Альберт Эйнштейн начал формулировать теорию относительности в 1905 году, чтобы объяснить поведение объектов в пространстве и времени. Эта новаторская работа позволяет предсказывать такие явления, как существование чёрных дыр, искривление света под действием гравитации и поведение планет на их орбитах.
Теория обманчиво проста. Во-первых, не существует «абсолютной» системы отсчёта: каждый раз, когда вы измеряете скорость объекта, его импульс или то, как он воспринимает время, вы всегда измеряете что-то относительно чего-то другого. Во-вторых, скорость света одинакова независимо от того, кто её измеряет и с какой скоростью движется тот, кто её измеряет. В-третьих, ничто не может двигаться быстрее света.
Самая известная теория Эйнштейна имеет далеко идущие последствия. Если скорость света всегда одинакова, это означает, что астронавт, летящий очень быстро относительно Земли, будет отсчитывать секунды медленнее, чем наблюдатель на Земле. По сути, время для астронавта замедляется — это явление называется замедлением времени.
Любой объект в сильном гравитационном поле ускоряется, поэтому он также испытывает замедление времени. В то же время космический корабль астронавта испытывает сокращение длины, то есть, если бы вы сфотографировали пролетающий мимо космический корабль, он выглядел бы так, как будто «сплющился» в направлении движения. Однако для астронавта на борту всё будет казаться нормальным. Кроме того, с точки зрения людей на Земле масса космического корабля будет казаться больше.
Но вам не обязательно нужен космический корабль, движущийся почти со скоростью света, чтобы увидеть релятивистские эффекты. Есть несколько примеров относительности, которые мы можем наблюдать в повседневной жизни, и технологий, которыми мы пользуемся сегодня, которые доказывают, что Эйнштейн был прав. Вот несколько распространённых примеров теории относительности в действии.
Электромагниты
Магнетизм — это релятивистский эффект, и вы можете наблюдать его в генераторах. Если вы возьмёте проволочную петлю и проведёте её через магнитное поле, вы создадите электрический ток. На заряженные частицы в проволоке воздействует изменяющееся магнитное поле, которое заставляет некоторые из них двигаться и создаёт ток.
А теперь представьте проволоку в состоянии покоя и представьте, что магнит движется. В этом случае заряженные частицы в проволоке (электроны и протоны) больше не движутся, поэтому магнитное поле не должно влиять на них. Но это так, и ток все еще течет. Это показывает, что не существует привилегированной системы отсчета.
Томас Мур, профессор физики в колледже Помона в Клермонте, штат Калифорния, использует принцип относительности, чтобы продемонстрировать закон Фарадея, согласно которому изменяющееся магнитное поле создаёт электрический ток.
«Поскольку это основной принцип работы трансформаторов и электрогенераторов, любой, кто пользуется электричеством, испытывает на себе влияние теории относительности», — сказал Мур в интервью Live Science.
Томас Мур
Томас Мур — астрофизик-теоретик из колледжа Помона в Клермонте, штат Калифорния. Его исследования в основном посвящены генерации и обнаружению гравитационных волн. Он опубликовал ряд книг и статей, в том числе «Шесть идей, сформировавших физику» (3-е издание, McGraw-Hill, 2017) и «Рабочая тетрадь по общей теории относительности» (University Science Books, 2013).
Электромагниты также работают по принципу относительности. Когда по проводу проходит постоянный ток, электроны перемещаются по материалу. Обычно провод кажется электрически нейтральным, без суммарного положительного или отрицательного заряда, потому что в проводе примерно одинаковое количество протонов (положительных зарядов) и электронов (отрицательных зарядов). Но если вы поместите рядом с ним другой провод с постоянным током, провода будут притягиваться или отталкиваться друг от друга в зависимости от направления движения тока, согласно исследованиям физиков из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне.
Если предположить, что токи движутся в одном направлении, то электроны во втором проводе неподвижны по сравнению с электронами в первом проводе. (Это предполагает, что токи примерно одинаковой силы.) В то же время протоны в обоих проводах движутся по сравнению с электронами в обоих проводах. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся расположенными ближе друг к другу, поэтому на единицу длины провода приходится больше положительного заряда, чем отрицательного. Поскольку одноимённые заряды отталкиваются, два провода тоже отталкиваются.
Токи, текущие в противоположных направлениях, притягиваются, потому что по сравнению с первым проводом электроны во втором проводе расположены более плотно, создавая суммарный отрицательный заряд, согласно данным Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне. В то же время протоны в первом проводе создают суммарный положительный заряд, а противоположные заряды притягиваются.
GPS-навигация
Чтобы GPS-навигация в вашем автомобиле работала так же точно, как сейчас, спутникам приходится учитывать релятивистские эффекты, согласно PhysicsCentral. Это связано с тем, что, хотя спутники и не движутся со скоростью, близкой к скорости света, они всё равно движутся довольно быстро. Спутники также передают сигналы наземным станциям на Земле. Эти станции (и технология GPS в автомобиле или смартфоне) испытывают более высокие ускорения из-за гравитации, чем спутники на орбите.
Чтобы добиться такой точности, спутники используют часы, точность которых составляет несколько наносекунд (миллиардных долей секунды). Поскольку каждый спутник находится на высоте 12 600 миль (20 300 километров) над Землёй и движется со скоростью около 6000 миль в час (10 000 км/ч), релятивистское замедление времени добавляет около 4 микросекунд в день. Добавьте к этому воздействие гравитации, и эффект замедления времени увеличится примерно до 7 микросекунд (миллионных долей секунды).
Разница вполне реальна: если бы не учитывались релятивистские эффекты, то, согласно Physics Central, GPS-навигатор, который показывает, что до следующей заправки полмили (0,8 км), через день показал бы 5 миль (8 км).
Жёлтый цвет золота
Большинство металлов блестят, потому что электроны в атомах переходят с одного энергетического уровня, или «орбитали», на другой. Некоторые фотоны, попадающие на металл, поглощаются и переизлучаются, но с более длинной волной. Однако большая часть видимого света отражается.
Золото — тяжёлый элемент, поэтому внутренние электроны движутся достаточно быстро, чтобы релятивистское увеличение массы и сокращение длины были значительными, согласнозаявлению Гейдельбергского университета в Германии. В результате электроны вращаются вокруг ядра по более коротким траекториям с большим импульсом. Электроны на внутренних орбиталях обладают энергией, близкой к энергии внешних электронов, а длины волн, которые поглощаются и отражаются, больше. Более длинные волны света означают, что часть видимого света, который обычно отражается, поглощается, и этот свет находится в синей части спектра. Белый свет — это смесь всех цветов радуги, но в случае с золотом, когда свет поглощается и переизлучается, волны обычно длиннее. Это означает, что в смеси световых волн, которые мы видим, меньше синего и фиолетового. Поскольку жёлтый, оранжевый и красный свет имеют более длинные волны, чем синий, золото кажется желтоватым, согласно BBC.
Устойчивость золота к корозии
Релятивистское воздействие на электроны золота также является одной из причин, по которой оно не подвергается коррозии и не вступает в реакцию с другими веществами, согласно статье 1998 года, опубликованной в журнале Gold Bulletin.
У золота только один электрон на внешней оболочке, но оно всё равно не такое реакционноспособное, как кальций или литий. Вместо этого, поскольку электроны в золоте «тяжелее», чем должны быть, так как они движутся почти со скоростью света, увеличивая свою массу, они удерживаются ближе к атомному ядру. Это означает, что внешний электрон вряд ли будет находиться там, где он может с чем-то вступить в реакцию; он с такой же вероятностью будет среди электронов, находящихся близко к ядру.
Жидкая ртуть
Ртуть также является тяжёлым атомом, электроны которого удерживаются близко к ядру из-за их скорости и, как следствие, увеличения массы. Связи между атомами ртути слабые, поэтому ртуть плавится при более низких температурах и обычно представляет собой жидкость, когда мы её видим, согласно Chemistry World.
Ваш старый телевизор
Примерно до начала 2000-х годов в большинстве телевизоров и мониторов использовались электронно-лучевые трубки. Электронно-лучевая трубка работает за счёт того, что большой магнит испускает электроны на поверхность люминофора. Каждый электрон создаёт светящийся пиксель, когда попадает на заднюю часть экрана, и электроны испускаются, чтобы изображение двигалось со скоростью до 30% от скорости света. Заметны релятивистские эффекты, и при изготовлении магнитов производители должны были учитывать эти эффекты, согласно PBS News Hour.хх
Свет
Исаак Ньютон предположил, что существует абсолютная система отсчёта, или внешняя идеальная система отсчёта, с которой мы могли бы сравнивать все остальные системы отсчёта. Если бы он был прав, нам пришлось бы придумать другое объяснение света, потому что его бы вообще не было.
«Не только магнетизма бы не существовало, но и света бы не существовало, потому что теория относительности требует, чтобы изменения в электромагнитном поле происходили с конечной скоростью, а не мгновенно», — сказал Мур. «Если бы теория относительности не предъявляла это требование… изменения в электрических полях передавались бы мгновенно… а не с помощью электромагнитных волн, и магнетизм, и свет были бы не нужны».
Без самого известного уравнения Эйнштейна — E = mc^2 — Солнце и остальные звёзды не светили бы. По данным Университета штата Огайо, в центре нашей родительской звезды высокая температура и давление постоянно сжимают четыре отдельных атома водорода в один атом гелия. Масса одного атома гелия лишь немного меньше массы четырёх атомов водорода. Что происходит с лишней массой? Она напрямую преобразуется в энергию, которая проявляется в виде солнечного света на нашей планете.