Den spesielle relativitetsteorien, fremsatt av Albert Einstein i 1905, er en av de mest innflytelsesrike teoriene innen teoretisk og praktisk fysikk i det 20. århundre. Enhver fysiker vet det, men hvordan kan det forklares for de som ikke har noe med vitenskap å gjøre? Er det ting og fenomener observert i hverdagen som kan demonstrere denne revolusjonerende teorien i aksjon?
Relativitetsteorien
Den vitenskapelige relativitetsteorien, formulert av Albert Einstein i 1905, antyder at:
- alle fysiske prosesser er like overalt, og fysikkens lover blir observert i ethvert miljø;
- det er maksimal forplantningshastighet for interaksjoner som ikke kan overstige lysets hastighet;
- rom og tid er homogene.
Kampanjevideo:
Teorien forklarer oppførselen til ulike objekter i romtid, noe som gjør det mulig å forutsi alt fra eksistensen av sorte hull, som Einstein selv ikke kunne tro, til gravitasjonsbølger. Relativitet virker villedende enkel, men det er ikke helt sant.
Påvirkning av relativitetsteorien
Relativitetsteorien forklarer ikke bare slike fantastiske fenomener som gravitasjonsbølger og sorte hull, men også hvordan romtid oppfattes annerledes avhengig av hastigheten og bevegelsesretningen til objekter.
Hvis lysets hastighet alltid er konstant, betyr det at for en astronaut som beveger seg veldig raskt i forhold til jorden, går sekunder saktere enn for en observatør fra jorden. Tiden avtar i hovedsak for astronauten.
Men vi trenger ikke nødvendigvis et romskip for å observere ulike relativistiske effekter. Faktisk er det mange tilfeller der teorien om spesiell relativitet, designet for å forbedre newtonske mekanikk, manifesterer seg i vårt daglige liv og teknologiene vi bruker regelmessig.
Elektrisitet
Magnetisme er en relativistisk effekt, og hvis du bruker elektrisitet, kan du takke relativiteten for å få generatorene til å fungere.
Hvis du tar en leder og utsetter den for et magnetfelt, genereres en elektrisk strøm. Ladede partikler i en leder utsettes for et magnetisk felt i endring, som tvinger dem til å bevege seg og skaper en elektrisk strøm.
Elektromagneter
Arbeidet med elektromagneter er også perfekt forklart av relativitetsteorien. Når en likestrøm av elektrisk ladning passerer gjennom en ledning, driver elektronene i den. Ledningen ser vanligvis ut til å være elektrisk nøytral, uten positiv eller negativ ladning. Dette er en konsekvens av tilstedeværelsen i det av samme antall protoner (positive ladninger) og elektroner (negative ladninger). Men hvis du plasserer en annen ledning ved siden av den med en direkte strøm av strøm, trekker ledningene til eller frastøter hverandre, avhengig av hvilken retning strømmen beveger seg i ledningen.
Hvis strømmen beveger seg i samme retning, "oppfatter" elektronene fra den første ledningen elektronene i den andre ledningen som stasjonære (hvis den elektriske ladningen har samme styrke). I mellomtiden, når det gjelder elektroner, er protonene i begge ledningene i bevegelse. På grunn av den relativistiske forkortelsen av lengden, ser de ut til å ligge nærmere hverandre, og dermed er det mer positiv ladning enn negativ langs hele ledningens lengde. Siden de samme ladningene frastøtes, er de to ledningene det også.
Strømmen som går i motsatte retninger får lederne til å tiltrekke seg.
Global Positioning System
For den mest nøyaktige GPS-navigasjonen må satellitter ta hensyn til relativistiske effekter. Dette skyldes det faktum at til tross for at satellittene beveger seg mye langsommere enn sin maksimale hastighet, beveger de seg fortsatt raskt nok. Satellitter sender signalene til bakkestasjoner. De, som GPS-navigatører av biler, smarttelefoner og andre enheter, opplever høyere akselerasjon på grunn av tyngdekraften enn satellitter i bane.
For å oppnå perfekt nøyaktighet stoler satellitter på supernøyaktige klokker for å fortelle tider ned til nanosekunder (milliarddeler av et sekund). Siden hver satellitt er 20 300 kilometer over jorden og reiser dit med rundt 10 000 kilometer i timen, vises en relativistisk tidsforskjell på omtrent fire mikrosekunder per dag. Legg til tyngdekraften i ligningen, og tallet stiger til omtrent syv mikrosekunder. Dette er omtrent 7 tusen nanosekunder.
Forskjellen er ganske stor: hvis ingen relativistiske effekter ble tatt i betraktning, ville GPS-navigatoren forveksles med nesten 8 kilometer den aller første dagen.
Edel farge av gull
Metaller virker skinnende fordi elektronene i atomene deres beveger seg mellom forskjellige energinivåer eller orbitaler. Noen lysfotoner som treffer en metalloverflate absorberes og sendes deretter ut av en lengre lysbølge. De fleste av de synlige lysstrålene reflekteres ganske enkelt.
Gullatomet er veldig tungt, så elektronene i kjernen beveger seg raskt nok, noe som resulterer i en betydelig relativ økning i masse. Som et resultat dreier elektronene seg om kjernen i en kortere bane med mer fart. Elektronene i de indre orbitalene bærer en ladning som omtrent sammenfaller med ladningen til de ytre elektronene, henholdsvis er det absorberte og reflekterte lyset preget av en lengre bølge.
Lengre bølgelengder av lys betyr at noe av det synlige lyset som normalt bare vil reflekteres har blitt absorbert av atomer, og den delen er i den blå enden av spekteret. Dette betyr at lyset som reflekteres og sendes ut av gull, er nærmere det lengre bølgelengdespekteret, det vil si at det har mer gult, oransje og rødt og nesten ikke kortbølgeblått og fiolett.
Gull er praktisk talt erosjonsbestandig
Den relativistiske effekten på elektroner i gull er også årsaken til at metallet ikke korroderer og reagerer dårlig med andre elementer.
Gull har bare ett elektron i det ytre elektronskallet, men til tross for dette er det enda mindre aktivt enn kalsium eller litium, som har samme struktur. Elektroner i gull er tyngre og ligger derfor nærmere atomkjernen. Dette betyr at det fjerneste ytre elektronet, mest sannsynlig, vil være blant de "egne" elektronene i det indre skallet, enn det som vil begynne å reagere med de ytre elektronene til et annet element.
Flytende kvikksølvtilstand
I likhet med gull har kvikksølv også tunge atomer med elektroner som kretser nær kjernen. Følgelig følger en relativ økning i hastighet og masse på grunn av en reduksjon i avstanden mellom kjernen og den ladede partikkelen.
Båndene mellom kvikksølvatomer er så svake at kvikksølv smelter ved lavere temperaturer enn andre metaller og er vanligvis flytende i de fleste tilfeller av dagliglivet.
Gamle TV-er og skjermer
For ikke så lenge siden var de fleste fjernsyn og skjermer katodestråleenheter. Et katodestrålerør er en enhet som gjengir et optisk bilde ved å skyte elektroner i stråler eller stråler av stråler på en selvlysende overflate med en stor magnet. Hvert elektron lager en opplyst piksel etter at den treffer baksiden av skjermen. Elektroner lanseres med en høy hastighet som tilsvarer omtrent 30% av maksimal hastighet, eller lysets hastighet.
For at et funksjonelt optisk bilde skulle kunne dannes, måtte elektromagneter installert i apparatet for å lede elektroner til den nødvendige delen av skjermen ta hensyn til forskjellige relativistiske effekter for ikke å forstyrre hele systemet.
Håper Chikanchi
