Как работает теория относительности Эйнштейна в реальной жизни?

Специальная теория относительности, выдвинутая Альбертом Эйнштейном в 1905 году, является одной из самых влиятельных теорий в области теоретической и практической физики ХХ века. Ее знает любой физик, но как ее можно объяснить тем, кто никак не связан с наукой? Есть ли вещи и явления, наблюдаемые в повседневной жизни, которые могли бы продемонстрировать эту революционную теорию в действии?

Теория относительности

Сформулированная Альбертом Эйнштейном в 1905 году, научная теория относительности предполагает, что:

• все физические процессы протекают одинаково везде, и законы физики соблюдаются в любой среде;
• существует максимальная скорость распространения взаимодействий, не способная превысить скорость света;
• пространство и время однородны.

Теория объясняет поведение различных объектов в пространстве-времени, что позволяет предсказать все, от существования черных дыр, в которые не мог поверить и сам Эйнштейн, до гравитационных волн. Относительность кажется обманчиво простой, однако это не совсем так.

Влияние теории относительности

Теория относительности объясняет не только такие удивительные явления, как гравитационные волны и черные дыры, но и то, как по-разному воспринимается пространство-время в зависимости от скорости и направления движения объектов.

Если скорость света всегда является постоянной, это означает, что для космонавта, движущегося очень быстро относительно Земли, секунды протекают медленнее, чем для наблюдателя с Земли. Время по существу замедляется для астронавта.

Но нам не обязательно нужен космический корабль, чтобы наблюдать различные релятивистские эффекты. На самом деле существует немало случаев, когда специальная теория относительности, призванная улучшить механику Ньютона, проявляется в нашей повседневной жизни и технологиях, которые мы используем регулярно.

Электричество

Магнетизм - релятивистский эффект, и если вы пользуетесь электричеством, можете благодарить теорию относительности за то, что генераторы работают.

Если взять проводник и подвергнуть его воздействию магнитного поля, образуется электрический ток. Заряженные частицы в проводнике подвергаются воздействию изменяющегося магнитного поля, которое вынуждает их двигаться и создает электрический поток.

Электромагниты

Работа электромагнитов также прекрасно объясняется теорией относительности. Когда прямой поток электрического заряда проходит через провод, электроны в нем дрейфуют. Обычно провод кажется электрически нейтральным, без положительного или отрицательного заряда. Это - последствие наличия в нем одинакового количества протонов (положительные заряды) и электронов (отрицательные заряды). Но если поместить рядом с ним другой провод прямым потоком электричества, провода притягивают или отталкивают друг друга, в зависимости от направления, в котором перемещается ток в проводе.

Если ток перемещается в том же самом направлении, электроны из первого провода «воспринимают» электроны во втором проводе как неподвижные (если электрический заряд одинаковой силы). Между тем с точки зрения электронов протоны в обоих проводах находятся в движении. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся расположенными ближе друг к другу, таким образом, по всей длине провода положительного заряда больше, чем отрицательного. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, также отталкиваются и два провода.

Ток, перемещающийся в противоположных направлениях, приводит к тому, что проводники притягиваются.

Система глобального позиционирования

Для максимально точной GPS-навигации спутники должны принимать во внимание релятивистские эффекты. Это вызвано тем, что, несмотря на то что спутники перемещаются значительно медленнее максимальной скорости, они все же движутся достаточно быстро. Спутники шлют свои сигналы наземным станциям. Они, как и GPS-навигаторы автомобилей, смартфонов и других девайсов испытывают более высокое ускорение из-за силы тяжести, чем спутники на орбите.

Чтобы получить идеальную достоверность, спутники полагаются на супер-точные часы, определяющие время вплоть до наносекунд (миллиардные доли секунды). Так как каждый спутник расположен на 20 300 километров выше Земли и перемещается там со скоростью приблизительно в 10 тысяч километров в час, появляется релятивистская разница во времени, равная приблизительно четырем микросекундам в день. Добавьте в уравнение силу тяжести, и число вырастает приблизительно до семи микросекунд. Это около 7 тысяч наносекунд.

Различие вполне велико: если никакие релятивистские эффекты не учитывать, GPS-навигатор стал бы ошибаться почти на 8 километров в первый же день.

Благородный цвет золота

Металлы кажутся блестящими, потому что электроны в их атомах движутся между различными энергетическими уровнями или орбиталями. Некоторые фотоны света, попадающие на металлическую поверхность, поглощаются, а затем и испускаются более длинной световой волной. Большая часть видимых лучей света просто отражается.

Атом золота является очень тяжелым, таким образом, электроны в ядре перемещаются достаточно быстро, что приводит к значительному относительному увеличению массы. В результате электроны вращаются вокруг ядра по более короткой орбите с большим количеством импульса. Электроны во внутренних орбиталях несут в себе заряд, приблизительно совпадающий с зарядом внешних электронов, соответственно, поглощаемый и отражаемый свет характеризуется более длинной волной.

Более длинные световые волны означают, что часть видимого света, которая обычно просто отражается, поглощена атомами, и эта часть находится в синем конце спектра. Это означает, что отражаемый и испускаемый золотом свет ближе к более длинноволновому спектру, то есть в нем больше желтого, оранжевого и красного, и почти нет коротковолновых синего и фиолетового.

Золото практически не поддается эрозии

Релятивистский эффект, наблюдаемый на электронах золота, является также причиной того, что металл не разъедается и плохо реагирует с другими элементами.

У золота в наружной электронной оболочке только один электрон, но, несмотря на это, оно даже менее активно, чем похожие по строению кальций или литий. Электроны в золоте более тяжелые и поэтому расположены ближе к ядру атома. Это означает, что наиболее удаленный внешний электрон, вероятнее всего, окажется среди «своих» электронов во внутренней оболочке, чем начнет реакцию с внешними электронами другого элемента.

Жидкое состояние ртути

Подобно золоту, ртуть также отличается тяжелыми атомами с электронами, вращающимися близко к ядру. Отсюда следует относительное увеличение скорости и массы за счет сокращения расстояния между ядром и заряженной частицей.

Связи между атомами ртути настолько слабы, что ртуть тает при более низких температурах, чем другие металлы, и является, как правило, жидкой в большинстве случаев ее наблюдения в повседневной жизни.

Старые телевизоры и мониторы

Не так давно большая часть телевизоров и мониторов были электронно-лучевыми приборами. Электронно-лучевая трубка - это аппарат, который воспроизводит оптическое изображение, запуская электроны лучами или пучками лучей на люминесцентную поверхность с большим магнитом. Каждый электрон создает освещенный пиксель, после того как он ударяется об обратную сторону экрана. Электроны запускаются с большой скоростью, равной примерно 30% максимально допустимой скорости или скорости света.

Чтобы образовывалась функциональная оптическая картинка, электромагниты, установленные в аппарат для того, чтобы направлять электроны к необходимой части экрана, должны были принимать во внимание различные релятивистские эффекты, чтобы не нарушить всю систему.