Posebna teorija relativnosti, koju je iznio Albert Einstein 1905. godine, jedna je od najutjecajnijih teorija na polju teorijske i praktične fizike 20. stoljeća. Bilo koji fizičar to zna, ali kako to objasniti onima koji nemaju nikakve veze sa znanošću? Postoje li stvari i pojave uočene u svakodnevnom životu koje bi mogle pokazati ovu revolucionarnu teoriju na djelu?
Teorija relativnosti
Formulirao Albert Einstein 1905. godine, znanstvena teorija relativnosti sugerira da:
- svi su fizički procesi svugdje jednaki, a zakoni fizike poštuju se u bilo kojem okruženju;
- postoji maksimalna brzina širenja interakcija koja ne može premašiti brzinu svjetlosti;
- prostor i vrijeme su homogeni.
Promotivni video:
Teorija objašnjava ponašanje različitih objekata u prostor-vremenu, što omogućuje predviđanje svega, od postojanja crnih rupa, u što ni sam Einstein nije mogao vjerovati, do gravitacijskih valova. Relativnost se čini varljivo jednostavnom, ali nije sasvim istinita.
Utjecaj teorije relativnosti
Teorija relativnosti objašnjava ne samo tako nevjerojatne pojave poput gravitacijskih valova i crnih rupa, već i kako se prostor-vrijeme različito percipira ovisno o brzini i smjeru kretanja objekata.
Ako je brzina svjetlosti uvijek konstantna, to znači da za astronauta koji se kreće vrlo brzo u odnosu na Zemlju, sekunde prolaze sporije nego za promatrača sa Zemlje. Vrijeme se astronautu u biti usporava.
Ali ne treba nam nužno svemirski brod za promatranje raznih relativističkih učinaka. Zapravo, postoji mnogo slučajeva kada se teorija posebne relativnosti, stvorena za poboljšanje Newtonove mehanike, očituje u našem svakodnevnom životu i tehnologijama koje redovito koristimo.
Struja
Magnetizam je relativistički učinak, a ako koristite električnu energiju možete zahvaliti relativnosti što je generatore radio.
Ako uzmete vodič i izložite ga magnetskom polju, generirat će se električna struja. Nabijene čestice u vodiču izložene su promjenjivom magnetskom polju, što ih prisiljava na kretanje i stvara električnu struju.
Elektromagneti
Rad elektromagneta također je savršeno objašnjen teorijom relativnosti. Kad istosmjerna struja električnog naboja prolazi kroz žicu, elektroni u njoj zanose. Obično se čini da je žica električki neutralna, bez pozitivnog ili negativnog naboja. To je posljedica prisutnosti u njemu istog broja protona (pozitivni naboji) i elektrona (negativni naboji). Ali ako pored nje postavite drugu žicu s izravnim protokom električne energije, žice se međusobno privlače ili odbijaju, ovisno o smjeru u kojem se struja kreće u žici.
Ako se struja kreće u istom smjeru, elektroni iz prve žice "percipiraju" elektrone u drugoj žici kao nepokretni (ako je električni naboj iste jakosti). U međuvremenu, u smislu elektrona, protoni u obje žice su u pokretu. Zbog relativističkog skraćivanja duljine, čini se da se nalaze bliže jedni drugima, tako da duž cijele duljine žice ima više pozitivnog naboja nego negativnog. Budući da se iste naboje odbijaju, i dvije žice se odbijaju.
Struja koja putuje u suprotnim smjerovima dovodi do privlačenja vodiča.
Globalni sustav pozicioniranja
Za najtočniju GPS navigaciju, sateliti moraju uzeti u obzir relativističke učinke. To je zbog činjenice da se, unatoč činjenici da se sateliti kreću puno sporije od svoje maksimalne brzine, i dalje kreću dovoljno brzo. Sateliti šalju svoje signale zemaljskim postajama. Oni, poput GPS navigatora automobila, pametnih telefona i drugih uređaja, doživljavaju veće ubrzanje zbog gravitacije nego sateliti u orbiti.
Da bi postigli savršenu točnost, sateliti se oslanjaju na supertočne satove koji određuju vrijeme do nanosekundi (milijarditih dijelova sekunde). Budući da je svaki satelit 20.300 kilometara iznad Zemlje i tamo putuje oko 10.000 kilometara na sat, postoji relativistička vremenska razlika od oko četiri mikrosekunde dnevno. Jednadžbi dodajte gravitaciju i broj će narasti na oko sedam mikrosekundi. Ovo je oko 7 tisuća nanosekundi.
Razlika je prilično velika: da se ne uzimaju u obzir relativistički učinci, GPS navigator bi prvog dana pogriješio za gotovo 8 kilometara.
Plemenita boja zlata
Metali izgledaju sjajno jer se elektroni u njihovim atomima kreću između različitih energetskih razina ili orbitala. Neki fotoni svjetlosti koji udaraju o metalnu površinu apsorbiraju se, a zatim emitiraju duljim valom svjetlosti. Većina vidljivih zraka svjetlosti jednostavno se reflektiraju.
Atom zlata je vrlo težak, pa se elektroni u jezgri kreću dovoljno brzo, što rezultira značajnim relativnim povećanjem mase. Kao rezultat toga, elektroni se okreću oko jezgre u kraćoj orbiti s većim zamahom. Elektroni u unutarnjim orbitalama nose naboj koji se približno podudara s nabojem vanjskih elektrona, odnosno apsorbiranu i odbijenu svjetlost karakterizira duži val.
Dulje valne duljine svjetlosti znače da su dio vidljive svjetlosti koja bi se obično samo odbila apsorbirali atomi, a taj je dio na plavom kraju spektra. To znači da je svjetlost koju odbija i emitira zlato bliža spektru duljih valnih duljina, odnosno ima više žute, narančaste i crvene boje, a gotovo da nema kratkovalnih plave i ljubičaste boje.
Zlato je gotovo neuništivo
Relativistički učinak viđen na elektrone u zlatu također je razlog zašto metal ne korodira i loše reagira s drugim elementima.
Zlato ima samo jedan elektron u vanjskoj elektronskoj ljusci, ali unatoč tome, ono je čak i manje aktivno od kalcija ili litija, koji su slične građe. Elektroni u zlatu su teži i zato se nalaze bliže jezgri atoma. To znači da će najudaljeniji vanjski elektron, najvjerojatnije, biti među "vlastitim" elektronima u unutarnjoj ljusci, nego što će početi reagirati s vanjskim elektronima drugog elementa.
Tekuće stanje žive
Poput zlata, živa također ima teške atome s elektronima koji kruže u blizini jezgre. Stoga slijedi relativno povećanje brzine i mase zbog smanjenja udaljenosti između jezgre i nabijene čestice.
Veze između atoma žive toliko su slabe da se živa topi na nižim temperaturama od ostalih metala i općenito je tekućina u većini slučajeva što se opaža u svakodnevnom životu.
Stari televizori i monitori
Ne tako davno, većina televizora i monitora bili su katodni uređaji. Katodna cijev je uređaj koji reproducira optičku sliku ispaljivanjem elektrona u snopovima ili snopovima zraka na luminiscentnu površinu velikim magnetom. Svaki elektron stvara osvijetljeni piksel nakon što udari u stražnji dio zaslona. Elektroni se lansiraju velikom brzinom jednakom oko 30% maksimalne brzine, odnosno brzine svjetlosti.
Da bi se oblikovala funkcionalna optička slika, elektromagneti instalirani u aparatu radi usmjeravanja elektrona na traženi dio ekrana morali su uzeti u obzir razne relativističke učinke kako ne bi poremetili cijeli sustav.
Nada Chikanchi
