Den speciella relativitetsteorin, som framförts av Albert Einstein 1905, är en av de mest inflytelserika teorierna inom området teoretisk och praktisk fysik under 1900-talet. Varje fysiker vet det, men hur kan det förklaras för dem som inte har något att göra med vetenskap? Finns det saker och fenomen som observeras i vardagen som kan demonstrera denna revolutionära teori i handling?
Relativitetsteorin
Formulerad av Albert Einstein 1905 föreslår den vetenskapliga relativitetsteorin att:
- alla fysiska processer är desamma överallt, och fysikens lagar observeras i alla miljöer;
- det finns en maximal fortplantningshastighet för interaktioner som inte kan överstiga ljusets hastighet;
- rum och tid är homogena.
Kampanjvideo:
Teorin förklarar beteendet hos olika objekt i rymdtid, vilket gör det möjligt att förutsäga allt från existensen av svarta hål, som Einstein själv inte kunde tro, till gravitationella vågor. Relativitet verkar bedrägligt enkelt, men det är inte helt sant.
Påverkan av relativitetsteorin
Relativitetsteorin förklarar inte bara sådana fantastiska fenomen som gravitationsvågor och svarta hål utan också hur rymdtid uppfattas annorlunda beroende på objektets rörelsehastighet och riktning.
Om ljusets hastighet alltid är konstant betyder det att för en astronaut som rör sig mycket snabbt i förhållande till jorden, sekunder går långsammare än för en observatör från jorden. Tiden avtar i huvudsak för astronauten.
Men vi behöver inte nödvändigtvis ett rymdskepp för att observera olika relativistiska effekter. Faktum är att det finns många fall där teorin om speciell relativitet, utformad för att förbättra newtons mekanik, manifesterar sig i vårt dagliga liv och den teknik vi använder regelbundet.
Elektricitet
Magnetism är en relativistisk effekt, och om du använder el kan du tacka relativiteten för att få generatorerna att fungera.
Om du tar en ledare och utsätter den för ett magnetfält genereras en elektrisk ström. Laddade partiklar i en ledare utsätts för ett föränderligt magnetfält, vilket tvingar dem att röra sig och skapar en elektrisk ström.
Elektromagneter
Arbetet med elektromagneter förklaras också perfekt av relativitetsteorin. När en likström av elektrisk laddning passerar genom en ledning driver elektronerna i den. Vanligtvis verkar tråden vara elektriskt neutral, utan positiv eller negativ laddning. Detta är en följd av närvaron i det av samma antal protoner (positiva laddningar) och elektroner (negativa laddningar). Men om du placerar en annan ledning bredvid den med ett direkt flöde av elektricitet, drar eller drar kablarna varandra, beroende på i vilken riktning strömmen rör sig i ledningen.
Om strömmen rör sig i samma riktning "uppfattar" elektronerna från den första ledningen elektronerna i den andra ledningen som stationära (om den elektriska laddningen har samma styrka). Under tiden, när det gäller elektroner, är protonerna i båda trådarna i rörelse. På grund av den relativistiska förkortningen av längden verkar de vara placerade närmare varandra, så det finns mer positiv laddning än negativ längs hela kabelns längd. Eftersom samma laddningar avvisas, stöter de två ledningarna också av.
Strömmen som kör i motsatta riktningar får ledarna att attrahera.
Global Positioning System
För den mest exakta GPS-navigationen måste satelliter ta hänsyn till relativistiska effekter. Detta beror på att satelliterna, trots att satelliterna rör sig mycket långsammare än sin maximala hastighet, ändå går tillräckligt snabbt. Satelliter skickar sina signaler till markstationer. De, precis som GPS-navigatörer av bilar, smartphones och andra enheter, upplever högre acceleration på grund av tyngdkraften än satelliter i omloppsbana.
För att uppnå perfekt noggrannhet förlitar sig satelliter på superexakta klockor för att berätta tider ner till nanosekunder (miljarder sekund). Eftersom varje satellit ligger 20 300 kilometer över jorden och färdas dit med cirka 10 000 kilometer i timmen, visas en relativistisk tidsskillnad på cirka fyra mikrosekunder per dag. Lägg till tyngdkraften i ekvationen och antalet stiger till cirka sju mikrosekunder. Det här är cirka 7 tusen nanosekunder.
Skillnaden är ganska stor: om inga relativistiska effekter togs med i beräkningen skulle GPS-navigatören misstas med nästan 8 kilometer den allra första dagen.
Ädel färg av guld
Metaller verkar glänsande eftersom elektronerna i deras atomer rör sig mellan olika energinivåer eller orbitaler. Vissa fotoner som träffar en metallyta absorberas och avges sedan av en längre ljusvåg. De flesta av de synliga ljusstrålarna reflekteras helt enkelt.
Guldatomen är mycket tung, så elektronerna i kärnan rör sig tillräckligt snabbt, vilket resulterar i en betydande relativ ökning av massan. Som ett resultat kretsar elektronerna runt kärnan i en kortare bana med mer fart. Elektronerna i de inre orbitalerna bär en laddning som ungefär sammanfaller med laddningen för de yttre elektronerna, respektive, det absorberade och reflekterade ljuset kännetecknas av en längre våg.
Längre ljusvåglängder innebär att en del av det synliga ljuset som normalt bara skulle reflekteras har absorberats av atomer, och den delen är vid den blå änden av spektrumet. Detta innebär att ljuset som reflekteras och utsänds av guld är närmare det längre våglängdsspektrumet, det vill säga det har mer gult, orange och rött och nästan ingen kortvågblå och violett.
Guld är praktiskt taget erosionsbeständigt
Den relativistiska effekten som ses på elektroner i guld är också anledningen till att metallen inte korroderar och reagerar dåligt med andra element.
Guld har bara en elektron i det yttre elektronskalet, men trots detta är det ännu mindre aktivt än kalcium eller litium, som har samma struktur. Elektroner i guld är tyngre och ligger därför närmare atomens kärna. Detta betyder att den mest avlägsna yttre elektronen, sannolikt, kommer att vara bland de "egna" elektronerna i det inre skalet än vad som kommer att börja reagera med de yttre elektronerna i ett annat element.
Flytande tillstånd av kvicksilver
Liksom guld har kvicksilver också tunga atomer med elektroner som kretsar nära kärnan. Följaktligen följer en relativ ökning av hastighet och massa på grund av en minskning av avståndet mellan kärnan och den laddade partikeln.
Bindningarna mellan kvicksilveratomer är så svaga att kvicksilver smälter vid lägre temperaturer än andra metaller och är i allmänhet flytande i de flesta fall som det observeras i vardagen.
Gamla TV-apparater och bildskärmar
För inte så länge sedan var de flesta tv-apparater och katodstrålningsenheter. Ett katodstrålerör är en anordning som reproducerar en optisk bild genom att skjuta elektroner i strålar eller strålar av strålar på en självlysande yta med en stor magnet. Varje elektron skapar en upplyst pixel efter att den träffar skärmens baksida. Elektroner lanseras med en hög hastighet som motsvarar cirka 30% av den maximala hastigheten eller ljusets hastighet.
För att en funktionell optisk bild skulle kunna bildas måste elektromagneter installerade i apparaten för att rikta elektroner till den önskade delen av skärmen ta hänsyn till olika relativistiska effekter för att inte störa hela systemet.
Hoppas Chikanchi