Īpašā relativitātes teorija, kuru 1905. gadā izvirzīja Alberts Einšteins, ir viena no ietekmīgākajām teorijām 20. gadsimta teorētiskās un praktiskās fizikas jomā. Jebkurš fiziķis to zina, bet kā to var izskaidrot tiem, kam nav nekāda sakara ar zinātni? Vai ikdienā ir novērotas lietas un parādības, kas varētu demonstrēt šo revolucionāro teoriju darbībā?
Relativitātes teorija
Alberta Einšteina 1905. gadā formulētā relativitātes zinātniskā teorija liecina, ka:
- visi fiziskie procesi visur ir vienādi, un fizikas likumi tiek ievēroti jebkurā vidē;
- ir mijiedarbības maksimālais izplatīšanās ātrums, kas nevar pārsniegt gaismas ātrumu;
- telpa un laiks ir viendabīgi.
Reklāmas video:
Teorija izskaidro dažādu objektu uzvedību telpā-laikā, kas ļauj paredzēt visu, sākot no melno caurumu esamības, kam pats Einšteins nevarēja noticēt, līdz gravitācijas viļņiem. Relativitāte šķiet mānīgi vienkārša, taču tā nav pilnīgi taisnība.
Relativitātes teorijas ietekme
Relativitātes teorija izskaidro ne tikai tādas apbrīnojamas parādības kā gravitācijas viļņi un melnie caurumi, bet arī to, kā telpas-laiks tiek uztverts atšķirīgi atkarībā no objektu kustības ātruma un virziena.
Ja gaismas ātrums vienmēr ir nemainīgs, tas nozīmē, ka astronautam, kas pārvietojas ļoti ātri attiecībā pret Zemi, sekundes paiet lēnāk nekā novērotājam no Zemes. Laiks astronautam būtībā palēninās.
Bet mums nav obligāti vajadzīgs kosmosa kuģis, lai novērotu dažādus relatīvistiskos efektus. Faktiski ir daudz gadījumu, kad īpašās relativitātes teorija, kas paredzēta Ņūtona mehānikas uzlabošanai, izpaužas mūsu ikdienas dzīvē un tehnoloģijās, kuras regulāri izmantojam.
Elektrība
Magnētisms ir relatīvistisks efekts, un, ja jūs izmantojat elektrību, jūs varat pateikties relativitātei par ģeneratoru darbību.
Ja jūs paņemat vadītāju un pakļaujat to magnētiskajam laukam, rodas elektriskā strāva. Uzlādētās daļiņas vadītājā tiek pakļautas mainīgam magnētiskajam laukam, kas liek tām kustēties un rada elektrisko strāvu.
Elektromagnēti
Elektromagnētu darbu lieliski izskaidro arī relativitātes teorija. Kad elektriskā lādiņa tiešā strāva iet caur vadu, tajā esošie elektroni dreifē. Parasti vads šķiet elektriski neitrāls, bez pozitīva vai negatīva lādiņa. Tas ir tāda paša protonu (pozitīvo lādiņu) un elektronu (negatīvo lādiņu) klātbūtnes sekas. Bet, ja blakus jūs novietojat citu vadu ar tiešu elektroenerģijas plūsmu, vadi viens otru piesaista vai atgrūž atkarībā no virziena, kādā strāva virzās vadā.
Ja strāva virzās tajā pašā virzienā, elektroni no pirmā vada "uztver" otrajā vadā esošos elektronus kā stacionārus (ja elektriskā lādiņa stiprums ir vienāds). Tikmēr attiecībā uz elektroniem protoni abos vados ir kustībā. Sakarā ar relatīvistisko garuma saīsināšanu tie, šķiet, atrodas tuvāk viens otram, tādējādi visā stieples garumā ir vairāk pozitīva lādiņa nekā negatīva. Tā kā vieni un tie paši lādiņi tiek atvairīti, atvaira arī abi vadi.
Strāva, kas virzās pretējos virzienos, noved vadītājus.
globālā pozicionēšanas sistēma
Lai GPS navigācija būtu visprecīzākā, satelītiem jāņem vērā relatīvistiskie efekti. Tas ir saistīts ar faktu, ka, neskatoties uz to, ka satelīti pārvietojas daudz lēnāk nekā to maksimālais ātrums, tie joprojām pārvietojas pietiekami ātri. Satelīti sūta savus signālus uz zemes stacijām. Viņiem, tāpat kā automašīnu, viedtālruņu un citu ierīču GPS navigatoriem, smaguma dēļ ir lielāks paātrinājums nekā orbītā esošajiem satelītiem.
Lai sasniegtu nevainojamu precizitāti, satelīti paļaujas uz īpaši precīziem pulksteņiem, lai norādītu laiku līdz nanosekundēm (sekundes miljardās daļās). Tā kā katrs satelīts atrodas 20 300 kilometrus virs Zemes un virzās uz turieni ar ātrumu aptuveni 10 000 kilometru stundā, parādās relatīvistiska laika starpība aptuveni četras mikrosekundes dienā. Pievienojiet vienādojumam gravitāciju, un skaitlis palielinās līdz aptuveni septiņām mikrosekundēm. Tas ir apmēram 7 tūkstoši nanosekunžu.
Atšķirība ir diezgan liela: ja netiktu ņemti vērā relatīvie efekti, GPS navigatoru jau pirmajā dienā kļūdītos par gandrīz 8 kilometriem.
Cēla zelta krāsa
Metāli šķiet spīdīgi, jo to atomos esošie elektroni pārvietojas starp dažādiem enerģijas līmeņiem vai orbitālēm. Daži gaismas fotoni, kas skar metāla virsmu, absorbējas un pēc tam izstaro garāks gaismas vilnis. Lielākā daļa redzamo gaismas staru tiek vienkārši atspoguļoti.
Zelta atoms ir ļoti smags, tāpēc elektroni kodolā pārvietojas pietiekami ātri, kā rezultātā ievērojami palielinās relatīvais masas pieaugums. Rezultātā elektroni īsākā orbītā ar lielāku impulsu griežas ap kodolu. Elektroni iekšējās orbitālēs nes lādiņu, kas aptuveni sakrīt ar ārējo elektronu lādiņu, attiecīgi absorbēto un atstaroto gaismu raksturo garāks vilnis.
Lielāki gaismas viļņu garumi nozīmē, ka daļu no redzamās gaismas, kas parasti tikai atspoguļosies, absorbēja atomi, un šī daļa atrodas spektra zilajā galā. Tas nozīmē, ka zelta atstarotā un izstarotā gaisma ir tuvāk garāka viļņa garuma spektram, tas ir, tai ir vairāk dzeltenas, oranžas un sarkanas krāsas un gandrīz nav īsviļņu zilas un violetas.
Zelts ir praktiski neiznīcināms
Relatīvais efekts, kas redzams uz zelta elektroniem, ir arī iemesls, kāpēc metāls nerūsē un slikti reaģē ar citiem elementiem.
Zelta ārējā elektronu apvalkā ir tikai viens elektrons, taču, neskatoties uz to, tas ir pat mazāk aktīvs nekā kalcijs vai litijs, kas pēc struktūras ir līdzīgi. Elektroni zeltā ir smagāki un tāpēc atrodas tuvāk atoma kodolam. Tas nozīmē, ka vistālākais ārējais elektrons, visticamāk, atradīsies starp "pašu" elektroniem iekšējā apvalkā, nekā sāks reaģēt ar cita elementa ārējiem elektroniem.
Šķidrais dzīvsudraba stāvoklis
Tāpat kā zeltam, arī dzīvsudrabam ir smagi atomi, kuru elektroni riņķo tuvu kodolam. Tādējādi seko relatīvam ātruma un masas pieaugumam, jo samazinās attālums starp kodolu un uzlādēto daļiņu.
Saites starp dzīvsudraba atomiem ir tik vājas, ka dzīvsudrabs kūst zemākā temperatūrā nekā citi metāli, un parasti tas ir šķidrs lielākajā daļā gadījumu, ko novēro ikdienas dzīvē.
Vecie televizori un monitori
Ne tik sen lielākā daļa televizoru un monitoru bija katodstaru ierīces. Katodstaru caurule ir ierīce, kas reproducē optisko attēlu, izšaujot elektronus staru kūļos vai staru kūļos uz luminiscējošas virsmas ar lielu magnētu. Katrs elektrons izveido apgaismotu pikseļu, kad tas nonāk ekrāna aizmugurē. Elektroni tiek palaisti lielā ātrumā, kas vienāds ar aptuveni 30% no maksimālā ātruma vai gaismas ātruma.
Lai izveidotos funkcionāls optiskais attēls, aparātā uzstādītajiem elektromagnētiem, lai virzītu elektronus uz nepieciešamo ekrāna daļu, bija jāņem vērā dažādi relatīvistiskie efekti, lai netraucētu visu sistēmu.
Ceru, ka Čikanči