Den særlige relativitetsteori, fremsat af Albert Einstein i 1905, er en af de mest indflydelsesrige teorier inden for teoretisk og praktisk fysik i det 20. århundrede. Enhver fysiker ved det, men hvordan kan det forklares for dem, der ikke har noget at gøre med videnskab? Er der ting og fænomener observeret i hverdagen, der kan demonstrere denne revolutionerende teori i aktion?
Relativitetsteori
Formuleret af Albert Einstein i 1905 antyder den videnskabelige relativitetsteori, at:
- alle fysiske processer er de samme overalt, og fysikkens love overholdes i ethvert miljø;
- der er en maksimal formeringshastighed for interaktioner, der ikke kan overstige lysets hastighed;
- rum og tid er homogene.
Salgsfremmende video:
Teorien forklarer adfærden for forskellige objekter i rumtid, hvilket gør det muligt at forudsige alt fra eksistensen af sorte huller, som Einstein selv ikke kunne tro, til tyngdebølger. Relativitet virker vildledende enkel, men det er ikke helt sandt.
Påvirkning af relativitetsteorien
Relativitetsteorien forklarer ikke kun sådanne fantastiske fænomener som tyngdekraftsbølger og sorte huller, men også hvordan rumtid opfattes forskelligt afhængigt af objekternes bevægelseshastighed og retning.
Hvis lysets hastighed altid er konstant, betyder det, at sekunder for en astronaut, der bevæger sig meget hurtigt i forhold til Jorden, går langsommere end for en observatør fra Jorden. Tiden er i det væsentlige langsommere for astronauten.
Men vi har ikke nødvendigvis brug for et rumskib for at observere forskellige relativistiske effekter. Faktisk er der mange tilfælde, hvor teorien om særlig relativitet, designet til at forbedre Newtons mekanik, manifesterer sig i vores daglige liv og de teknologier, vi bruger regelmæssigt.
Elektricitet
Magnetisme er en relativistisk effekt, og hvis du bruger elektricitet, kan du takke relativitet for at få generatorerne til at fungere.
Hvis du tager en leder og udsætter den for et magnetfelt, genereres der en elektrisk strøm. Ladede partikler i en leder udsættes for et magnetisk felt, der skifter, hvilket tvinger dem til at bevæge sig og skaber en elektrisk strøm.
Elektromagneter
Arbejdet med elektromagneter forklares også perfekt af relativitetsteorien. Når en jævnstrøm af elektrisk ladning passerer gennem en ledning, glider elektronerne i den. Ledningen ser normalt ud til at være elektrisk neutral uden positiv eller negativ ladning. Dette er en konsekvens af tilstedeværelsen i det af det samme antal protoner (positive ladninger) og elektroner (negative ladninger). Men hvis du placerer en anden ledning ved siden af den med en direkte strøm af elektricitet, tiltrækker eller afviser ledningerne hinanden, afhængigt af hvilken retning strømmen bevæger sig i ledningen.
Hvis strømmen bevæger sig i samme retning, "opfatter" elektronerne fra den første ledning elektronerne i den anden ledning som stationære (hvis den elektriske ladning har samme styrke). I mellemtiden, hvad angår elektroner, er protonerne i begge ledninger i bevægelse. På grund af den relativistiske afkortning af længden ser de ud til at være placeret tættere på hinanden, og der er således mere positiv ladning end negativ langs hele ledningens længde. Da de samme afgifter afvises, afviser de to ledninger også.
Strømmen, der bevæger sig i modsatte retninger, får lederne til at tiltrække.
Globalt positionerings system
For at få den mest nøjagtige GPS-navigation skal satellitter tage relativistiske effekter i betragtning. Dette skyldes det faktum, at på trods af at satellitterne bevæger sig meget langsommere end deres maksimale hastighed, bevæger de sig stadig hurtigt nok. Satellitter sender deres signaler til jordstationer. De oplever ligesom GPS-navigatorer i biler, smartphones og andre enheder højere acceleration på grund af tyngdekraften end satellitter i kredsløb.
For at opnå perfekt nøjagtighed er satellitter afhængige af supernøjagtige ure for at fortælle gange ned til nanosekunder (milliardedele af et sekund). Da hver satellit ligger 20.300 kilometer over jorden og kører der omkring 10.000 kilometer i timen, er der en relativistisk tidsforskel på omkring fire mikrosekunder pr. Dag. Tilføj tyngdekraften til ligningen, og antallet stiger til cirka syv mikrosekunder. Dette er omkring 7 tusind nanosekunder.
Forskellen er ret stor: hvis der ikke blev taget højde for nogen relativistiske effekter, ville GPS-navigatoren forveksles med næsten 8 kilometer den allerførste dag.
Ædel farve af guld
Metaller ser skinnende ud, fordi elektronerne i deres atomer bevæger sig mellem forskellige energiniveauer eller orbitaler. Nogle lysfotoner, der rammer en metaloverflade, absorberes og udsendes derefter af en længere lysbølge. De fleste af de synlige lysstråler reflekteres simpelthen.
Guldatomet er meget tungt, så elektronerne i kernen bevæger sig hurtigt nok, hvilket resulterer i en signifikant relativ stigning i masse. Som et resultat drejer elektronerne sig om kernen i en kortere bane med mere momentum. Elektronerne i de indre orbitaler bærer en ladning, der tilnærmelsesvis falder sammen med ladningen af henholdsvis de ydre elektroner, det absorberede og reflekterede lys er karakteriseret ved en længere bølge.
Længere bølgelængder af lys betyder, at noget af det synlige lys, der normalt bare ville blive reflekteret, er blevet absorberet af atomer, og den del er ved den blå ende af spektret. Dette betyder, at det lys, der reflekteres og udsendes af guld, er tættere på det længere bølgelængdespektrum, det vil sige, det har mere gult, orange og rødt og næsten ingen kortbølgeblå og violet.
Guld er næsten uforgængeligt
Den relativistiske effekt, der ses på elektroner i guld, er også grunden til, at metallet ikke korroderer og reagerer dårligt med andre elementer.
Guld har kun en elektron i den ydre elektronskal, men på trods af dette er den endnu mindre aktiv end calcium eller lithium, som har samme struktur. Elektronerne i guld er tungere og ligger derfor tættere på atomkernen. Dette betyder, at den fjerneste ydre elektron sandsynligvis vil være blandt de "egne" elektroner i den indre skal, end der vil begynde at reagere med de ydre elektroner i et andet element.
Flydende kviksølvtilstand
Ligesom guld har kviksølv også tunge atomer med elektroner, der kredser tæt på kernen. Derfor følger en relativ stigning i hastighed og masse på grund af en reduktion i afstanden mellem kernen og den ladede partikel.
Bindingerne mellem kviksølvatomer er så svage, at kviksølv smelter ved lavere temperaturer end andre metaller og er generelt flydende i de fleste tilfælde i dagligdagen.
Gamle tv'er og skærme
For ikke så længe siden var de fleste fjernsyn og skærme katodestråleenheder. Et katodestrålerør er en enhed, der gengiver et optisk billede ved at affyre elektroner i stråler eller stråler af stråler på en selvlysende overflade med en stor magnet. Hver elektron skaber en belyst pixel, når den rammer bagsiden af skærmen. Elektroner lanceres med en høj hastighed svarende til ca. 30% af den maksimale hastighed eller lysets hastighed.
For at der kunne dannes et funktionelt optisk billede, måtte elektromagneter installeret i apparatet for at dirigere elektroner til den krævede del af skærmen tage hensyn til forskellige relativistiske effekter for ikke at forstyrre hele systemet.
Håber Chikanchi