Альберт Эйнштейн сформулировал теорию относительности в начале XIX века и впервые представил её на суд общественности в 1905-м. С помощью неё удалось объяснить поведение объектов в пространстве и времени. Она помогла обосновать существование чёрных дыр и движение планет на орбитах. Она же стала основой рассуждений об относительности времени. Те, кто находится на орбите, к примеру, воспринимают его течение в замедленном действии. Впрочем, важно понимать, что теория относительности проявляет себя не только в околокосмическом пространстве. Она вполне себе актуальна и в обычной жизни.
💡 Интересно, что труд жизни Эйнштейна многим кажется примитивным. Подобное мнение ошибочно. Сложность понимания теории относительности базируется на отсутствии абсолютной системы отсчёта для динамики перемещения определённого объекта. И это особенно касается измерения скорости света.
Электромагниты, движение тока по проводам
Магнетизм особенно хорошо проявляется при использовании генератора. Он создаёт электричество, когда в магнитное поле помещается петля проволоки. Заряженные частицы на ней поддаются соответствующему влиянию, начинают двигаться и создают ток. Если допустить, что провод находится в состоянии покоя, а движение связано лишь с магнитом — в этом случае заряженные частицы уже не двигаются, поэтому на них не должно влиять магнитное поле. Но на практике это не так, что подчёркивает отсутствие привилегированной системы отсчёта. В этом и смысл теории относительности.
Томас Мур (Thomas Moore), профессор физики колледжа Помона в Клермонте (США), использует принцип относительности, чтобы продемонстрировать закон Фарадея, — он гласит, что меняющееся магнитное поле создаёт электрический ток.
Поскольку это основной принцип трансформаторов и электрических генераторов, любой, кто использует электричество, сталкивается с эффектом относительности.
Физики из Иллинойского университета в Урбана-Шампейне обратили внимание на другой интересный факт, который также связывают с теорией относительности Эйнштейна. Когда по кабелю проходит постоянный ток, он должен быть электрически нейтральными, ведь внутри него одинаковое число отрицательно заряженных электронов и положительных протонов. Впрочем, когда рядом оказывается ещё один, кабели либо притягиваются, либо отталкиваются, в зависимости от движения тока.
Если предположить, что токи движутся в одном направлении с условно одинаковой скоростью, электроны во втором кабеле неподвижны в сравнении с этими же частицами в первом. Но по отношению к электронам протоны находятся в непрерывном движении. Из-за релятивистского (так называют эффекты, которые базируются на близкой к свету скорости) сокращения длины они, как предполагается, расположены более близко друг к другу, поэтому в кабеле больше положительного заряда, чем отрицательного — вот почему кабели отталкиваются. Ну, и наоборот, если развернуть один из них в противоположное направление.
GPS-навигация в автомобилях и смартфонах
В PhysicsCentral утверждают, что для максимально точного позиционирования через GPS-навигацию оборудование на спутниках также обязано учитывать релятивистские эффекты. Несмотря на то, что движение этих искусственных небесных тел далеко по скорости от света, они всё равно слишком быстрые. При этом они посылают сигналы на наземные станции (а также в навигаторы автомобилей и смартфонов), на которые действует сила тяжести, отсутствующая в космосе.
Чтобы максимизировать точность позиционирования, спутники используют часы с коррекцией времени до нескольких наносекунд (миллиардных долей секунды). Так как спутники находятся на расстоянии более 20 000 километров над поверхностью Земли и движутся со скоростью около 10 000 километров в час, в силу вступает релятивистское замедление времени — около 4 микросекунд (миллионных долей секунды) каждый день. А если учитывать ещё и гравитационные эффекты, отклонение по времени может достигать до 7 микросекунд в день.
💡 Важно понимать, если бы GPS-устройства не учитывали отклонения, связанные с теорией относительности Эйнштейна, навигатор в автомобиле показывал бы, что до ближайшей заправки на расстоянии 8 километров ехать, условно, никак не меньше 24 часов.
Жёлтый, оранжевый и красный оттенки золота
У большинства металлов блестящий оттенок только потому, что электроны в атомах непрерывно перепрыгивают из разных энергетических уровней, называемых орбиталами. Некоторые фотоны света, конечно же, поглощаются, но большинство отражается, формируя знакомый блеск. Это же касается золота, которое считается тяжёлым элементом. Поэтому электроны внутри него движутся достаточно быстро, чтобы говорить о действии релятивистских эффектов. По крайней мере, так считают специалисты Гейдельбергского университета Германии.
Электроны внутри золота вращаются вокруг ядра по более коротким путям и с бóльшим импульсом. Отрицательно заряженные частицы во внутренних орбиталях несут энергию, которая ближе к внешним электронам, а волны, которые поглощаются и отражаются, длиннее. Из-за этого синий и фиолетовый оттенки нивелируются. Учитывая, что белый — смесь всех цветов радуги, при этом остаются жёлтый, оранжевый и красный цвета. Собственно, именно поэтому в BBC считают, что золото визуально воспринимается таким.
Золото не восприимчиво к коррозии
В 1998 году в журнале Gold Bulletin опубликовали статью, которая объясняет, как релятивистское воздействие на электроны золота связано с его невосприимчивостью к коррозии. Во внешней оболочке структуры золота находится только один электрон, но оно всё равно не так реактивно, как кальций или литий. Электроны золота движутся близко к скорости света, увеличивая свою массу, и удерживаются ближе к ядру атома. Поэтому они ограждены от взаимодействия с окружающим миром, что исключает возникновение коррозии.
У ртути невысокая температура плавления
Специалисты Chemistry World утверждают, что ртуть в обычных условиях находится в жидком состоянии из-за всё тех же релятивистских эффектов. Электроны в данном случае также расположены близко к ядру из-за крайне высокой скорости и планомерного увеличения массы. Это способствует ослаблению связей между атомами, что приводит к крайне невысокой температуре плавления.
Принцип работы телевизоров с кинескопом
По данным PBS News Hour, в производстве старых телевизоров, которые ориентировочно выпускались до 2000-х, также использовались принципы теории относительности Эйнштейна. Каждый электрон в их лучевой трубке двигался со скоростью до 30% от света и создавал освещённый пиксель, попадая на заднюю часть экрана. Поэтому при проектировании данного элемента производители обязаны были учитывать пресловутые релятивистские эффекты.
Распространение света в пространстве
Исаак Ньютон предполагал, что существует абсолютный покой, который получится считать идеальной системой отсчёта. Но на практике это не так. В данном случае все элементы в пространстве должны были бы находиться без движения, что противоречит принципам теории относительности Эйнштейна и ставит крест на возможностях распространения света. Это подтверждает Томас Мур.
Не только магнетизма не будет существовать, но и не будет света, потому что теория относительности требует, чтобы изменения в электромагнитном поле происходили с конечной скоростью, а не мгновенно. Если бы теория относительности не обеспечивала соблюдение этого требования, изменения в электрических полях производились бы мгновенно, а не через электромагнитные волны. Тогда магнетизм и свет оказались бы «за бортом».
Свет, исходящий от Солнца и других звёзд
По данным Университета штата Огайо, без теории относительности Эйнштейна Солнце и другие звёзды банально не будут светить. Дело в том, что в их центре высокие температура и давление постоянно сжимают четыре отдельных атома водорода в один атом гелия. Масса одного атома гелия чуть меньше массы четырёх атомов водорода. Дополнительная масса превращается напрямую в энергию, которая проявляется в виде света. Это же подчёркивает значимость уравнения эквивалентности массы и энергии E = mc2, которое представляет собой физическое объяснение теории относительности.
💡 Что означает E = mc2? Полная энергия физического объекта в состоянии покоя равна его массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме («Википедия»).
Источник: Live Science.
