![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
asthfghl
Теорията на относителността е една от най-знаменитите научни теории на XX в. Но доколко добре обяснява тя явленията, които наблюдаваме в обичайния живот?
Формулирана от Алберт Айнщайн през 1905 г., Теорията на относителността в общи линии постулира, че законите на физиката са еднакви навсякъде. Теорията обяснява поведението на обектите в пространството и времето и може да се използва за прогнозиране на всякакви явления - от съществуването на черни дупки до изкривяването на светлината в присъствието на гравитация, до поведението на планетата Меркурий в своята орбита.
Теорията е измамно проста. Първо, според нея не съществува такова нещо като "абсолютна" отправна система. Всеки път, когато измерваме скоростта на даден обект или неговия момент, или начина, по който той се съотнася към времето, го правим по отношение на някаква друга отправна точка. Второ, скоростта на светлината винаги е една и съща, независимо кой я измерва или колко бързо се движи той. И трето, нищо не може да се движи по-бързо от светлината.
Последствията от най-известната теория на Айнщайн са значителни. Ако скоростта на светлината е непроменлива, това означава, че един астронавт, който се движи много бързо спрямо Земята, видимо ще усеща как секундите се точат много по-бавно, отколкото един разположен на Земята наблюдател - т.е. времето значително се забавя за астронавта - явление, известно като забавяне на времето.
Всеки обект, попаднал в голямо гравитационно поле, се ускорява - следователно той също ще изпитва забавяне на времето. Същевременно, при космическия апарат на астронавта ще се наблюдава скъсяване на дължината му - което означава, че ако заснемем космически кораб, докато той прелита покрай нас, ще изглежда, сякаш той се е "сгънал" по посока на движението си. За един астронавт на борда му обаче всичко ще си изглежда съвсем нормално. Освен това, масата на космическия апарат изглежда ще се е увеличила от гледна точка на страничния наблюдател.
Но всъщност не ни трябва цял космически кораб, който прелита със скорост, близка до светлинната, за да наблюдаваме релативистичните ефекти. В действителност има няколко вида случаи, при които относителността може да се наблюдава. И редица съвременни технологии ежедневно демонстрират, че Айнщайн е бил прав. Ето няколко начина да видим относителността в действие.
1. GPS системите
За да може да функционира GPS системата на автомобила ни по достатъчно прецизен начин, сателитите се налага да взимат под внимание релативистичните ефекти. Това е така, защото макар че сателитите не се движат със скорост, близка до светлинната, те все пак прелитат доста бързо. Сателитите изпращат сигнали до наземни станции на Земята, които (подобно на джипиеса в колата ни) също изпитват по-силно ускорение поради по-силната гравитация при земната повърхност в сравнение с тази, изпитвана от сателитите в орбита.
За да се постигне максимална прецизност, сателитите използват атомни часовници, които са точни до няколко милиардни части от секундата (наносекунди). Тъй като всеки сателит кръжи на 20 300 км над Земята и се движи с около 10 000 кмч, се получава релативистично забавяне на времето, което се равнява на около 4 микросекунди на ден. Ако добавим и ефекта от гравитацията, тази цифра достига 7 микросекунди. Което е цели 7000 наносекунди.
Така че разликата си е много реална. Ако не отчитахме релативистичните ефекти, GPS системата би ни пратила на грешното място - например би ни "излъгала", че до най-близката бензиностанция остават 800 м, докато тя всъщност е на 8 км. И това би ни объркало всичките планове за деня. Да не говорим пък колко опасно би било това за морската навигация или за изгубения сред пустошта турист.
2. Електромагнитите
Магнетизмът по същността си представлява релативистичен ефект. И това, че днес използваме електричество, се дължи на относителността. Без нея електрогенераторите изобщо не биха работили.
Ако вземем намотка от проводник и я преведем през магнитно поле, ще генерираме електрически поток. Заредените частици в проводника се влияят от променящото се магнитно поле, което кара някои от тях да се движат - и така се поражда токът.
Но да си представим сега как проводникът е в покой, а един магнит се движи покрай нея. В този случай, заредените частици в проводника (електрони и протони) вече не се движат, така че магнитното поле не би трябвало да им влияе. И въпреки това то пак им влияе - и токът отново протича. Това показва, че в природата не съществува "привилегирована" или "приоритетна" отправна рамка.
Така може да се демонстрира Законът на Фарадей, според който едно променливо магнитно поле поражда електрически ток. Тъй като това е основният принцип на трансформаторите и електрогенераторите, всеки, който използва електричеството, е пряк свидетел на ефектите от относителността.
Също така, електромагнитите работят чрез относителността. Когато прав ток от електрически заряд протича по един проводник, електроните "плават" по протежение на материала. Обикновено проводникът би изглеждал електрически неутрален - без нетен положителен или отрицателен заряд. Това е вследствие на наличието на еднакъв брой протони (положително заредени частици) и електрони (отрицателно заредени частици). Но ако поставим друг проводник в съседство и по нея тече прав ток, двата проводника започват или да се привличат, или да се отблъскват, в зависимост от това в коя посока тече токът.
Ако приемем, че потоците се движат в една и съща посока, електроните в първия проводник ще "възприемат" тези от втория като неподвижни (разбира се - при положение, че двата потока са с еднаква сила). Същевременно, от гледна точка на електроните, протоните в двата проводника ще изглеждат, сякаш се движат. Поради релативистичното скъсяване на дължините, те ще изглеждат, сякаш са по-нагъсто разположени, така че ще имаме по-голям положителен заряд на единица дължина от проводника, отколкото отрицателен. Тъй като еднаквите заряди се отблъскват, двата проводника също ще се отблъснат.
Токове с противоположна посока ще се привличат, тъй като от гледна точка на първия проводник, електроните във втория ще изглеждат по-сгъстени, което ще породи отрицателен заряд. Същевременно, протоните от първия проводник ще създават нетен положителен заряд - и противоположните заряди ще се притеглят.
3. Жълтият цвят на златото
Повечето метали са бляскави, тъй като електроните в техните атоми прескачат между различни енергийни нива, или т.нар. "орбити". Някои фотони, които попадат върху метала, се поглъщат от него и след това биват отново излъчени обратно, макар и вече с по-голяма дължина на вълната (поради загубата на енергия). Все пак, по-голямата част от видимия спектър на светлината просто се отразява обратно в околната среда.
Златото има тежки атоми, така че вътрешните електрони се движат достатъчно бързо, че релативистичната маса да нараства значително, както и скъсяването на дължините им да е значително. В резултат на това, електроните обикалят около своите ядра по по-кратки траектории, а и с по-голям момент. Електроните във вътрешните орбити носят енергии, които са близки до тези на външните електрони, а дължините на вълните, които се поглъщат и отразяват, са по-големи.
По-дългите дължини на свелината означават, че част от видимата светлина, която иначе просто би се отразила, сега се поглъща - и тази светлина е преобладаващо в по-късата, синя част от спектъра. Бялата светлина представлява сбор от всички цветове на дъгата, но в случая със златото, когато светлината се поглъща и отново се излъчва, дължините обикновено са по-големи. Това означава, че смесицата от дължини на вълната, която наблюдаваме, ще проявява изразена липса на синьо и виолетово. Сякаш синьото е било погълнато "по-лакомо" от материала. Съответно това кара златото да изглежда жълтеникаво, тъй като жълтото, оранжевото и червеното имат по-голяма дължина на вълната, отколкото синьото и виолетовото.
4. Златото трудно корозира
Релативистичният ефект от електроните на златото също е и причина този метал да не корозира и да не реагира така лесно с други вещества.
Златото има само един електрон в най-външната си обвивка, но все пак той не е така реактивен като този на калция или лития. Вместо това, електроните на златото, бидейки "по-тежки" от обичайното, са придържани по-близко към атомното ядро. Това означава, че е много по-малко вероятно най-външният електрон да е на място, където би реагирал с нещо друго - всъщност е много по-вероятно той да се намира в обсега на своите "събратя" електрони от собствения си атом, които са извънредно близко разположени до собственото ядро.
5. Живакът е течен
Подобно на златото, живакът също е тежък атом и електроните му са придържани близко до ядрото поради тяхната скорост на движение и съответно увеличаването на масата им. При живака, връзките между тези атоми са слаби, така че той се топи при по-ниски температури и обикновено се среща в течно състояние.
6. Старите телевизори
Доскоро, повечето телевизори и монитори са разполагали с катодни тръбични екрани. Един такъв екран работи, като изстрелва електрони срещу фосфорна повърхност посредством голям магнит. Всеки електрон образува осветен пиксел, когато попадне върху екрана. Електроните се изстрелват, за да накарат така получената картина да се движи със скорост, достигаща 30% от скоростта на светлината. В този случай релативистичните ефекти стават наблюдаеми, а когато производителите оформят магнитите, на тях им се налага да вземат под внимание тези ефекти.
7. Естеството на светлината
Ако Исак Нютон бе прав в предположението си, че съществува абсолютна отправна рамка, то щеше да ни се наложи да обясним светлината по съвсем различен начин, тъй като иначе тя изобщо не би съществувала.
Не само, че магнетизмът не би съществувал, но и светлината също нямаше да съществува, тъй като относителността изисква промените в дадено електромагнитно поле да се разпространяват с определена крайна скорост, вместо мигновено. Ако относителността не налагаше това изискване, всяка промяна в електромагнитните полета би се разпространила мигновено - вместо чрез електромагнитни вълни. И тогава магнетизмът и светлината биха били безполезни.
8. Ядрените електроцентрали и свръхновите звезди
Относителността е причината масата и енергията да могат да се превръщат една в друга, което е именно начинът, по който работят ядрените електроцентрали. Това е и причината Слънцето да свети. Друг важен ефект са екзплозиите на свръхнови, които бележат смъртта на по-масивните звезди.
Свръхновите съществуват, тъй като в даден критичен момент релативистичните ефекти най-сетне успяват да преодолеят квантовите ефекти в ядрото на една достатъчно масивна звезда и така й позволяват внезапно да колабира под собствената си тежест, докато накрая не се превърне в много по-малка и плътна неутронна звезда.
В една свръхнова, външните слоеве от звездата пропадат към ядрото и предизвикват колосална експлозия, която, освен всичко друго, също "сготвя" и някои по-тежки химични елементи като например желязото. Всъщност почти всички известни на нас тежки елементи са били създадени при експлозии на свръхнови.
За да съществува живот е необходима комплексна химия. А за нейното наличие са нужни тъкмо такива тежки елементи. Така на практика ние сме създадени от космически прах, който е бил изхвърлен от свръхнови. Ако относителността не съществуваше, дори най-масивните звезди биха приключили живота си като скучни бели джуджета. Те никога не биха се взривили, а нас нямаше да ни има, за да стоим сега тук и да се дивим на изумителната Вселена, която ни заобикаля.
Теорията е измамно проста. Първо, според нея не съществува такова нещо като "абсолютна" отправна система. Всеки път, когато измерваме скоростта на даден обект или неговия момент, или начина, по който той се съотнася към времето, го правим по отношение на някаква друга отправна точка. Второ, скоростта на светлината винаги е една и съща, независимо кой я измерва или колко бързо се движи той. И трето, нищо не може да се движи по-бързо от светлината.
Последствията от най-известната теория на Айнщайн са значителни. Ако скоростта на светлината е непроменлива, това означава, че един астронавт, който се движи много бързо спрямо Земята, видимо ще усеща как секундите се точат много по-бавно, отколкото един разположен на Земята наблюдател - т.е. времето значително се забавя за астронавта - явление, известно като забавяне на времето.
Всеки обект, попаднал в голямо гравитационно поле, се ускорява - следователно той също ще изпитва забавяне на времето. Същевременно, при космическия апарат на астронавта ще се наблюдава скъсяване на дължината му - което означава, че ако заснемем космически кораб, докато той прелита покрай нас, ще изглежда, сякаш той се е "сгънал" по посока на движението си. За един астронавт на борда му обаче всичко ще си изглежда съвсем нормално. Освен това, масата на космическия апарат изглежда ще се е увеличила от гледна точка на страничния наблюдател.
Но всъщност не ни трябва цял космически кораб, който прелита със скорост, близка до светлинната, за да наблюдаваме релативистичните ефекти. В действителност има няколко вида случаи, при които относителността може да се наблюдава. И редица съвременни технологии ежедневно демонстрират, че Айнщайн е бил прав. Ето няколко начина да видим относителността в действие.
1. GPS системите
За да може да функционира GPS системата на автомобила ни по достатъчно прецизен начин, сателитите се налага да взимат под внимание релативистичните ефекти. Това е така, защото макар че сателитите не се движат със скорост, близка до светлинната, те все пак прелитат доста бързо. Сателитите изпращат сигнали до наземни станции на Земята, които (подобно на джипиеса в колата ни) също изпитват по-силно ускорение поради по-силната гравитация при земната повърхност в сравнение с тази, изпитвана от сателитите в орбита.
За да се постигне максимална прецизност, сателитите използват атомни часовници, които са точни до няколко милиардни части от секундата (наносекунди). Тъй като всеки сателит кръжи на 20 300 км над Земята и се движи с около 10 000 кмч, се получава релативистично забавяне на времето, което се равнява на около 4 микросекунди на ден. Ако добавим и ефекта от гравитацията, тази цифра достига 7 микросекунди. Което е цели 7000 наносекунди.
Така че разликата си е много реална. Ако не отчитахме релативистичните ефекти, GPS системата би ни пратила на грешното място - например би ни "излъгала", че до най-близката бензиностанция остават 800 м, докато тя всъщност е на 8 км. И това би ни объркало всичките планове за деня. Да не говорим пък колко опасно би било това за морската навигация или за изгубения сред пустошта турист.
2. Електромагнитите
Магнетизмът по същността си представлява релативистичен ефект. И това, че днес използваме електричество, се дължи на относителността. Без нея електрогенераторите изобщо не биха работили.
Ако вземем намотка от проводник и я преведем през магнитно поле, ще генерираме електрически поток. Заредените частици в проводника се влияят от променящото се магнитно поле, което кара някои от тях да се движат - и така се поражда токът.
Но да си представим сега как проводникът е в покой, а един магнит се движи покрай нея. В този случай, заредените частици в проводника (електрони и протони) вече не се движат, така че магнитното поле не би трябвало да им влияе. И въпреки това то пак им влияе - и токът отново протича. Това показва, че в природата не съществува "привилегирована" или "приоритетна" отправна рамка.
Така може да се демонстрира Законът на Фарадей, според който едно променливо магнитно поле поражда електрически ток. Тъй като това е основният принцип на трансформаторите и електрогенераторите, всеки, който използва електричеството, е пряк свидетел на ефектите от относителността.
Също така, електромагнитите работят чрез относителността. Когато прав ток от електрически заряд протича по един проводник, електроните "плават" по протежение на материала. Обикновено проводникът би изглеждал електрически неутрален - без нетен положителен или отрицателен заряд. Това е вследствие на наличието на еднакъв брой протони (положително заредени частици) и електрони (отрицателно заредени частици). Но ако поставим друг проводник в съседство и по нея тече прав ток, двата проводника започват или да се привличат, или да се отблъскват, в зависимост от това в коя посока тече токът.
Ако приемем, че потоците се движат в една и съща посока, електроните в първия проводник ще "възприемат" тези от втория като неподвижни (разбира се - при положение, че двата потока са с еднаква сила). Същевременно, от гледна точка на електроните, протоните в двата проводника ще изглеждат, сякаш се движат. Поради релативистичното скъсяване на дължините, те ще изглеждат, сякаш са по-нагъсто разположени, така че ще имаме по-голям положителен заряд на единица дължина от проводника, отколкото отрицателен. Тъй като еднаквите заряди се отблъскват, двата проводника също ще се отблъснат.
Токове с противоположна посока ще се привличат, тъй като от гледна точка на първия проводник, електроните във втория ще изглеждат по-сгъстени, което ще породи отрицателен заряд. Същевременно, протоните от първия проводник ще създават нетен положителен заряд - и противоположните заряди ще се притеглят.
3. Жълтият цвят на златото
Повечето метали са бляскави, тъй като електроните в техните атоми прескачат между различни енергийни нива, или т.нар. "орбити". Някои фотони, които попадат върху метала, се поглъщат от него и след това биват отново излъчени обратно, макар и вече с по-голяма дължина на вълната (поради загубата на енергия). Все пак, по-голямата част от видимия спектър на светлината просто се отразява обратно в околната среда.
Златото има тежки атоми, така че вътрешните електрони се движат достатъчно бързо, че релативистичната маса да нараства значително, както и скъсяването на дължините им да е значително. В резултат на това, електроните обикалят около своите ядра по по-кратки траектории, а и с по-голям момент. Електроните във вътрешните орбити носят енергии, които са близки до тези на външните електрони, а дължините на вълните, които се поглъщат и отразяват, са по-големи.
По-дългите дължини на свелината означават, че част от видимата светлина, която иначе просто би се отразила, сега се поглъща - и тази светлина е преобладаващо в по-късата, синя част от спектъра. Бялата светлина представлява сбор от всички цветове на дъгата, но в случая със златото, когато светлината се поглъща и отново се излъчва, дължините обикновено са по-големи. Това означава, че смесицата от дължини на вълната, която наблюдаваме, ще проявява изразена липса на синьо и виолетово. Сякаш синьото е било погълнато "по-лакомо" от материала. Съответно това кара златото да изглежда жълтеникаво, тъй като жълтото, оранжевото и червеното имат по-голяма дължина на вълната, отколкото синьото и виолетовото.
4. Златото трудно корозира
Релативистичният ефект от електроните на златото също е и причина този метал да не корозира и да не реагира така лесно с други вещества.
Златото има само един електрон в най-външната си обвивка, но все пак той не е така реактивен като този на калция или лития. Вместо това, електроните на златото, бидейки "по-тежки" от обичайното, са придържани по-близко към атомното ядро. Това означава, че е много по-малко вероятно най-външният електрон да е на място, където би реагирал с нещо друго - всъщност е много по-вероятно той да се намира в обсега на своите "събратя" електрони от собствения си атом, които са извънредно близко разположени до собственото ядро.
5. Живакът е течен
Подобно на златото, живакът също е тежък атом и електроните му са придържани близко до ядрото поради тяхната скорост на движение и съответно увеличаването на масата им. При живака, връзките между тези атоми са слаби, така че той се топи при по-ниски температури и обикновено се среща в течно състояние.
6. Старите телевизори
Доскоро, повечето телевизори и монитори са разполагали с катодни тръбични екрани. Един такъв екран работи, като изстрелва електрони срещу фосфорна повърхност посредством голям магнит. Всеки електрон образува осветен пиксел, когато попадне върху екрана. Електроните се изстрелват, за да накарат така получената картина да се движи със скорост, достигаща 30% от скоростта на светлината. В този случай релативистичните ефекти стават наблюдаеми, а когато производителите оформят магнитите, на тях им се налага да вземат под внимание тези ефекти.
7. Естеството на светлината
Ако Исак Нютон бе прав в предположението си, че съществува абсолютна отправна рамка, то щеше да ни се наложи да обясним светлината по съвсем различен начин, тъй като иначе тя изобщо не би съществувала.
Не само, че магнетизмът не би съществувал, но и светлината също нямаше да съществува, тъй като относителността изисква промените в дадено електромагнитно поле да се разпространяват с определена крайна скорост, вместо мигновено. Ако относителността не налагаше това изискване, всяка промяна в електромагнитните полета би се разпространила мигновено - вместо чрез електромагнитни вълни. И тогава магнетизмът и светлината биха били безполезни.
8. Ядрените електроцентрали и свръхновите звезди
Относителността е причината масата и енергията да могат да се превръщат една в друга, което е именно начинът, по който работят ядрените електроцентрали. Това е и причината Слънцето да свети. Друг важен ефект са екзплозиите на свръхнови, които бележат смъртта на по-масивните звезди.
Свръхновите съществуват, тъй като в даден критичен момент релативистичните ефекти най-сетне успяват да преодолеят квантовите ефекти в ядрото на една достатъчно масивна звезда и така й позволяват внезапно да колабира под собствената си тежест, докато накрая не се превърне в много по-малка и плътна неутронна звезда.
В една свръхнова, външните слоеве от звездата пропадат към ядрото и предизвикват колосална експлозия, която, освен всичко друго, също "сготвя" и някои по-тежки химични елементи като например желязото. Всъщност почти всички известни на нас тежки елементи са били създадени при експлозии на свръхнови.
За да съществува живот е необходима комплексна химия. А за нейното наличие са нужни тъкмо такива тежки елементи. Така на практика ние сме създадени от космически прах, който е бил изхвърлен от свръхнови. Ако относителността не съществуваше, дори най-масивните звезди биха приключили живота си като скучни бели джуджета. Те никога не биха се взривили, а нас нямаше да ни има, за да стоим сега тук и да се дивим на изумителната Вселена, която ни заобикаля.
