Albert Einsteinin vuonna 1905 esittämä erityinen suhteellisuusteoria on yksi 1900-luvun vaikuttavimmista teorioista teoreettisen ja käytännön fysiikan alalla. Mikä tahansa fyysikko tietää sen, mutta miten se voidaan selittää niille, joilla ei ole mitään tekemistä tieteen kanssa? Onko jokaisessa elämässä havaittu asioita ja ilmiöitä, jotka voisivat osoittaa tämän vallankumouksellisen teorian toiminnassa?
Suhteellisuusteoria
Albert Einsteinin vuonna 1905 muotoilema tieteellinen suhteellisuusteoria viittaa siihen, että:
- kaikki fyysiset prosessit etenevät samalla tavalla kaikkialla, ja fysiikan lakeja noudatetaan missä tahansa ympäristössä;
- vuorovaikutusten suurin etenemisnopeus ei voi ylittää valon nopeutta;
- tila ja aika ovat homogeenisia.
Mainosvideo:
Teoria selittää erilaisten esineiden käyttäytymisen avaruudessa, mikä antaa mahdollisuuden ennustaa kaiken mustien aukkojen olemassaolosta, joihin Einstein itse ei voinut uskoa, ja painovoima-aaltoihin. Suhteellisuusteoria näyttää petolliselta yksinkertaiselta, mutta se ei ole täysin totta.
Suhteellisuusteorian vaikutus
Suhteellisuusteoria selittää paitsi sellaiset hämmästyttävät ilmiöt kuin gravitaatioaallot ja mustat aukot, mutta myös kuinka aika-aika havaitaan eri tavalla esineiden liikkumisnopeudesta ja -suunnasta riippuen.
Jos valon nopeus on aina vakio, se tarkoittaa, että astronautille, joka liikkuu hyvin nopeasti maapallon suhteen, sekunnit kuluvat hitaammin kuin maapallon tarkkailijalle. Aika hidastuu astronautille.
Mutta emme välttämättä tarvitse avaruusalusta erilaisten relativististen vaikutusten havainnoimiseksi. Itse asiassa on monia tapauksia, joissa erikois-suhteellisuusteoria, joka on suunniteltu parantamaan Newtonin mekaniikkaa, ilmenee jokapäiväisessä elämässämme ja tekniikoissamme, joita käytämme säännöllisesti.
Sähkö
Magnetismi on suhteellinen vaikutus, ja jos käytät sähköä, voit kiittää suhteellisuusteoria siitä, että generaattorit toimivat.
Jos otat johtimen ja altistat sen magneettikentälle, syntyy sähkövirta. Johtimen ladatut hiukkaset altistuvat muuttuvalle magneettikentälle, joka pakottaa ne liikkumaan ja luo sähkövirran.
Sähkömagneetit
Sähkömagneettien työ selitetään täydellisesti myös suhteellisuusteorialla. Kun sähkövarauksen tasavirta kulkee langan läpi, siinä olevat elektronit ajautuvat. Yleensä lanka näyttää olevan sähköisesti neutraali, ilman positiivista tai negatiivista varausta. Tämä on seurausta siitä, että siinä on sama määrä protoneja (positiivisia varauksia) ja elektroneja (negatiivisia varauksia). Mutta jos sijoitat toisen johdon viereen suoralla sähkövirralla, johdot houkuttelevat tai hylkäävät toisiaan sen mukaan, mihin suuntaan virta liikkuu langassa.
Jos virta liikkuu samaan suuntaan, ensimmäisen langan elektronit "havaitsevat" toisen johdon elektronit paikallaan (jos sähkövaraus on saman vahvuinen). Samaan aikaan elektronien suhteen molempien johtojen protonit ovat liikkeessä. Pituuden suhteellisen lyhentämisen vuoksi ne näyttävät olevan lähempänä toisiaan, joten koko langan pituudella on enemmän positiivista varausta kuin negatiivista. Koska samat varaukset hylätään, niin molemmat johdot ovat.
Vastakkaisiin suuntiin kulkeva virta saa johtimet vetämään.
maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä GPS
Tarkimman GPS-navigoinnin varmistamiseksi satelliittien on otettava huomioon suhteelliset vaikutukset. Tämä johtuu siitä, että huolimatta siitä, että satelliitit liikkuvat paljon hitaammin kuin suurin nopeus, ne liikkuvat silti riittävän nopeasti. Satelliitit lähettävät signaalinsa maa-asemille. He, kuten autojen, älypuhelimien ja muiden laitteiden GPS-navigaattorit, kokevat painovoimasta suuremman kiihtyvyyden kuin kiertoradalla olevat satelliitit.
Täydellisen tarkkuuden saavuttamiseksi satelliitit luottavat huipputarkkoihin kelloihin kertomaan ajat nanosekunteihin (miljardisekunnin sekunnin). Koska jokainen satelliitti on 20 300 kilometriä maan yläpuolella ja kulkee sinne noin 10000 kilometriä tunnissa, relativistinen aikaero on noin neljä mikrosekuntia päivässä. Lisää yhtälöön painovoima ja luku nousee noin seitsemään mikrosekuntiin. Tämä on noin 7 tuhatta nanosekuntia.
Ero on melko suuri: jos relativistisia vaikutuksia ei otettaisi huomioon, GPS-navigaattori erehtyisi melkein 8 kilometrillä jo ensimmäisenä päivänä.
Jalokullan väri
Metallit näyttävät kiiltäviltä, koska atomien elektronit liikkuvat eri energiatasojen tai orbitaalien välillä. Jotkut metallipintaan osuvat valon fotonit absorboituvat ja sitten säteilevät pidemmällä valoaallolla. Suurin osa näkyvistä valonsäteistä heijastuu yksinkertaisesti.
Kulta-atomi on erittäin raskas, joten ytimen elektronit liikkuvat riittävän nopeasti, mikä johtaa merkittävään suhteelliseen massan kasvuun. Tämän seurauksena elektronit pyörivät ytimen ympärillä lyhyemmällä kiertoradalla ja enemmän vauhtia. Sisäkierrosten elektronit kantavat varausta, joka on suunnilleen sama kuin ulkoelektronien varaus, absorboituneelle ja heijastuneelle valolle on tunnusomaista pidempi aalto.
Pidemmät valon aallonpituudet tarkoittavat, että osa näkyvistä valoista, jotka normaalisti vain heijastuvat, on absorboinut atomit, ja tämä osa on spektrin sinisessä päässä. Tämä tarkoittaa, että kullan heijastama ja lähettämä valo on lähempänä pidempää aallonpituusspektriä, ts. Siinä on enemmän keltaista, oranssia ja punaista, eikä siinä ole melkein yhtään lyhytaaltoista sinistä ja violettia.
Kulta on käytännössä tuhoutumaton
Kultaelektroneihin nähty relativistinen vaikutus on myös syy siihen, että metalli ei syövy ja reagoi huonosti muiden alkuaineiden kanssa.
Kulta on vain yksi elektroni ulommassa elektronikuoressa, mutta siitä huolimatta se on jopa vähemmän aktiivinen kuin kalsium tai litium, jotka ovat rakenteeltaan samanlaisia. Kullan elektronit ovat painavampia ja siksi ne sijaitsevat lähempänä atomin ydintä. Tämä tarkoittaa, että kaikkein etäinen uloin elektroni on todennäköisesti sisäkuoren "omien" elektronien joukossa, kuin se alkaa reagoida toisen elementin ulkoisten elektronien kanssa.
Nestemäinen elohopean tila
Kuten kulta, elohopea sisältää myös raskaita atomeja, joiden elektronit kiertävät lähellä ydintä. Tästä seuraa nopeuden ja massan suhteellinen kasvu, joka johtuu ytimen ja varatun hiukkasen välisen etäisyyden pienenemisestä.
Elohopean atomien väliset sidokset ovat niin heikkoja, että elohopea sulaa alhaisemmissa lämpötiloissa kuin muut metallit ja on yleensä nestemäistä useimmissa päivittäisessä elämässä.
Vanhat televisiot ja näytöt
Ei niin kauan sitten, useimmat televisiot ja näytöt olivat katodisädelaitteita. Katodisädeputki on laite, joka toistaa optisen kuvan ampumalla elektroneja säteinä tai sädekimppuina luminoivalle pinnalle suurella magneetilla. Jokainen elektroni luo valaistun pikselin, kun se osuu näytön takaosaan. Elektronit laukaistaan suurella nopeudella, joka on noin 30% enimmäisnopeudesta tai valon nopeudesta.
Toimivan optisen kuvan muodostamiseksi laitteeseen asennettujen sähkömagneettien ohjaamiseksi elektroneihin vaadittuun ruudun osaan oli otettava huomioon erilaiset relativistiset vaikutukset, jotta koko järjestelmä ei häiriintyisi.
Toivottavasti Chikanchi