Die spezielle Relativitätstheorie, die 1905 von Albert Einstein aufgestellt wurde, ist eine der einflussreichsten Theorien auf dem Gebiet der theoretischen und praktischen Physik des 20. Jahrhunderts. Jeder Physiker weiß es, aber wie kann es denen erklärt werden, die nichts mit Wissenschaft zu tun haben? Gibt es im Alltag beobachtete Dinge und Phänomene, die diese revolutionäre Theorie in Aktion demonstrieren könnten?
Relativitätstheorie
Die wissenschaftliche Relativitätstheorie wurde 1905 von Albert Einstein formuliert und legt nahe, dass:
- Alle physikalischen Prozesse sind überall gleich und die Gesetze der Physik werden in jeder Umgebung eingehalten.
- Es gibt eine maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wechselwirkungen, die die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten darf.
- Raum und Zeit sind homogen.
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Die Theorie erklärt das Verhalten verschiedener Objekte in der Raum-Zeit, was es ermöglicht, alles von der Existenz von Schwarzen Löchern, an die Einstein selbst nicht glauben konnte, bis zu Gravitationswellen vorherzusagen. Die Relativitätstheorie scheint täuschend einfach, ist aber nicht ganz richtig.
Einfluss der Relativitätstheorie
Die Relativitätstheorie erklärt nicht nur so erstaunliche Phänomene wie Gravitationswellen und Schwarze Löcher, sondern auch, wie Raum-Zeit je nach Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung von Objekten unterschiedlich wahrgenommen wird.
Wenn die Lichtgeschwindigkeit immer konstant ist, bedeutet dies, dass für einen Astronauten, der sich relativ schnell zur Erde bewegt, Sekunden langsamer vergehen als für einen Beobachter von der Erde. Für den Astronauten verlangsamt sich die Zeit im Wesentlichen.
Wir brauchen aber nicht unbedingt ein Raumschiff, um verschiedene relativistische Effekte zu beobachten. Tatsächlich gibt es viele Fälle, in denen sich die Theorie der speziellen Relativitätstheorie zur Verbesserung der Newtonschen Mechanik in unserem täglichen Leben und in den Technologien manifestiert, die wir regelmäßig verwenden.
Elektrizität
Magnetismus ist ein relativistischer Effekt, und wenn Sie Elektrizität verwenden, können Sie der Relativitätstheorie dafür danken, dass die Generatoren funktionieren.
Wenn Sie einen Leiter nehmen und ihn einem Magnetfeld aussetzen, wird elektrischer Strom erzeugt. Geladene Teilchen in einem Leiter sind einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt, das sie zur Bewegung zwingt und elektrischen Strom erzeugt.
Elektromagnete
Die Arbeit von Elektromagneten wird auch durch die Relativitätstheorie perfekt erklärt. Wenn ein Gleichstrom elektrischer Ladung durch einen Draht fließt, driften die Elektronen darin. Normalerweise scheint der Draht elektrisch neutral zu sein, ohne positive oder negative Ladung. Dies ist eine Folge des Vorhandenseins der gleichen Anzahl von Protonen (positive Ladungen) und Elektronen (negative Ladungen). Wenn Sie jedoch einen anderen Draht mit direktem Stromfluss daneben platzieren, ziehen sich die Drähte an oder stoßen sich gegenseitig ab, je nachdem, in welche Richtung sich der Strom im Draht bewegt.
Wenn sich der Strom in die gleiche Richtung bewegt, "nehmen" die Elektronen vom ersten Draht die Elektronen im zweiten Draht als stationär wahr (wenn die elektrische Ladung die gleiche Stärke hat). In Bezug auf Elektronen sind die Protonen in beiden Drähten in Bewegung. Aufgrund der relativistischen Verkürzung der Länge scheinen sie näher beieinander zu liegen, sodass entlang der gesamten Länge des Drahtes mehr positive als negative Ladungen vorhanden sind. Da die gleichen Ladungen abgestoßen werden, werden auch die beiden Drähte abgestoßen.
Der in entgegengesetzte Richtungen fließende Strom bewirkt, dass sich die Leiter anziehen.
Global Positioning System
Für die genaueste GPS-Navigation müssen Satelliten relativistische Effekte berücksichtigen. Dies liegt an der Tatsache, dass sich die Satelliten trotz der Tatsache, dass sie sich viel langsamer als ihre Höchstgeschwindigkeit bewegen, immer noch schnell genug bewegen. Satelliten senden ihre Signale an Bodenstationen. Sie erfahren wie die GPS-Navigatoren von Autos, Smartphones und anderen Geräten aufgrund der Schwerkraft eine höhere Beschleunigung als Satelliten im Orbit.
Um eine perfekte Genauigkeit zu erreichen, verlassen sich Satelliten auf hochpräzise Uhren, um Zeiten bis zu Nanosekunden (Milliardstel Sekunden) anzuzeigen. Da sich jeder Satellit 20.300 Kilometer über der Erde befindet und mit einer Geschwindigkeit von etwa 10.000 Stundenkilometern dorthin fährt, erscheint ein relativistischer Zeitunterschied von etwa vier Mikrosekunden pro Tag. Fügen Sie der Gleichung die Schwerkraft hinzu, und die Zahl steigt auf etwa sieben Mikrosekunden. Dies sind ungefähr 7.000 Nanosekunden.
Der Unterschied ist ziemlich groß: Wenn keine relativistischen Effekte berücksichtigt würden, würde sich der GPS-Navigator am ersten Tag um fast 8 Kilometer irren.
Edle Farbe von Gold
Metalle erscheinen glänzend, weil sich die Elektronen in ihren Atomen zwischen verschiedenen Energieniveaus oder Orbitalen bewegen. Einige Lichtphotonen, die auf eine Metalloberfläche treffen, werden absorbiert und dann von einer längeren Lichtwelle emittiert. Die meisten sichtbaren Lichtstrahlen werden einfach reflektiert.
Das Goldatom ist sehr schwer, so dass sich die Elektronen im Kern schnell genug bewegen, was zu einer signifikanten relativen Zunahme der Masse führt. Infolgedessen drehen sich die Elektronen in einer kürzeren Umlaufbahn mit mehr Impuls um den Kern. Die Elektronen in den inneren Orbitalen tragen eine Ladung, die ungefähr mit der Ladung der äußeren Elektronen übereinstimmt. Das absorbierte und reflektierte Licht ist durch eine längere Welle gekennzeichnet.
Längere Wellenlängen des Lichts bedeuten, dass ein Teil des sichtbaren Lichts, das normalerweise nur reflektiert wird, von Atomen absorbiert wurde und dieser Teil am blauen Ende des Spektrums liegt. Dies bedeutet, dass das von Gold reflektierte und emittierte Licht näher am längerwelligen Spektrum liegt, dh mehr Gelb, Orange und Rot und fast kein kurzwelliges Blau und Violett aufweist.
Gold ist praktisch erosionsbeständig
Der relativistische Effekt auf Elektronen in Gold ist auch der Grund, warum das Metall nicht korrodiert und schlecht mit anderen Elementen reagiert.
Gold hat nur ein Elektron in der äußeren Elektronenhülle, ist jedoch noch weniger aktiv als Calcium oder Lithium, die eine ähnliche Struktur aufweisen. Die Elektronen in Gold sind schwerer und befinden sich daher näher am Atomkern. Dies bedeutet, dass das am weitesten entfernte äußere Elektron höchstwahrscheinlich zu den "eigenen" Elektronen in der inneren Hülle gehört und dann mit den äußeren Elektronen eines anderen Elements zu reagieren beginnt.
Flüssiger Quecksilberzustand
Wie Gold weist auch Quecksilber schwere Atome mit Elektronen auf, die nahe am Kern umkreisen. Daher folgt eine relative Zunahme von Geschwindigkeit und Masse aufgrund einer Verringerung des Abstands zwischen dem Kern und dem geladenen Teilchen.
Die Bindungen zwischen den Quecksilberatomen sind so schwach, dass Quecksilber bei niedrigeren Temperaturen als andere Metalle schmilzt und in den meisten Fällen des täglichen Lebens im Allgemeinen flüssig ist.
Alte Fernseher und Monitore
Vor nicht allzu langer Zeit waren die meisten Fernseher und Monitore Kathodenstrahlgeräte. Eine Kathodenstrahlröhre ist eine Vorrichtung, die ein optisches Bild reproduziert, indem Elektronen in Strahlen oder Strahlen mit einem großen Magneten auf eine Lumineszenzoberfläche abgefeuert werden. Jedes Elektron erzeugt ein beleuchtetes Pixel, wenn es auf die Rückseite des Bildschirms trifft. Elektronen werden mit einer hohen Geschwindigkeit gestartet, die etwa 30% der Höchstgeschwindigkeit oder der Lichtgeschwindigkeit entspricht.
Um ein funktionelles optisches Bild zu erzeugen, mussten in der Vorrichtung installierte Elektromagnete, um Elektronen auf den erforderlichen Teil des Bildschirms zu lenken, verschiedene relativistische Effekte berücksichtigen, um das gesamte System nicht zu stören.
Hoffe Chikanchi