Теория относительности вокруг нас

Кажется, что теория относительности — это что-то весьма далекое от мира, в котором мы существуем, а разбираться в ней — удел физиков, которые могут исписать всю доску в аудитории непонятными формулами.

Однако эффекты, описываемые теорией относительности, не просто влияют на нашу жизнь. Они важны для работы практически всех современных гаджетов, а GPS-навигация и вовсе была бы невозможна без открытия, совершенного Альбертом Эйнштейном в начале ХХ века. К дню рождения великого физика рассказываем о том, как мы сталкиваемся с теорией относительности в повседневной жизни.

Все относительно

Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна описывает гравитацию не как силу, а как искривление пространства и времени, создаваемое массивными объектами. Чтобы понять это, представьте, что пространство-время — это резиновый лист. Если вы положите на него тяжелый шар, лист искривится. Так и любой массивный объект искривляет пространство вокруг себя, и это искривление влияет на движение других объектов.

Специальная теория относительности (СТО) говорит, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, независимо от их скорости. Скорость света постоянна во всех системах отсчета, и время может течь по-разному для наблюдателей, движущихся с разной скоростью. Она работает с релятивистскими эффектами — явлениями, которые происходят при скоростях, близких к скорости света. Например, время для движущегося объекта замедляется (это называется дилатацией времени), масса объекта увеличивается, а длины в направлении движения сокращаются (лоренцево сокращение).

Золото желтое, а ртуть жидкая

Желтый цвет золота обусловлен релятивистскими эффектами, которые влияют на электронную структуру атомов. Мы видим цвет, потому что фотоны, прилетающие от источника света, либо поглощаются, либо отражаются в зависимости от их длины волны. Если фотон поглотился электроном на внешней орбитали (то есть находящимся дальше всего от ядра), то электрон переходит на другой уровень. Если же энергии фотона недостаточно, чтобы электрон совершил этот переход, то фотон просто отражается.

Если фотон отразился и попал нам в глаз, то светочувствительные рецепторы воспринимают его и в зависимости от длины волны посылает сигнал в мозг. Так мы и воспринимаем цвета.

Электронам тяжелых металлов, например платины или серебра, нужно очень много энергии, чтобы перейти на другую орбиталь. У фотонов видимого света ее недостаточно, поэтому все они отражаются от поверхности. А смешение всех цветов дает нам белый или серебристый.

А вот у золота очень тяжелое ядро, которое разгоняет электроны до очень высоких скоростей. Из-за релятивистского сжатия они оказываются ближе к другим орбиталям, а значит, им нужно меньше энергии для перехода. Переход электронов между этими уровнями соответствует поглощению света в синей и фиолетовой частях видимого спектра, а «смесь» оставшихся цветов делает отраженный свет желтым.

Что касается ртути, ее жидкое состояние при комнатной температуре также связано с релятивистскими эффектами. Релятивистское сжатие электронных орбиталей в атомах ртути приводит к ослаблению связей между атомами, что делает металлическую ртуть жидкой при обычных условиях.

Электричество и магниты

Электромагнетизм — без преувеличения основа нашего мира. Все наши многочисленные гаджеты не смогут работать без электрического тока, а он невозможен без эффектов, которые описывает теория относительности.

Если петлю из провода перемещать в магнитном поле, сгенерируется электрический ток, так как заряженные частицы в проводе подвергаются воздействию переменного магнитного поля, которое заставляет некоторые из них двигаться. Если представить, что движется магнит, то заряженные частицы в проводе больше не движутся, поэтому магнитное поле не должно влиять на них. Но ток все еще течет именно потому, что релятивистские эффекты не зависят от системы отсчета.

Работа электромагнитов также основана на эффектах теории относительности. Когда постоянный ток протекает через провод, электроны движутся через материал. Без этого провод электрически нейтрален, потому что в материале одинаковое количестве протонов (положительных зарядов) и электронов (отрицательных зарядов).

Если положить 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.

Если 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 движутся именно они. Сокращение длины из-за релятивистских эффектов приводит к тому, что частицы кажутся более близко расположенными, поэтому на каждую единице длины провода возникает избыток положительных зарядов. Поскольку подобные заряды отталкиваются, два провода также отталкиваются.

По той же причине токи в противоположных направлениях приведут к тому, что провода притянутся, потому что с точки зрения первого провода электроны в другом проводе «сжаты», что создает отрицательный заряд. Между тем, протоны в первом проводе с точки зрения второго создают положительный заряд, а противоположные заряды притягиваются.

Спутниковая навигация

Эффекты теории относительности играют ключевую роль в точности спутниковых навигационных систем, таких как GPS.

Согласно СТО, время для объекта, движущегося с высокой скоростью, течет медленнее, чем для неподвижного наблюдателя. Спутники GPS движутся с орбитальной скоростью около 14 тысяч км/ч, из-за чего атомные часы на борту спутников отстают примерно на 7,2 наносекунды в день

ОТО утверждает, что в более сильном гравитационном поле время течет медленнее. Поскольку спутники находятся дальше от Земли, где гравитационное поле слабее, их часы идут быстрее примерно на 45,9 наносекунды в день.

Для обеспечения точности системы GPS должны учитывать оба этих эффекта.

Часы на спутниках корректируются таким образом, чтобы компенсировать замедление времени из-за СТО и ускорение времени из-за ОТО. Без этих коррекций ошибки в определении местоположения могли бы составлять до 10 километров в день. Это подтверждает, что предсказания теории относительности Эйнштейна точны и необходимы для функционирования современных технологий.