De speciale relativiteitstheorie, die Albert Einstein in 1905 naar voren bracht, is een van de meest invloedrijke theorieën op het gebied van theoretische en praktische fysica van de 20e eeuw. Elke natuurkundige weet het, maar hoe kan het worden uitgelegd aan degenen die niets met wetenschap te maken hebben? Zijn er dingen en verschijnselen die in het dagelijks leven worden waargenomen die deze revolutionaire theorie in actie kunnen demonstreren?
Relativiteitstheorie
De wetenschappelijke relativiteitstheorie, geformuleerd door Albert Einstein in 1905, suggereert dat:
- alle fysische processen zijn overal hetzelfde en de wetten van de fysica worden in elke omgeving nageleefd;
- er is een maximale voortplantingssnelheid van interacties die de lichtsnelheid niet kan overschrijden;
- ruimte en tijd zijn homogeen.
Promotie video:
De theorie verklaart het gedrag van verschillende objecten in de ruimte-tijd, wat het mogelijk maakt om alles te voorspellen, van het bestaan van zwarte gaten, waarin Einstein zelf niet kon geloven, tot zwaartekrachtgolven. Relativiteit lijkt bedrieglijk eenvoudig, maar het is niet helemaal waar.
Invloed van de relativiteitstheorie
De relativiteitstheorie verklaart niet alleen zulke verbazingwekkende verschijnselen als zwaartekrachtgolven en zwarte gaten, maar ook hoe ruimte-tijd anders wordt waargenomen, afhankelijk van de snelheid en bewegingsrichting van objecten.
Als de lichtsnelheid altijd constant is, betekent dit dat voor een astronaut die zeer snel beweegt ten opzichte van de aarde, seconden langzamer gaan dan voor een waarnemer vanaf de aarde. De tijd vertraagt in wezen voor de astronaut.
Maar we hebben niet per se een ruimteschip nodig om verschillende relativistische effecten waar te nemen. In feite zijn er veel gevallen waarin de speciale relativiteitstheorie, ontworpen om de mechanica van Newton te verbeteren, zich manifesteert in ons dagelijks leven en de technologieën die we regelmatig gebruiken.
Elektriciteit
Magnetisme is een relativistisch effect, en als je elektriciteit gebruikt, kun je de relativiteitstheorie bedanken voor het laten werken van de generatoren.
Als je een geleider neemt en deze blootstelt aan een magnetisch veld, wordt er een elektrische stroom opgewekt. Opgeladen deeltjes in een geleider worden blootgesteld aan een veranderend magnetisch veld, waardoor ze gedwongen worden te bewegen en een elektrische stroom ontstaat.
Elektromagneten
Het werk van elektromagneten wordt ook perfect verklaard door de relativiteitstheorie. Wanneer een gelijkstroom van elektrische lading door een draad gaat, drijven de elektronen erin. Gewoonlijk lijkt de draad elektrisch neutraal te zijn, zonder positieve of negatieve lading. Dit is een gevolg van de aanwezigheid daarin van hetzelfde aantal protonen (positieve ladingen) en elektronen (negatieve ladingen). Maar als je er een andere draad naast legt met een directe stroom elektriciteit, dan trekken de draden elkaar aan of stoten ze elkaar af, afhankelijk van de richting waarin de stroom in de draad beweegt.
Als de stroom in dezelfde richting beweegt, "nemen" de elektronen van de eerste draad de elektronen in de tweede draad "waar" als stationair (als de elektrische lading even sterk is). Ondertussen zijn in termen van elektronen de protonen in beide draden in beweging. Vanwege de relativistische verkorting van de lengte lijken ze dichter bij elkaar te zijn geplaatst, dus over de hele lengte van de draad is er meer positieve lading dan negatieve. Omdat dezelfde ladingen worden afgestoten, worden de twee draden ook afgestoten.
De stroom die in tegengestelde richting beweegt, zorgt ervoor dat de geleiders worden aangetrokken.
Global Positioning System
Voor de meest nauwkeurige GPS-navigatie moeten satellieten rekening houden met relativistische effecten. Dit komt door het feit dat, ondanks het feit dat de satellieten veel langzamer bewegen dan hun maximale snelheid, ze toch snel genoeg bewegen. Satellieten sturen hun signalen naar grondstations. Ze ervaren, net als de gps-navigators van auto's, smartphones en andere apparaten, een hogere versnelling als gevolg van de zwaartekracht dan satellieten in een baan om de aarde.
Om een perfecte nauwkeurigheid te bereiken, vertrouwen satellieten op supernauwkeurige klokken om tijden tot op nanoseconden (miljardsten van een seconde) te vertellen. Aangezien elke satelliet 20.300 kilometer boven de aarde staat en daarheen reist met ongeveer 10.000 kilometer per uur, ontstaat een relativistisch tijdsverschil van ongeveer vier microseconden per dag. Voeg de zwaartekracht toe aan de vergelijking en het aantal stijgt tot ongeveer zeven microseconden. Dit is ongeveer 7 duizend nanoseconden.
Het verschil is vrij groot: als er geen rekening zou worden gehouden met relativistische effecten, zou de gps-navigator zich op de allereerste dag bijna 8 kilometer vergissen.
Edele kleur van goud
Metalen lijken glanzend omdat de elektronen in hun atomen tussen verschillende energieniveaus of orbitalen bewegen. Sommige fotonen van licht die een metalen oppervlak raken, worden geabsorbeerd en vervolgens uitgezonden door een langere lichtgolf. De meeste zichtbare lichtstralen worden eenvoudigweg gereflecteerd.
Het gouden atoom is erg zwaar, dus de elektronen in de kern bewegen snel genoeg, wat resulteert in een aanzienlijke relatieve toename in massa. Als resultaat draaien de elektronen rond de kern in een kortere baan met meer momentum. De elektronen in de binnenste orbitalen dragen een lading die ongeveer samenvalt met de lading van de buitenste elektronen, respectievelijk wordt het geabsorbeerde en gereflecteerde licht gekenmerkt door een langere golf.
Langere golflengten van licht betekenen dat een deel van het zichtbare licht dat normaal gesproken net zou worden gereflecteerd, is geabsorbeerd door atomen, en dat deel bevindt zich aan het blauwe uiteinde van het spectrum. Dit betekent dat het door goud gereflecteerde en uitgezonden licht dichter bij het langere golflengtespectrum ligt, dat wil zeggen dat het meer geel, oranje en rood heeft, en bijna geen kortegolf blauw en violet.
Goud is vrijwel onverwoestbaar
Het relativistische effect op elektronen in goud is ook de reden waarom het metaal niet corrodeert en slecht reageert met andere elementen.
Goud heeft maar één elektron in de buitenste elektronenschil, maar desondanks is het zelfs minder actief dan calcium of lithium, die qua structuur vergelijkbaar zijn. De elektronen in goud zijn zwaarder en bevinden zich daarom dichter bij de kern van het atoom. Dit betekent dat het meest ver verwijderde buitenste elektron zich hoogstwaarschijnlijk tussen de "eigen" elektronen in de binnenschil zal bevinden, die beginnen te reageren met de buitenste elektronen van een ander element.
Vloeibare toestand van kwik
Net als goud bevat kwik ook zware atomen met elektronen die dicht bij de kern ronddraaien. Daarom volgt een relatieve toename van snelheid en massa als gevolg van een verkleining van de afstand tussen de kern en het geladen deeltje.
De bindingen tussen kwikatomen zijn zo zwak dat kwik smelt bij lagere temperaturen dan andere metalen, en is over het algemeen vloeibaar in de meeste gevallen zoals het in het dagelijks leven wordt waargenomen.
Oude tv's en monitoren
Nog niet zo lang geleden waren de meeste televisies en monitoren kathodestraalapparatuur. Een kathodestraalbuis is een apparaat dat een optisch beeld reproduceert door elektronen in bundels of stralenbundels af te vuren op een luminescerend oppervlak met een grote magneet. Elk elektron creëert een verlichte pixel nadat deze de achterkant van het scherm raakt. Elektronen worden gelanceerd met een hoge snelheid gelijk aan ongeveer 30% van de maximale snelheid, of de lichtsnelheid.
Om een functioneel optisch beeld te vormen, moesten elektromagneten die in het apparaat waren geïnstalleerd om elektronen naar het vereiste deel van het scherm te leiden, rekening houden met verschillende relativistische effecten om het hele systeem niet te verstoren.
Hoop Chikanchi
