczny. Naładowane cząstki w przewodniku są narażone na zmieniające się pole magnetyczne, które zmusza je do ruchu i wytwarza prąd elektryczny.
Elektromagnesy
Pracę elektromagnesów doskonale wyjaśnia również teoria względności. Kiedy prąd stały ładunku elektrycznego przechodzi przez drut, elektrony w nim dryfują. Zwykle drut wydaje się być elektrycznie obojętny, bez ładunku dodatniego ani ujemnego. Jest to konsekwencja obecności w nim takiej samej liczby protonów (ładunki dodatnie) i elektronów (ładunki ujemne). Ale jeśli umieścisz obok niego inny przewód z bezpośrednim przepływem prądu, druty przyciągają się lub odpychają, w zależności od kierunku, w którym prąd płynie w przewodzie.
Jeśli prąd płynie w tym samym kierunku, elektrony z pierwszego przewodu „odbierają” elektrony w drugim przewodzie jako nieruchome (jeśli ładunek elektryczny ma taką samą siłę). Tymczasem pod względem elektronów protony w obu drutach są w ruchu. Ze względu na relatywistyczne skrócenie długości wydają się być położone bliżej siebie, przez co na całej długości drutu jest więcej ładunku dodatniego niż ujemnego. Ponieważ te same ładunki są odpychane, tak samo jest z dwoma przewodami.
Prąd płynący w przeciwnych kierunkach powoduje przyciąganie przewodników.
Globalny System Pozycjonowania
Aby zapewnić najdokładniejszą nawigację GPS, satelity muszą uwzględniać efekty relatywistyczne. Wynika to z faktu, że pomimo tego, że satelity poruszają się znacznie wolniej niż ich maksymalna prędkość, nadal poruszają się wystarczająco szybko. Satelity wysyłają swoje sygnały do stacji naziemnych. Podobnie jak nawigatory GPS w samochodach, smartfonach i innych urządzeniach, doświadczają większego przyspieszenia z powodu grawitacji niż satelity na orbicie.
Aby osiągnąć idealną dokładność, satelity wykorzystują superdokładne zegary, które podają czasy z dokładnością do nanosekund (miliardowych części sekundy). Ponieważ każdy satelita znajduje się 20 300 kilometrów nad Ziemią i przemieszcza się tam z prędkością około 10 000 kilometrów na godzinę, pojawia się relatywistyczna różnica czasu wynosząca około czterech mikrosekund dziennie. Dodaj grawitację do równania, a liczba wzrośnie do około siedmiu mikrosekund. To około 7 tysięcy nanosekund.
Różnica jest dość duża: gdyby nie uwzględnić efektów relatywistycznych, nawigator GPS pomyliłby się o prawie 8 kilometrów już pierwszego dnia.
Szlachetny kolor złota
Metale wydają się błyszczące, ponieważ elektrony w ich atomach poruszają się między różnymi poziomami energii lub orbitali. Niektóre fotony światła padające na metalową powierzchnię są absorbowane, a następnie emitowane przez dłuższą falę światła. Większość widocznych promieni świetlnych jest po prostu odbijana.
Atom złota jest bardzo ciężki, więc elektrony w jądrze poruszają się wystarczająco szybko, co powoduje znaczny względny wzrost masy. W rezultacie elektrony krążą wokół jądra na krótszej orbicie z większym pędem. Elektrony w wewnętrznych orbitaliach mają ładunek, który w przybliżeniu pokrywa się z ładunkiem odpowiednio elektronów zewnętrznych, pochłaniane i odbijane światło charakteryzuje się dłuższą falą.
Dłuższe fale światła oznaczają, że część światła widzialnego, które normalnie byłoby po prostu odbite, została pochłonięta przez atomy, a ta część znajduje się na niebieskim końcu widma. Oznacza to, że światło odbijane i emitowane przez złoto jest bliżej widma o dłuższej długości fali, to znaczy ma więcej żółtego, pomarańczowego i czerwonego i prawie nie ma krótkofalowego błękitu i fioletu.
Złoto jest praktycznie odporne na erozję
Relatywistyczny efekt obserwowany na elektronach w złocie jest również powodem, dla którego metal nie koroduje i słabo reaguje z innymi pierwiastkami.
Złoto ma tylko jeden elektron w zewnętrznej powłoce elektronowej, ale mimo to jest jeszcze mniej aktywne niż wapń czy lit, które mają podobną strukturę. Elektrony w złocie są cięższe i dlatego znajdują się bliżej jądra atomu. Oznacza to, że najprawdopodobniej najbardziej odległy zewnętrzny elektron znajdzie się wśród „własnych” elektronów w powłoce wewnętrznej i zacznie reagować z zewnętrznymi elektronami innego pierwiastka.
Stan ciekły rtęci
Podobnie jak złoto, rtęć zawiera również ciężkie atomy z elektronami krążącymi blisko jądra. Stąd następuje względny wzrost prędkości i masy z powodu zmniejszenia odległości między jądrem a naładowaną cząstką.
Wiązania między atomami rtęci są tak słabe, że rtęć topi się w niższych temperaturach niż inne metale i na ogół jest ciekła w większości przypadków, które obserwuje się w życiu codziennym.
Stare telewizory i monitory
Jeszcze nie tak dawno większość telewizorów i monitorów była urządzeniami katodowymi. Lampa elektronopromieniowa to urządzenie, które odtwarza obraz optyczny przez wystrzeliwanie elektronów w wiązkach lub wiązkach promieni na powierzchnię luminescencyjną za pomocą dużego magnesu. Każdy elektron, uderzając w tył ekranu, tworzy oświetlony piksel. Elektrony są wystrzeliwane z dużą prędkością równą około 30% maksymalnej prędkości lub prędkości światła.
Aby powstał funkcjonalny obraz optyczny, elektromagnesy zainstalowane w aparacie w celu kierowania elektronów do wymaganej części ekranu musiały uwzględniać różne efekty relatywistyczne, aby nie zakłócać całego układu.
Hope Chikanchi