Относительность является одной из самых известных научных теорий 20-го века, но насколько хорошо она объясняет то, что мы видим в нашей повседневной жизни? Сформулированная Альбертом Эйнштейном в 1905 году, теория относительности — это представление о том, что законы физики везде одинаковы. Она объясняет поведение объектов в пространстве и времени, и с ее помощью можно предсказать все, от существования черных дыр и до искривления света под действием гравитации.
Последствия самой известной теории Эйнштейна глубоки. Если скорость света везде одинакова, это означает, что для астронавта, движущегося очень быстро относительно Земли, время будет идти гораздо медленнее, чем для наблюдателя, привязанного к Земле — но они оба не будут это замечать, пока не решат сверить часы.
Любой объект в сильном гравитационном поле ускоряется, поэтому он также испытывает замедление времени. Так что космический корабль нашего астронавта будет испытывать сокращение длины — иными словами, если вы сфотографируете его в полете, он будет выглядеть так, как будто его «сдавили» в направлении движения. Астронавту на борту, однако, все опять же будет казаться нормальным. К тому же, согласно специальной теории относительности, кажущаяся масса объекта увеличивается, когда его скорость приближается к скорости света, так что для землян космический корабль будет казаться тяжелее.
Но вам не обязательно нужен космический корабль, летящий с огромной скоростью, чтобы увидеть релятивистские эффекты. Фактически, хватает нескольких современных технологий, которыми мы пользуемся в нашей повседневной жизни, демонстрирующих, что Эйнштейн был прав.
Электромагниты
Магнетизм — это релятивистский эффект, и, пользуясь электричеством, вы можете поблагодарить теорию относительности за то, что электрогенераторы вообще работают.
Если вы сделаете петлю из провода и будете перемещать ее через магнитное поле, вы сгенерируете электрический ток. Заряженные частицы в проводе подвергаются воздействию переменного магнитного поля, которое заставляет некоторые из них двигаться и тем самым создавать ток.
Но теперь оставим провод в покое и представим, что движется магнит. В этом случае заряженные частицы в проводе больше не движутся, поэтому магнитное поле не должно влиять на них. Но это так, и ток все еще течет. Это показывает, что нет никакой привилегированной системы отсчета.
«Поскольку это основной принцип, лежащий в основе трансформаторов и электрических генераторов, любой, кто использует электричество, испытывает влияние теории относительности», — говорит Томас Мур, профессор физики в Помонском колледже в Клермонте.
Электромагниты также работают с помощью теории относительности. Когда постоянный ток протекает через провод, электроны дрейфуют через материал. Обычно провод кажется электрически нейтральным, без чистого положительного или отрицательного заряда. Это следствие наличия примерно одинакового количества протонов (положительных зарядов) и электронов (отрицательных зарядов). Но, если вы положите рядом с ним другой провод, через который также протекает постоянный ток, провода будут притягиваться или отталкиваться друг от друга, в зависимости от того, в каком направлении движется ток в них.
Предполагая, что токи движутся в одном направлении, электроны в первом проводе «видят» собратьев во втором проводе неподвижными. Между тем, с точки зрения электронов, протоны в обоих проводах выглядят так, как будто они движутся. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся более близко расположенными, поэтому на каждую единицу длины провода приходится больше положительного заряда, чем отрицательного. Поскольку подобные заряды отталкиваются, два провода также отталкиваются.
Токи в противоположных направлениях приведут к притяжению проводов, потому что с точки зрения первого провода электроны в другом проводе «сжаты», что создает суммарно отрицательный заряд. Между тем, протоны в первом проводе с точки зрения второго создают чисто положительный заряд, а противоположные заряды притягиваются.
Спутниковые системы навигации
Чтобы вы получали на Земле свое точное местоположение, спутники используют часы, синхронизированные с точностью до десятков наносекунд — это позволяет вам узнавать свою геопозицию с разбросом всего в несколько метров. Поскольку каждый спутник находится на высоте 20 тысяч километров над Землей и движется со скоростью около 10 000 км/ч, он испытывает релятивистское замедление времени, которое достигает примерно 7 микросекунд в день. Кроме того, из-за достаточного удаления от массивной Земли кривизна пространства-времени на его орбите меньше, чем на поверхности нашей планеты, что опять же докидывает к часам на спутнике по 45 микросекунд в день. В итоге суммарно получается отклонение на 38 микросекунд, или 38 000 наносекунд.
Думаете, это мелочи? Если бы спутники не учитывали эти релятивистские эффекты, то всего за час GPS стал бы давать разброс в несколько сотен метров, что сложно назвать точным геопозиционированием. Ну а через сутки отклонения дорастут до десятка километров: находясь в центре Москвы, смартфон честно говорил бы вам, что вы гуляете по пригороду.
Желтый цвет золота
Почему большая часть металлов имеют серый или серебристый цвет, а вот золото — выраженный желтый? Для начала поймем, как мы на самом деле определяем цвета. Фотоны, прилетающие от источника света, могут отражаться или поглощаться в зависимости от их длин волн, и когда отраженные фотоны попадают нам в глаз, мозг понимает, какого они цвета. То есть, говоря простым языком, лист дерева кажется нам зеленым только по той причине, что он поглотил фотоны всех других длин волн.
Теперь перейдем к металлам. Фотоны, попадая на их поверхность, взаимодействуют в большинстве своем с электронами на дальних от ядра орбиталях (упрощенно, эти области можно считать круговыми орбитами). При попадании фотона в электрон может произойти две вещи: или он поглотится, и электрон «перескочит» на более близкую орбиталь (обычно с s на d), или же, если у него не хватит энергии, он просто отразится назад.
В большинстве тяжелых металлов для перехода электрона на более близкую к ядру орбиту требуется много энергии, которая есть лишь у ультрафиолетовых фотонов. В итоге все фотоны видимого света просто отражаются, и мы воспринимаем поверхность металлов как имеющую все цвета вместе — то есть серебристую (вспомните зеркало).
Зелеными линиями выделены границы видимого спектра. Хорошо видно, что другие металлы имеют в нем приблизительно одинаковые коэффициенты отражения, а у золота он падает ближе к синему концу спектра (400 нм).
Почему же золото — исключение? Все дело в том, что у него очень тяжелое ядро, что заставляет электроны на s-орбиталях иметь релятивистские скорости. В итоге, благодаря релятивистскому сжатию, они оказываются ближе к классическим d-орбиталям, а, значит, для перескока электрона с s на d требуется меньше энергии, которую уже могут иметь фотоны синего и фиолетового света. В итоге золото поглощает такие цвета, а оставшаяся отраженная «световая смесь» дает в сумме желтый цвет.
Ртуть — единственный жидкий металл при нормальных условиях
Мы все привыкли к тому, что металлы существуют в виде увесистых слитков. И если нам говорят фразу «жидкий металл», мы скорее представляем себе раскаленный тигель с красным расплавом, чем серебристую жидкость, которую можно без риска обжечься взять в руки. Так почему же ртуть — жидкая, имеющая температуру плавления в -39 градусов, а соседнее с ним золото — твердое, имеющее температуру плавления аж в 770 градусов?
Для начала поймем, на что вообще показывает температура плавления. Она говорит нам о том, насколько крепко атомы в веществе держатся друг за дружку: чем ниже температура плавления, чем слабее связи между ними, и, значит, тем меньше нужно энергии (а температура — это именно показатель энергии), чтобы связи разорвать.
Что же со связью между атомами ртути? У нее на самой дальней от ядра орбитали (6s) находится два электрона, то есть она заполнена. И именно последняя орбиталь, где электроны имеют наименьшие энергии (то есть их легче всего «оторвать») и показывает, насколько хорошо атом будет делиться электронами с соседями. И раз у ртути электрона на последней орбитали два, и она заполнена, они крепко держатся друг за дружку и не желают перелетать к другим атомам ртути, то есть силы взаимодействия между соседними атомами у нее получаются не очень-то большими.
Заполнение орбиталей электронами в атоме ртути.
Но только этого фактора мало: хватает металлов, имеющих заполненные последние орбитали и температуры плавления в сотни градусов. Так что тут нам на помощь снова приходит теория относительности. Как мы помним, по ней кажущаяся масса объекта увеличивается, когда его скорость приближается к скорости света. Из теории строения атома Нильса Бора мы знаем, что скорость электрона пропорциональна атомному номеру элемента. Для легких элементов, таких как водород (атомное число 1), получающаяся скорость незначительна по сравнению со скоростью света, поэтому относительность для них можно практически игнорировать.
Но для электронов ртути (атомное число 80) этот эффект становится значительным — их скорости приближаются к половине скорости света, а масса увеличивается на десятки процентов. По той же теории Бора увеличение массы электронов приводит к сжатию орбиталей вокруг ядра, что приводит к более сильному притяжению между ним и электронами. Суммируя это с тем фактом, что сами по себе два электрона на последней орбитали атома ртути крепко связаны друг с другом, мы и получаем, что соседние атомы этого вещества взаимодействуют относительно слабо, что и приводит к достаточно низкой температуре плавления.
Так что, как видите, теория относительности — не такая уж и отдаленная от реальной жизни заумная физика, с ее эффектами мы встречаемся каждый день.
