Efectele nestiute ale Teoriei Relativitatii

Teoria Relativității este una dintre cele mai faimoase teorii științifice ale secolului trecut, însă cât de bine poate ea explica fenomene care țin de viața de zi cu zi?

Formulată de Einstein în 1905, Teoria Relativității susține că legile fizicii sunt aceleași oriunde, explică comportamentul obiectelor în spațiu și timp și poate fi folosită pentru a prezice practic orice, de la existența găurilor negre la devierea fluxului de lumină în câmp gravitațional și până la modul în care se comportă pe orbită, spre exemplu, planeta Mercur.

Această teorie poate părea înșelător de simplă la prima vedere, scrie Live Science. În primul rând, nu există un sistem de referință “absolut”. De fiecare dată când măsurăm, spre exemplu, viteza unui obiect sau efectul timpului asupra sa, o facem în relație cu un alt obiect, în cadrul unui sistem de referință. În al doilea rând, viteza luminii este aceeași, indiferent de cine o măsoară sau de cât de repede se deplasează persoana care măsoară această viteză. Iar în al treilea rând, nimic nu se poate deplasa mai rapid decât lumina.

Implicațiile Teoriei Relativității în viața de zi cu zi sunt profunde. Dacă viteza luminii este mereu constantă, înseamnă că un astronaut care se îndepărtează cu viteză mare de Pământ va măsura scurgerea timpului mai încet decât un observator de pe Pământ care-l urmărește cu privirea — timpul practic încetinește pentru astronaut, un fenomen cunoscut drept dilatare temporală.

Orice obiect aflat într-un câmp gravitațional puternic se mișcă accelerat și în consecință va suporta la rândul său dilatarea temporală. În același timp, nava spațială în care se află astronautul despre care vorbeam va suferi un efect de contracție a lungimii (contracția Lorentz), ceea ce înseamnă că dacă i-am face o fotografie în zbor ar apărea “turtită” în direcția de deplasare. Pentru astronautul aflat la bord însă, totul ar părea normal. În plus, masa navetei ar părea să crească din punctul de vedere al celor de pe Pământ.

Însă nu este nevoie de o navă stelară care să se deplaseze la viteze apropiate de cea a luminii pentru a observa efectele relativității. Există o serie de exemple ale relativității pe care le putem experimenta în viața de zi cu zi și chiar tehnologii pe care le folosim în prezent și care demonstrează valabilitatea teoriei lui Einstein. Iată câteva modalități de a observa relativitatea în acțiune:

1. Sistemul global de poziționare (GPS)
Pentru ca sistemul GPS cu care este dotat, spre exemplu, un automobil, să funcționeze cu o precizie atât de mare, sateliții GPS trebuie programați să țină cont de efectele relativității. Chiar dacă sateliții se deplasează pe orbită cu o viteză mult mai mică decât cea a luminii, totuși viteza lor este suficient de mare pentru a produce efecte notabile. În timp ce se deplasează pe orbită, sateliții transmit și semnale spre stații de la sol, la fel ca aparatul GPS cu care este dotat automobilul. Pentru ca poziția să fie redată cu precizie, sateliții sunt dotați cu ceasuri care au o acuratețe la nivelul nanosecundelor. Cum fiecare astfel de satelit se află pe orbită la 20.300 de kilometri de Pământ și se deplasează cu viteza de aproximativ 10.000 km/h, apare o dilatare relativistă a timpului de aproximativ 4 microsecunde în fiecare zi. Dacă adăugăm și efectul gravitației ajungem la aproximativ 7 microsecunde, adică 7.000 de nanosecunde.

Poate părea puțin, dar aceste diferențe relativiste se pot acumula și se poate ajunge la situația în care aparatul GPS îți spune, după doar o zi de acumulare a acestor diferențe, că până la benzinărie mai sunt 0,8 kilometri când de fapt mai sunt 8 kilometri.

2. Electromagneții
Magnetismul este un efect al relativității, iar dacă ne gândim la electricitate, tot relativitatea este responsabilă și de funcționarea generatoarelor electrice. Dacă luăm o spirală sau buclă de sârmă dintr-un material conductor și o mișcăm printr-un câmp magnetic, generăm un curent electric. Particulele încărcate electric ale sârmei sunt afectate de câmpul magnetic variabil care determină deplasarea unora dintre aceste particule, generând un curent electric.

Ce-ar fi să ne imaginăm însă că sârma stă pe loc și magnetul este cel care se mișcă. În acest caz particulele cu sarcină electrică din sârmă (electronii și protonii) nu se mai mișcă, deci nu ar trebui să fie afectate de câmpul magnetic. Și totuși sunt afectate și se formează un flux electric. Acest lucru demonstrează că nu există niciun sistem de referință privilegiat în funcție de care putem face observații, totul fiind relativ.

Thomas Moore, profesor de fizică la Pomona College din Claremont, California, apelează la principiul relativității pentru a demonstra veridicitatea Legii lui Faraday (legea inducției electromagnetice), care susține că un flux magnetic variabil produce un curent electric. “Cum acesta este principiul de funcționare al transformatoarelor și al generatoarelor de curent, oricine folosește electricitate experimentează efectele relativității”, susține Moore.

Electromagneții funcționează și ei tot prin efectele relativității. Atunci când un curent continuu (DC) trece printr-un conductor, electronii sunt în derivă prin respectivul material. În mod obișnuit bucata de sârmă conductoare ar părea neutră din punct de vedere electric, fără să aibă o sarcină pozitivă sau negativă. Aceasta este o consecință a faptului că are un număr aproximativ egal de protoni (sarcină pozitivă) și electroni (sarcină negativă). Însă dacă punem lângă el un alt conductor prin care trece un curent continuu, cei doi conductori se vor atrage sau se vor respinge, în funcție de direcția în care se deplasează curentul electric.

Presupunând că ambele curente electrice se deplasează în aceeași direcție, electronii din primul conductor ar percepe electronii din al doilea conductor ca stând pe loc (cu condiția ca ambele fluxuri electrice să aibă aproximativ aceeași putere). Între timp, din perspectiva electronilor, protonii din ambii conductori ar părea a fi în mișcare. Din cauza contracției relativiste a lungimii, distanțele dintre ei ar părea mai mici, deci ar fi mai multă sarcină pozitivă pe unitatea de lungime a conductorului raportat la sarcina negativă. Cum sarcinile de același tip se resping, și cei doi conductori s-ar respinge.

Dacă fluxurile electrice au direcții opuse, rezultatul este un efect de atragere pentru că, din punctul de vedere al primului conductor, electronii din celălalt conductor sunt mai “înghesuiți” unii în alții, generând o sarcină negativă netă. Între timp, protonii din primul conductor generează o sarcină pozitivă netă, iar sarcinile opuse se atrag.

3. Culoarea aurului
Majoritatea metalelor sunt strălucitoare pentru că electronii atomilor care compun respectivele metale sar de la diferite niveluri de energie. Fotonii care lovesc suprafața acestor metale sunt absorbiți și re-emiși pe o lungime de undă mai mare. Marea majoritate a luminii vizibile însă este reflectată.

Aurul este un atom greu, iar electronii de pe orbitele interioare se mișcă suficient de repede pentru a produce un efect relativist semnificativ de creștere a masei, precum și de contracție a lungimii. Prin urmare, electronii gravitează în jurul nucleului pe orbite mai scurte, cu un impuls mai puternic. Electronii de pe orbitele interioare transportă energie apropiată de cea a electronilor de pe orbitele exterioare, iar lungimile de undă care sunt absorbite și reflectate sunt mai mari.

Lungimi de undă mai mari ale luminii presupun absorbția unei părți din lumina vizibilă care altfel ar fi fost reflectată, iar această lumină se află în partea albastră a spectrului. Lumina albă este compusă din culorile curcubeului (ROGVAIV), însă în cazul aurului, atunci când lumina este absorbită și apoi re-emisă, lungimile de undă sunt de obicei mai mari. Astfel, amestecul de unde luminoase pe care le percepem când privim aurul are mai puțin din partea albastră și violet a spectrului. Din această cauză aurul are culoarea galbenă — lumina galbenă, portocalie și roșie are lungimi de undă mai mari decât cea albastră.

4. Aurul nu se corodează ușor
Efectul relativist asupra electronilor din atomii de aur este și una dintre cauzele pentru care acest metal nu se corodează ușor. Atomul de aur are un singur electron pe ultima orbită de la exterior și tot nu este atât de reactiv precum atomul de calciu sau de litiu, spre exemplu. În schimb, electronii atomului de aur, fiind mai “grei” decât ar trebui, rămân mai aproape de nucleul atomic. Acest lucru înseamnă că electronul aflat pe orbita cea mai îndepărtată, tot nu se află suficient de departe față de nucleu pentru a putea reacționa cu altceva.

5. Mercurul este lichid
La fel ca aurul, și mercurul este un element greu, cu electronii aflați pe orbite foarte apropiate de nucleu din cauza vitezei lor și, în consecință a creșterii de masă. În cazul mercurului însă legăturile dintre atomii constituenți sunt mai slabe, condiții în care mercurul se topește la temperaturi mai scăzute și este de obicei în stare de agregare lichidă.

6. Televizoarele și monitoarele vechi, cu tub catodic
Până acum câțiva ani, majoritatea televizoarelor și a monitoarelor aveau ecrane cu tuburi catodice. Un tub catodic funcționează prin bombardarea cu electroni a unei suprafețe din fosfor, cu ajutorul unui magnet puternic. Fiecare astfel de electron activează un pixel de lumină când se lovește de partea din spate a ecranului. Electronii care formează imaginea pe aceste televizoare se mișcă cu până la aproximativ 30% din viteza luminii. Efectele relativiste rezultate sunt importante, iar producătorii de televizoare trebuiau să țină cont de ele atunci când alegeau forma magneților.

7. Lumina
Newton a introdus conceptele de spațiu și timp absolut, independente unul de celălalt și de observator, ca un fundal inert și imuabil pe care se desfășoară evenimentele universului. Dacă Newton ar fi avut dreptate ar fi trebuit ca oamenii de știință să vină cu o explicație diferită a luminii, pentru că altfel, conform teoriei lui Newton, lumina nu ar fi trebuit să existe.

“Nu doar că nu ar fi existat magnetismul, dar nu ar fi existat nici lumina pentru că relativitatea are nevoie ca variațiile din câmpul electromagnetic să se producă cu o viteză finită și nu instantaneu”, a comentat Prof. Thomas Moore. “Dacă relativitatea nu ar fi avut nevoie de această condiție (…) schimbările din câmpurile electrice ar fi comunicate instantaneu (…) și nu prin unde electromagnetice, și atât magnetismul cât și lumina nu ar fi necesare”.

8. Centrale nucleare și supernove
Relativitatea este unul dintre motivele pentru care masa și energia pot fi convertite una în cealaltă, ceea ce constituie principiul de funcționare al centralelor nucleare. În plus, dacă această transformare nu s-ar fi putut face, Soarele și nicio stea nu ar fi strălucit. Un alt efect important se regăsește în exploziile de supernove, care marchează moartea unor stele mult mai masive decât Soarele.

“Supernovele există pentru că efectele relativiste depășesc efectele cuantice în nucleele stelelor suficient de masive, rezultând prăbușirea nucleului stelar în sine, sub imperiul propriei greutăți, rezultând o stea foarte mică dar extrem de compactă și cu o masă foarte mare — o stea neutronică”, conform lui Moore.

În cadrul supernovelor sunt sintetizate elementele chimice cu masa atomică mai mare decât fierul — toate aceste elemente grele provin din astfel de explozii stelare. “Suntem făcuți din elemente chimice create și împrăștiate apoi în Univers de către supernove. Dacă relativitatea nu ar fi existat, chiar și cele mai masive stele și-ar încheia viața ca pitice albe, nu ar exploda niciodată, iar noi, oamenii, nu am fi existat într-un astfel de Univers”, a mai adăugat omul de știință de la Pomona College.