Posebna teorija relativnosti, ki jo je leta 1905 predstavil Albert Einstein, je ena najvplivnejših teorij na področju teoretične in praktične fizike 20. stoletja. Vsak fizik to ve, toda kako lahko to razložimo tistim, ki nimajo nič skupnega z znanostjo? Ali so v vsakdanjem življenju opažene stvari in pojavi, ki bi lahko pokazali to revolucionarno teorijo?
Teorija relativnosti
Znanstvena teorija relativnosti, ki jo je leta 1905 oblikoval Albert Einstein, kaže, da:
- vsi fizični procesi so povsod enaki in zakoni fizike se upoštevajo v katerem koli okolju;
- obstaja največja hitrost širjenja interakcij, ki ne sme preseči svetlobne hitrosti;
- prostor in čas sta homogena.
Promocijski video:
Teorija pojasnjuje vedenje različnih predmetov v vesolju-času, kar omogoča napovedovanje vsega od obstoja črnih lukenj, v kar sam Einstein ni mogel verjeti, do gravitacijskih valov. Relativnost se zdi varljivo preprosta, vendar ni povsem resnična.
Vpliv teorije relativnosti
Teorija relativnosti ne pojasnjuje le tako neverjetnih pojavov, kot so gravitacijski valovi in črne luknje, temveč tudi to, kako prostor-čas različno dojemajo glede na hitrost in smer gibanja predmetov.
Če je svetlobna hitrost vedno konstantna, to pomeni, da za astronavta, ki se zelo hitro premika glede na Zemljo, sekunde minejo počasneje kot za opazovalca z Zemlje. Čas se astronavtu v bistvu upočasnjuje.
Toda za opazovanje različnih relativističnih učinkov ni nujno, da potrebujemo vesoljsko ladjo. Pravzaprav je veliko primerov, ko se teorija posebne relativnosti, namenjena izboljšanju Newtonove mehanike, kaže v našem vsakdanjem življenju in tehnologijah, ki jih redno uporabljamo.
Elektrika
Magnetizem je relativistični učinek in če uporabljate električno energijo, se lahko zahvalite relativnosti za delovanje generatorjev.
Če vzamete vodnik in ga izpostavite magnetnemu polju, nastane električni tok. Napolnjeni delci v vodniku so izpostavljeni spreminjajočemu se magnetnemu polju, ki jih prisili v gibanje in ustvari električni tok.
Elektromagneti
Delo elektromagnetov odlično pojasnjuje tudi teorija relativnosti. Ko skozi žico prehaja enosmerni tok električnega naboja, elektroni v njej odnesejo. Običajno se zdi, da je žica električno nevtralna, brez pozitivnega ali negativnega naboja. To je posledica prisotnosti enakega števila protonov (pozitivni naboji) in elektronov (negativni naboji). Če pa zraven postavite drugo žico z neposrednim tokom elektrike, se žice med seboj privlačijo ali odbijajo, odvisno od smeri, v kateri se tok giblje v žici.
Če se tok premika v isti smeri, elektroni iz prve žice "dojemajo" elektrone v drugi žici kot mirujoče (če je električni naboj enake moči). Medtem pa se elektroni glede na elektrone premikajo. Zaradi relativističnega krajšanja dolžine se zdi, da se nahajajo bližje drug drugemu, tako da je po celotni dolžini žice več pozitivnega naboja kot negativnega. Ker se enaki naboji odbijejo, se odbijeta tudi dve žici.
Tok, ki potuje v nasprotnih smereh, povzroči, da se vodniki privlačijo.
Globalni sistem za določanje položaja
Za najbolj natančno navigacijo GPS morajo sateliti upoštevati relativistične učinke. To je posledica dejstva, da se kljub temu, da se sateliti premikajo precej počasneje od svoje največje hitrosti, še vedno premikajo dovolj hitro. Sateliti pošiljajo signale zemeljskim postajam. Tako kot GPS navigatorji avtomobilov, pametnih telefonov in drugih naprav imajo zaradi gravitacije večji pospešek kot sateliti v orbiti.
Da bi dosegli popolno natančnost, se sateliti zanašajo na izjemno natančne ure, da časi znajo do nanosekund (milijarditih sekund). Ker je vsak satelit 20.300 kilometrov nad Zemljo in tam potuje s približno 10.000 kilometri na uro, se pojavi relativistična časovna razlika približno štiri mikrosekunde na dan. Enačbi dodajte gravitacijo in število naraste na približno sedem mikrosekund. To je približno 7 tisoč nanosekund.
Razlika je precej velika: če ne bi upoštevali relativističnih učinkov, bi se že prvi dan GPS navigator zmotil za skoraj 8 kilometrov.
Plemenita barva zlata
Kovine so videti sijoče, ker se elektroni v njihovih atomih gibljejo med različnimi nivoji energije ali orbitalami. Nekateri fotoni svetlobe, ki zadenejo kovinsko površino, absorbirajo in nato oddajajo daljši svetlobni val. Večina vidnih svetlobnih žarkov se preprosto odbije.
Atom zlata je zelo težek, zato se elektroni v jedru premikajo dovolj hitro, kar povzroči znatno relativno povečanje mase. Posledično se elektroni vrtijo okoli jedra v krajši orbiti z večjim zagonom. Elektroni v notranjih orbitalah nosijo naboj, ki približno sovpada z nabojem zunanjih elektronov, za absorbirano in odbojno svetlobo pa je značilen daljši val.
Daljše valovne dolžine svetlobe pomenijo, da so delci vidne svetlobe, ki bi se običajno samo odbijala, absorbirali atomi in ta del je na modrem koncu spektra. To pomeni, da je svetloba, ki jo odbija in oddaja zlato, bližje spektru daljših valovnih dolžin, to pomeni, da ima več rumene, oranžne in rdeče ter skoraj nič kratkovalovne modre in vijolične.
Zlato je skoraj odporno proti eroziji
Relativistični učinek na elektrone v zlatu je tudi razlog, da kovina ne korodira in slabo reagira z drugimi elementi.
Zlato ima v zunanji elektronski lupini le en elektron, vendar je kljub temu celo manj aktivno kot kalcij ali litij, ki sta si po strukturi podobna. Elektroni v zlatu so težji in se zato nahajajo bližje jedru atoma. To pomeni, da bo najbolj oddaljeni zunanji elektron najverjetneje med "lastnimi" elektroni v notranji lupini, kot pa bo začel reagirati z zunanjimi elektroni drugega elementa.
Tekoče stanje živega srebra
Tako kot zlato ima tudi živo srebro težke atome z elektroni, ki krožijo blizu jedra. Zato sledi relativno povečanje hitrosti in mase zaradi zmanjšanja razdalje med jedrom in nabitim delcem.
Vezi med atomi živega srebra so tako šibke, da se živo srebro topi pri nižjih temperaturah kot druge kovine in je v večini primerov običajno tekoče, kar opazimo v vsakdanjem življenju.
Stari televizorji in monitorji
Ne tako dolgo nazaj je bila večina televizorjev in monitorjev katodnih naprav. Katodna cev je naprava, ki reproducira optično sliko z vžigom elektronov v žarkih ali žarkih žarkov na luminiscenčno površino z velikim magnetom. Vsak elektron ustvari osvetljen piksel, potem ko zadene zadnji del zaslona. Elektroni se izstrelijo pri visoki hitrosti, ki je približno 30% največje hitrosti ali svetlobne hitrosti.
Da bi lahko nastala funkcionalna optična slika, so morali elektromagneti, nameščeni v aparatu za usmerjanje elektronov na zahtevani del zaslona, upoštevati različne relativistične učinke, da ne bi motili celotnega sistema.
Upam, Chikanchi