Специалната теория на относителността, предложена от Алберт Айнщайн през 1905 г., е една от най-влиятелните теории в областта на теоретичната и практическата физика на 20 век. Всеки физик го знае, но как може да се обясни на онези, които нямат нищо общо с науката? Има ли неща и явления, наблюдавани в ежедневието, които биха могли да демонстрират тази революционна теория в действие?
Теория на относителността
Формулирана от Алберт Айнщайн през 1905 г., научната теория на относителността предполага, че:
- всички физически процеси са еднакви навсякъде и законите на физиката се спазват във всяка среда;
- има максимална скорост на разпространение на взаимодействията, която не може да надвишава скоростта на светлината;
- пространството и времето са еднородни.
Промоционално видео:
Теорията обяснява поведението на различни обекти в пространството-времето, което дава възможност да се предскаже всичко от съществуването на черни дупки, в които самият Айнщайн не може да повярва, до гравитационните вълни. Относителността изглежда измамно проста, но не е напълно вярна.
Влияние на теорията на относителността
Теорията на относителността обяснява не само такива удивителни явления като гравитационни вълни и черни дупки, но и как пространството-времето се възприема по различен начин в зависимост от скоростта и посоката на движение на обектите.
Ако скоростта на светлината винаги е постоянна, това означава, че за астронавт, движещ се много бързо спрямо Земята, секундите минават по-бавно, отколкото за наблюдател от Земята. Времето по същество се забавя за астронавта.
Но не е задължително да се нуждаем от космически кораб, за да наблюдаваме различни релативистки ефекти. Всъщност има много случаи, в които теорията за специалната относителност, предназначена да подобри механиката на Нютон, се проявява в нашето ежедневие и технологиите, които използваме редовно.
Електричество
Магнетизмът е релативистки ефект и ако използвате електричество, можете да благодарите на относителността, че е накарал генераторите да работят.
Ако вземете проводник и го изложите на магнитно поле, се генерира електрически ток. Заредените частици в проводник са изложени на променящо се магнитно поле, което ги принуждава да се движат и създава електрически ток.
Електромагнити
Работата на електромагнитите също е напълно обяснена от теорията на относителността. Когато постоянен ток от електрически заряд премине през проводник, електроните в него се носят. Обикновено проводникът изглежда електрически неутрален, без положителен или отрицателен заряд. Това е следствие от присъствието в него на еднакъв брой протони (положителни заряди) и електрони (отрицателни заряди). Но ако поставите друг проводник до него с директен поток от електричество, проводниците се привличат или отблъскват, в зависимост от посоката, в която токът се движи в проводника.
Ако токът се движи в същата посока, електроните от първия проводник "възприемат" електроните от втория проводник като неподвижни (ако електрическият заряд е със същата сила). Междувременно по отношение на електроните протоните и в двете жици са в движение. Поради релативисткото съкращаване на дължината, те изглежда са разположени по-близо един до друг, така че по цялата дължина на проводника има повече положителен заряд, отколкото отрицателен. Тъй като едни и същи заряди се отблъскват, двете жици също.
Токът, движещ се в противоположни посоки, кара проводниците да се привличат.
Система за глобално позициониране
За най-точната GPS навигация сателитите трябва да вземат предвид релативистки ефекти. Това се дължи на факта, че въпреки факта, че сателитите се движат много по-бавно от максималната си скорост, те все още се движат достатъчно бързо. Сателитите изпращат сигналите си до наземните станции. Те, подобно на GPS навигаторите на автомобили, смартфони и други устройства, изпитват по-голямо ускорение поради гравитацията, отколкото сателитите в орбита.
За да постигнат перфектна точност, сателитите разчитат на супер точни часовници, за да определят времето до наносекунди (милиардни секунди). Тъй като всеки спътник е на 20 300 километра над Земята и се движи там с около 10 000 километра в час, има релативистка разлика във времето от около четири микросекунди на ден. Добавете гравитацията към уравнението и броят се покачва до около седем микросекунди. Това е около 7 хиляди наносекунди.
Разликата е доста голяма: ако не се вземат предвид релативистки ефекти, GPS навигаторът ще бъде сбъркан с почти 8 километра още в първия ден.
Благороден цвят на златото
Металите изглеждат блестящи, защото електроните в техните атоми се движат между различни енергийни нива или орбитали. Някои фотони светлина, удрящи се върху метална повърхност, се абсорбират и след това се излъчват от по-дълга вълна от светлина. Повечето от видимите светлинни лъчи просто се отразяват.
Златният атом е много тежък, така че електроните в ядрото се движат достатъчно бързо, което води до значително относително увеличение на масата. В резултат на това електроните се въртят около ядрото по по-къса орбита с по-голям импулс. Електроните във вътрешните орбитали носят заряд, който приблизително съвпада със заряда на външните електрони, съответно абсорбираната и отразена светлина се характеризира с по-дълга вълна.
По-дългите дължини на вълната на светлината означават, че част от видимата светлина, която обикновено би била отразена, е погълната от атоми и тази част е в синия край на спектъра. Това означава, че светлината, отразена и излъчвана от златото, е по-близка до по-дългия спектър на дължината на вълната, тоест има повече жълто, оранжево и червено и почти няма късовълнова синя и виолетова.
Златото е практически устойчиво на ерозия
Релативисткият ефект, наблюдаван върху електроните в златото, е и причината металът да не корозира и да реагира слабо с други елементи.
Златото има само един електрон във външната електронна обвивка, но въпреки това то е дори по-малко активно от калция или лития, които са сходни по структура. Електроните в златото са по-тежки и следователно се намират по-близо до ядрото на атома. Това означава, че най-отдалеченият външен електрон най-вероятно ще бъде сред "собствените" електрони във вътрешната обвивка, отколкото ще започне да реагира с външните електрони на друг елемент.
Течно състояние на живака
Подобно на златото, живакът също има тежки атоми с електрони в орбита в близост до ядрото. Следователно следва относително увеличение на скоростта и масата поради намаляване на разстоянието между ядрото и заредената частица.
Връзките между атомите на живака са толкова слаби, че живакът се топи при по-ниски температури от другите метали и обикновено е течен в повечето случаи от ежедневието.
Стари телевизори и монитори
Не толкова отдавна повечето телевизори и монитори бяха катодно-лъчеви устройства. Катодно-лъчевата тръба е устройство, което възпроизвежда оптично изображение чрез изстрелване на електрони в лъчи или лъчи лъчи върху луминесцентна повърхност с голям магнит. Всеки електрон създава осветен пиксел, след като удари задната част на екрана. Електроните се изстрелват с висока скорост, равна на около 30% от максималната скорост или скоростта на светлината.
За да се формира функционална оптична картина, електромагнитите, инсталирани в апарата, за да насочат електроните към необходимата част на екрана, трябва да вземат предвид различни релативистки ефекти, за да не нарушат цялата система.
Надявам се Чиканчи
