Způsoby, jak vidět Einsteinovu teorii relativity v reálu

01/07/2022 Iveta Mauci 9 min read 264 Zobrazení Albert Einstein, realita, teorie relativity

man in yellow and blue hoodie wearing eyeglasses

Relativita je jednou z nejslavnějších vědeckých teorií 20. století, ale jak dobře vysvětluje věci, které vidíme v našem každodenním životě? Teorie relativity, kterou formuloval Albert Einstein od roku 1905, vysvětluje chování objektů v prostoru a čase a lze ji použít k předpovědi věcí, jako je existence černých děr, ohýbání světla v důsledku gravitace a chování planet v jejich oběžné dráze. Napsal server livescience.com.

Teorie je klamně jednoduchá. Za prvé, neexistuje žádný „absolutní“ referenční rámec. Pokaždé, když měříte rychlost objektu, jeho hybnost nebo jak prožívá čas, je to vždy ve vztahu k něčemu jinému. Zadruhé, rychlost světla je stejná bez ohledu na to, kdo ji měří nebo jak rychle měří osoba. Za třetí, nic nemůže jít rychleji než světlo.

Důsledky Einsteinovy nejslavnější teorie jsou hluboké. Pokud je rychlost světla vždy stejná, znamená to, že astronaut jedoucí velmi rychle vzhledem k Zemi bude měřit tikání sekund pomaleji než pozemský pozorovatel. Čas se pro astronauta v podstatě zpomaluje jev zvaný dilatace času.

Jakýkoli objekt ve velkém gravitačním poli zrychluje, takže také zažívá dilataci času. Mezitím kosmonautova kosmická loď zažije kontrakci délky, což znamená, že pokud byste vyfotografovali kosmickou loď, když prolétala, vypadala by, jako by byla „zmáčknuta“ ve směru pohybu. Astronautovi na palubě by však vše připadalo normální. Navíc se zdá, že hmotnost vesmírné lodi se z pohledu lidí na Zemi zvyšuje.

Ale k tomu, abyste viděli relativistické efekty , nutně nepotřebujete vesmírnou loď přibližující se rychlostí světla. Ve skutečnosti existuje několik příkladů relativity, které můžeme vidět v našem každodenním životě a technologiích, které dnes používáme a které ukazují, že Einstein měl pravdu. Zde je několik způsobů, jak vidíme relativitu v akci.

Elektromagnety

Magnetismus je relativistický efekt a můžete to vidět pomocí generátorů. Pokud vezmete smyčku drátu a posunete ji magnetickým polem, vytvoříte elektrický proud. Nabité částice v drátu jsou ovlivněny měnícím se magnetickým polem, které některé z nich nutí k pohybu a vytváří proud.

Ale teď si představte drát v klidu a představte si, že se magnet pohybuje. V tomto případě se nabité částice v drátu (elektrony a protony) již nepohybují, takže magnetické pole by je nemělo ovlivňovat. Ale je to tak a stále teče proud. To ukazuje, že neexistuje žádný privilegovaný referenční rámec.

Thomas Moore, profesor fyziky na Pomona College v Claremont, Kalifornie, používá princip relativity k demonstraci Faradayova zákona, který říká, že měnící se magnetické pole vytváří elektrický proud.

„Protože toto je základní princip transformátorů a elektrických generátorů, každý, kdo používá elektřinu, zažívá účinky relativity,“ řekl Moore Live Science.

Elektromagnety fungují také prostřednictvím teorie relativity. Když drátem protéká stejnosměrný elektrický náboj, elektrony se pohybují materiálem. Normálně by se drát zdál elektricky neutrální, bez čistého kladného nebo záporného náboje, protože drát má přibližně stejný počet protonů (kladné náboje) a elektronů (záporné náboje).

Ale pokud vedle něj položíte další drát se stejnosměrným proudem, dráty se podle fyziků z Univerzity v Illinois, vzájemně přitahují nebo odpuzují v závislosti na směru, kterým se proud pohybuje.

Za předpokladu, že se proudy pohybují stejným směrem, jsou elektrony ve druhém drátu nehybné ve srovnání s elektrony v prvním drátu. (To předpokládá, že proudy jsou přibližně stejně silné.) Mezitím se protony v obou drátech pohybují ve srovnání s elektrony v obou drátech. Vzhledem k relativistickému zkrácení délky se zdají být blíže rozmístěné, takže na délku drátu je více kladného než záporného náboje. Protože stejně jako náboje se odpuzují, odpuzují se také dva dráty.

Proudy v opačných směrech mají za následek přitažlivost, protože ve srovnání s prvním drátem jsou elektrony v druhém drátu více přeplněné, čímž se vytváří čistý záporný náboj, podle University Illinois v Urbana Champaign. Mezitím protony v prvním drátu vytvářejí čistý kladný náboj a opačné náboje se přitahují.

GPS navigace

Aby GPS navigace vašeho auta fungovala tak přesně, jak funguje, musí satelity brát v úvahu relativistické efekty, uvádí PhysicCentral. Je to proto, že i když se satelity nepohybují ani zdaleka rychlostí světla, stále se pohybují poměrně rychle. Satelity také vysílají signály do pozemních stanic na Zemi. Všechny tyto stanice (a technologie GPS v autě nebo chytrém telefonu) zažívají vyšší zrychlení v důsledku gravitace než satelity na oběžné dráze.

K dosažení této přesnosti je používají satelitní hodiny, které jsou přesné na několik nanosekund (miliardtiny sekundy). Protože každý satelit je 12 600 mil (20 300 kilometrů) nad Zemí a pohybuje se rychlostí asi 10 000 km/h, dochází k relativistické diletaci času, která každý den trvá asi 4 mikrosekundy. Přidejte účinky gravitace a efekt dilatace času se zvýší na přibližně 7 mikrosekund (miliontiny sekundy).

Rozdíl je velmi reálný: Kdyby se nepočítaly s žádnými relativistickými efekty, jednotka GPS, která vám řekne, že je to půl míle (0,8 km) k další čerpací stanici, by byla podle Physics vzdálena 5 mil (8 km) už po jednom dni. Centrální.

Zlato žlutá barva

Většina kovů je lesklá, protože elektrony v atomech přeskakují z různých energetických hladin neboli „orbitalů“. Některé fotony, které narazí na kov, jsou absorbovány a reemitovány, i když na delší vlnové délce. Většina viditelného světla se však odráží.

Zlato je těžký prvek, takže vnitřní elektrony se pohybují dostatečně rychle, aby relativistický nárůst hmoty a kontrakce délky byly významné, podle prohlášení Heldelberské univerzity v Německu. V důsledku toho se elektrony točí kolem jádra po kratších drahách s větší hybností. Elektrony ve vnitřních orbitalech nesou energii, která je blíže energii vnějších elektronů, a vlnové délky, které se absorbují a odrážejí, jsou delší. Delší vlnové délky světla znamenají, že část viditelného světla, které by se obvykle odrazilo, se pohltí a že světlo je na modrém konci spektra.

Bílé světlo je mixem všech barev bez duhy, ale v případě zlata, když je světlo absorbováno a reemitováno, jsou vlnové délky obvykle delší. To znamená, že směs světelných vln, které vidíme, má tendenci mít v sobě méně modré a fialové. Vzhledem k tomu, že žluté, oranžové a červené světlo mají delší vlnové délky než modré světlo, zlato se podle BBC jeví nažloutlé.

Odolnost zlata vůči korozi

Relativistický účinek na elektrony zlata je také jedním z důvodů, proč nekoroduje ani snadno nereaguje s ničím jiným, podle článku z roku 1998 v časopise Gold Bulletin.

Zlato má ve vnějším obalu pouze jeden elektron, ale stále není tak reaktivní jako vápník nebo lithium. Místo toho, protože elektrony ve zlatě jsou „těžší“, než by měly být, protože se pohybují blízko rychlosti světla a zvyšují svou hmotnost, jsou drženy blíže k atomovému jádru. To znamená, že nejvzdálenější elektron pravděpodobně nebude tam, kde může s čímkoli reagovat; je stejně pravděpodobné, že bude mezi elektrony, které jsou blízko jádra.

Tekutá rtuť

Rtuť je také těžký atom, s elektrony drženými blízko jádra kvůli jejich rychlosti a následnému nárůstu hmotnosti. Vazby mezi atomy rtuti jsou slabé, takže rtuť taje při nižších teplotách a podle Chemistry World je typicky kapalná, když ji vidíme.

Vaše stará televize

Katodová trubice používaná ve starém analogovém osciloskopu v laboratoři.

Až do počátku roku 2000 měla většina televizorů a monitorů obrazovky s katodovými trubicemi. Katodová trubice funguje tak, že pomocí velkého magnetu vystřeluje elektrony na fosforový povrch. Každý elektron vytvoří rozsvícený pixel, když dopadne na zadní stranu obrazovky, a elektrony vystřelí, aby se obraz pohyboval rychlostí až 30 % rychlosti světla. Relativistické efekty jsou patrné, a když výrobci tvarovali magnety, museli tyto efekty vzít v úvahu, jak uvádí PBS News Hour.

Světlo

black hole galaxy illustration — Snímek obří galaxie UGC 2885 z Hubbleova vesmírného dalekohledu.

Isac Newton předpokládal, že existuje absolutní klidová soustava nebo vnější dokonalá vztažná soustava, se kterou bychom mohli porovnat všechny ostatní vztažné soustavy. Kdyby měl pravdu, museli bychom pro světlo přijít s jiným vysvětlením, protože by se to vůbec nestalo.

„Nejen, že by neexistoval magnetismus, ale také by neexistovalo světlo, protože relativita vyžaduje, aby se změny v elektromagnetickém poli pohybovaly konečnou rychlostí, nikoli okamžitě,“ řekl Moore. „Pokud by relativita tento požadavek neprosazovala, změny v elektrických polích by byly sdělovány okamžitě… namísto elektromagnetických vln a magnetismus i světlo by byly zbytečné.“

Slunce

Bez Einsteinovy nejslavnější rovnice — E = mc^2 — by slunce a ostatní hvězdy nesvítily. Podle Ohio State University intentivní teploty a tlaky ve středu naší mateřské hvězdy neustále stlačují čtyři samostatné atomy vodíku do jediného atomu helia. Hmotnost jednoho atomu helia je jen o něco menší než hmotnost čtyř atomů vodíku. Co se stane s extra hmotou? Přímo se přeměňuje na energii, která se na naší planetě projevuje jako sluneční světlo.

Zdroj: livescience.com