8 kasdieniai pavyzdžiai, patvirtinantys, kad reliatyvumo teorija – ne melas

Reliatyvumas yra viena garsiausių XX amžiaus mokslinių teorijų, bet kaip ji paaiškina reiškinius, su kuriais susiduriame savo kasdieniame gyvenime?

1905 metais Alberto Einsteino suformuluota reliatyvumo teorija grindžiama teiginiu, kad fizikos dėsniai visur yra vienodi. Teorija paaiškina objektų judėjimą erdvės bei laiko atžvilgiu ir gali būti naudojama numatant tiek juodųjų bedugnių egzistavimą, tiek šviesos išsikraipymą dėl gravitacijos, tiek Merkurijaus judėjimą savo orbitoje.

Ši teorija yra apgaulingai paprasta. Pirma, ji teigia, kad nėra jokio „absoliutaus“ atskaitos taško. Kiekvieną kartą matuojant objekto greitį, arba jo momentą, arba kaip jis patiria laiką, visi matavimai turi būti atliekami kieno nors atžvilgiu. Antra, šviesos greitis yra pastovus, nepaisant to, kas jį matuoja ir kokiu greičiu juda jo matuotojas. Trečia, nėra didesnio greičio už šviesos greitį.

Garsiausios A. Einsteino teorijos implikacijos yra labai svarbios. Jeigu šviesos greitis visuomet yra pastovus, tai reiškia, kad astronautas, Žemės atžvilgiu judantis labai greitai, tiksinčias sekundes matuos lėčiau negu Žemėje esantis stebėtojas: astronautui laiko tėkmė sulėtės.

Bet koks objektas, atsidūręs didelės gravitacijos lauke, pradeda judėti greičiau, taigi jis taip pat patirs laiko sulėtėjimo reiškinį. Tuo tarpu astronauto erdvėlaivis atrodys trumpesnis: tai reiškia, kad padarius praskrendančio kosminio laivo nuotrauką, jis atrodys taip, tarsi būtų suspaustas judėjimo kryptimi. Tačiau pačiam astronautui erdvėlaivyje viskas atrodys normalu. Be to, erdvėlaivio masė, jei ją matuotų Žemėje esantys žmonės, atrodys didesnė.

Tačiau norint įsitikinti reliatyvumo efektais, jums nebūtina stebėti erdvėlaivio, švilpiančio beveik šviesos greičiu. Kasdieniame gyvenime galima aptikti ne vieną reliatyvumo teorijos pritaikymo pavyzdį ir netgi šiandien naudojamos technologijos demonstruoja, kad A. Einsteinas buvo teisus. Svetainė livescience.com pateikia kelis pavyzdžius, įrodančius, kad reliatyvumo teorija veikia.

1. Pasaulinė pozicionavimo sistema (GPS)

Kad jūsų automobilio GPS navigacija veiktų deramai, palydovai turi įvertinti reliatyvumo poveikį. Taip yra dėl to, kad palydovai, nors ir neskrieja šviesai artimu greičiu, juda gana greitai. Palydovai taip pat siunčia signalus į stotis Žemėje. Šios stotys (kaip ir GPS imtuvai jūsų automobilyje) dėl gravitacijos patiria didesnę akseleraciją negu orbitoje skriejantys palydovai.

Kad užtikrintų precizišką tikslumą, palydovai naudoja laikrodžius, matuojančius laiką kelių milijardinių sekundės dalių (nanosekundžių) tikslumu. Kadangi kiekvienas palydovas yra 20 300 km aukštyje virš Žemės ir skrieja maždaug 10 000 km/h greičiu, laikas kiekvieną dieną sulėtėtų maždaug 4 mikrosekundėmis. Atsižvelgus į gravitacijos poveikį, šis rodiklis padidėtų iki 7 mikrosekundžių. Tai yra 7 tūkst. nanosekundžių.

Skirtumas tampa labai realus: jeigu nebūtų atsižvelgta į reliatyvumo poveikį, GPS imtuvas, rodantis, kad iki degalinės liko 1 km, vos po vienos dienos suklystų dešimtimi kilometrų.

2. Elektromagnetai

Magnetizmas yra reliatyvumo pasekmė, ir jei naudojate elektrą, turėtumėt padėkoti reliatyvumui už tai, kad generatoriai apskritai veikia.

Jei paimsite laido kilpą ir perleisite ją per magnetinį lauką, sukursite elektros srovę. Įkrautas laido daleles veikia kintantis magnetinis laukas, kuris priverčia kai kurias iš jų judėti ir taip sukuria srovę.

Tačiau dabar palikite laidą ramybėje ir įsivaizduokite, kad juda magnetas. Šiuo atveju įkrautos laido dalelės (elektronai ir protonai) nejudės, todėl magnetinis laukas neturėtų jų veikti. Tačiau jis veikia ir srovė teka toliau. Tai rodo, kad nėra jokios privilegijuotos atskaitos sistemos.

Fizikos profesorius Thomas Moore`as iš Pomonos koledžo Kalifornijos Klarmonto mieste pasitelkia šį reliatyvumo principą, kad pademonstruotų, kodėl Faradėjaus dėsnis, teigiantis, kad kintantis magnetinis laukas kuria elektros srovę, yra teisingas.

„Kadangi tai pamatinis transformatorių ir elektros generatorių principas, visi, naudojantys elektrą, patiria reliatyvumo poveikį“, - sakė Th. Moore`as.

Elektromagnetų veikimas taip pat remiasi reliatyvumu. Kai laidu teka nuolatinė elektros srovė, elektronai prateka pro medžiagą. Paprastai laidas atrodytų elektriškai neutralus, be teigiamo ir neigiamo krūvių. Taip yra dėl maždaug vienodo protonų (teigiamo krūvio) ir neutronų (neigiamo krūvio) skaičiaus. Tačiau jei šalia padėsite kitą laidą su nuolatine srove, laidai trauks arba stums vienas kitą, nelygu, kuria kryptimi judės srovė.

Jei srovės tekės ta pačia kryptimi, pirmojo laido elektronams antrojo laido elektronai atrodys nejudantys (šiuo atveju daroma prielaida, kad abi srovės yra maždaug vienodo stiprumo). Tuo tarpu protonai abiejuose laiduose atrodys judantys. Dėl reliatyvistinio ilgio sutrumpėjimo jie atrodys glaudžiau susitelkę, taigi laiduose teigiamo krūvio bus daugiau negu neigiamo. Kadangi šie krūviai stumia vienas kitą, tai ir laidai vienas kitą stums.

Priešingomis kryptimis tekančios srovės traukia viena kitą, nes žvelgiant iš pirmojo laido pozicijos, kito laido elektronai bus susibūrę labiau ir kurs neigiamą krūvį. Pirmajame laide protonai kurs teigiamą krūvį, o priešingi krūviai trauks vienas kitą.

3. Geltona aukso spalva

Dauguma metalų žvilga, nes atomų elektronai šokinėja iš skirtingų energijos lygmenų, arba „orbitalių“. Kai kurie fotonai, atsitrenkę į metalą, absorbuojami ir vėl išskiriami (išskiriamo fotono bangos ilgis būna didesnis nei sugerto). Tačiau didžioji dalis regimos šviesos tiesiog atspindima.

Aukso atomai yra sunkūs, todėl jų vidiniai elektronai juda pakankamai greitai. Pagal reliatyvumo teoriją jų masė reikšmingai padidėja, o ilgis sutrumpėja. Taigi elektronai sukasi aplink branduolį trumpesniu atstumu ir didesniu momentu. Vidinių orbitalių elektronų energija yra artimesnė išorinių elektronų energijai, o absorbuojamų ir išspinduliuojamų fotonų bangos ilgis padidėja.

Didesnis šviesos bangos ilgis reiškia, kad dalis regimos šviesos, kuri paprastai būtų atspindėta, yra sugeriama ir išspinduliuojama su šiokiu tokiu pakitimu – spalvos persislinkimu link regimojo spektro raudonos spalvos galo. Balta šviesa yra visų vaivorykštės spalvų mišinys, bet aukso atveju, kai šviesa absorbuojama ir vėl išmetama, bangos pailgėja. Tai reiškia, kad mūsų regimų šviesos bangų mišinyje būna mažiau mėlynos ir violetinės spalvos. Tai suteikia auksui gelsvą atspalvį, nes geltonos, oranžinės ir raudonos šviesų bangos yra ilgesnės negu mėlynos.

4. Auksas sunkiau rūdija

Reliatyvistinis poveikis aukso elektronams taip pat yra priežastis, kodėl šis metalas ne taip lengvai rūdija ar reaguoja su kitomis medžiagomis.

Aukso atomų išoriniame sluoksnyje turi tik vienas elektronas, bet jis vis tiek nėra toks reaktyvus, kaip kalcio ar ličio išorinis elektronas. Aukso elektronai, būdami „sunkesni“ negu turėtų, pritraukiami arčiau atomo branduolio. Tai reiškia, kad toliausiai esantis elektronas visai nėra toje vietoje, kur galėtų lengvai reaguoti – jis yra tarp kitų elektronų, esančių arčiau branduolio.

5. Gyvsidabris yra skystis

Kaip ir aukso, gyvsidabrio atomai taip pat yra sunkūs. Dėl greičio ir dėl jo atsirandančio masės padidėjimo, šios medžiagos elektronai taip pat laikosi arti branduolio. Gyvsidabrio atveju ryšiai tarp atomų yra silpni, todėl gyvsidabris tirpsta gana žemoje temperatūroje ir kai jį matome, jis paprastai būna skystas

6. Jūsų senas televizorius

Vos prieš kelis metus dauguma televizorių ir kompiuterių monitorių buvo gaminami naudojant katodinių spindulių vamzdžio technologiją. Katodinių spindulių vamzdis veikia dideliu magnetu įgreitindamas elektronus, kurie sufokusuojami į siaurą pluoštelį ir iššaunami į fluorescuojantį paviršių – ekraną. Atsitrenkęs į ekrano nugarą, kiekvienas elektronas sukuria spalvotą tašką. Iššautų elektronų greitis siekia iki 30 proc. šviesos greičio. Reliatyvumo efektai yra pastebimi, todėl televizorių ir monitorių gamintojai į šį poveikį privalėdavo atsižvelgti formuodami magnetus.

7. Šviesa

Jeigu Izaokas Niutonas būtų buvęs teisus, kad egzistuoja absoliuti ramybės būsenos atskaitos sistema, būtume turėję kitaip aiškinti šviesą, nes jos apskritai nebūtų.

„Neegzistuotų ne tik magnetizmas, bet ir šviesa, nes reliatyvumas reikalauja, kad elektromagnetinio lauko pokyčiai vyktų baigtiniu greičiu, o ne akimirksniu, - sakė Th. Moore`as. – Jeigu reliatyvumui šis reikalavimas negaliotų, elektros laukų pokyčiai būtų perduodami akimirksniu, o ne elektromagnetinėmis bangomis, taigi tiek magnetizmas, tiek šviesa nebūtų būtini“.

8. Atominės elektrinės, supernovos ir mes patys

Reliatyvumas yra viena iš priežasčių, kodėl masė ir energija gali virsti viena į kitą – būtent taip veikia atominės elektrinės ir taip šviečia Saulė. Dar vienas svarbus efektas glūdi supernovų sprogimuose, kurie reiškia masyvių žvaigždžių žūtį.

„(Supernovos) egzistuoja, nes reliatyvumo poveikis įveikia kvantinį poveikį pakankamai masyvios žvaigždės branduolyje, leisdami jai kolapsuoti nuo savo pačios svorio, kol ji tampa kur kas mažesne ir tankesne neutronine žvaigžde“, - teigė Th. Moore`as.

Supernovoje išoriniai žvaigždės sluoksniai kolapsuoja į jos šerdį ir sukelia gigantišką sprogimą, kurio metu, be kitų dalykų, susidaro už geležį sunkesni elementai. Iš esmės supernovose gimsta beveik visi sunkieji elementai, kuriuos pažįstame.

„Mes esame sudaryti iš to, ką sukūrė ir paskleidė supernovos, - sakė Th. Moore`as. – Jei reliatyvumas neegzistuotų, netgi masyviausios žvaigždės baigtų gyvuoti kaip baltosios nykštukės, niekada nesprogdamos, o mes neegzistuotume ir apie tai negalvotume“.