Impactul teoriei relativitatii asupra vietii pe Terra

Teoria Relativitatii, care îi apartine lui Albert Einstein, este una dintre cele mai faimoase teorii stiintifice ale secolului trecut, însa cât de bine poate ea explica fenomene care tin de viata de zi cu zi?

Formulata de Einstein în 1905, Teoria Relativitatii sustine ca legile fizicii sunt aceleasi oriunde, explica comportamentul obiectelor în spatiu si timp si poate fi folosita pentru a prezice practic orice, de la existenta gaurilor negre la devierea fluxului de lumina în câmp gravitational si pâna la modul în care se comporta pe orbita, spre exemplu, planeta Mercur.

Aceasts teorie poate parea înselator de simpla la prima vedere. În primul rând, nu exista un sistem de referinta „absolut”. De fiecare data când masuram, spre exemplu, viteza unui obiect sau efectul timpului asupra sa, o facem în relatie cu un alt obiect, în cadrul unui sistem de referinta. În al doilea rând, viteza luminii este aceeasi, indiferent de cine o masoara sau de cât de repede se deplaseaza persoana care masoara aceasta viteza. Iar în al treilea rând, nimic nu se poate deplasa mai rapid decât lumina.

Impactul teoriei relativitatii asupra vietii pe Terra

Implicatiile Teoriei Relativitatii în viata de zi cu zi sunt profunde. Daca viteza luminii este mereu constanta, înseamna ca un astronaut care se îndeparteaza cu viteza mare de Pamânt va masura scurgerea timpului mai încet decât un observator de pe Pamânt care-l urmareste cu privirea — timpul practic încetineste pentru astronaut, un fenomen cunoscut drept dilatare temporala.

Orice obiect aflat într-un câmp gravitational puternic se misca accelerat si în consecinta va suporta la rândul sau dilatarea temporala. În acelasi timp, nava spatiala în care se afla astronautul despre care vorbeam va suferi un efect de contractie a lungimii (contractia Lorentz), ceea ce înseamna ca daca i-am face o fotografie în zbor ar aparea „turtita” în directia de deplasare. Pentru astronautul aflat la bord însa, totul ar parea normal. În plus, masa navetei ar parea sa creasca din punctul de vedere al celor de pe Pamânt.

Însa nu este nevoie de o nava stelara care sa se deplaseze la viteze apropiate de cea a luminii pentru a observa efectele relativitatii. Exista o serie de exemple ale relativitatii pe care le putem experimenta în viata de zi cu zi si chiar tehnologii pe care le folosim în prezent si care demonstreaza valabilitatea teoriei lui Einstein. Iata câteva modalitati de a observa relativitatea în actiune:

1. Sistemul global de pozitionare (GPS)
Impactul teoriei relativitatii asupra vietii pe Terra.jpg-gravitatia

Pentru ca sistemul GPS cu care este dotat, spre exemplu, un automobil, sa functioneze cu o precizie atât de mare, satelitii GPS trebuie programati sa tina cont de efectele relativitatii. Chiar daca satelitii se deplaseaza pe orbita cu o viteza mult mai mica decât cea a luminii, totusi viteza lor este suficient de mare pentru a produce efecte notabile. În timp ce se deplaseaza pe orbita, satelitii transmit si semnale spre statii de la sol, la fel ca aparatul GPS cu care este dotat automobilul. Pentru ca pozitia sa fie redata cu precizie, satelitii sunt dotati cu ceasuri care au o acuratete la nivelul nanosecundelor. Cum fiecare astfel de satelit se afla pe orbita la 20.300 de kilometri de Pamânt si se deplaseaza cu viteza de aproximativ 10.000 km/h, apare o dilatare relativista a timpului de aproximativ 4 microsecunde în fiecare zi. Daca adaugam si efectul gravitatiei ajungem la aproximativ 7 microsecunde, adica 7.000 de nanosecunde.

Poate parea putin, dar aceste diferente relativiste se pot acumula si se poate ajunge la situatia în care aparatul GPS îti spune, dupa doar o zi de acumulare a acestor diferente, ca pâna la benzinarie mai sunt 0,8 kilometri când de fapt mai sunt 8 kilometri.

2. Electromagnetii

Magnetismul este un efect al relativitatii, iar daca ne gândim la electricitate, tot relativitatea este responsabila si de functionarea generatoarelor electrice. Daca luam o spirala sau bucla de sârma dintr-un material conductor si o miscam printr-un câmp magnetic, generam un curent electric. Particulele încarcate electric ale sârmei sunt afectate de câmpul magnetic variabil care determina deplasarea unora dintre aceste particule, generând un curent electric.

Ce-ar fi sa ne imaginam însa ca sârma sta pe loc si magnetul este cel care se misca. În acest caz particulele cu sarcina electrica din sârma (electronii si protonii) nu se mai misca, deci nu ar trebui sa fie afectate de câmpul magnetic. Si totusi sunt afectate si se formeaza un flux electric. Acest lucru demonstreaza ca nu exista niciun sistem de referinta privilegiat în functie de care putem face observatii, totul fiind relativ.

Impactul teoriei relativitatii asupra vietii pe Terra.jpg-electromagnetii

Thomas Moore, profesor de fizica la Pomona College din Claremont, California, apeleaza la principiul relativitatii pentru a demonstra veridicitatea Legii lui Faraday (legea inductiei electromagnetice), care sustine ca un flux magnetic variabil produce un curent electric. „Cum acesta este principiul de functionare al transformatoarelor si al generatoarelor de curent, oricine foloseste electricitate experimenteaza efectele relativitatii”, sustine Moore.

Electromagnetii functioneaza si ei tot prin efectele relativitatii. Atunci când un curent continuu (DC) trece printr-un conductor, electronii sunt în deriva prin respectivul material. În mod obisnuit bucata de sârma conductoare ar parea neutra din punct de vedere electric, fara sa aiba o sarcina pozitiva sau negativa. Aceasta este o consecinta a faptului ca are un numar aproximativ egal de protoni (sarcina pozitiva) si electroni (sarcina negativa). Însa daca punem lânga el un alt conductor prin care trece un curent continuu, cei doi conductori se vor atrage sau se vor respinge, în functie de directia în care se deplaseaza curentul electric.

Presupunând ca ambele curente electrice se deplaseaza în aceeasi directie, electronii din primul conductor ar percepe electronii din al doilea conductor ca stând pe loc (cu conditia ca ambele fluxuri electrice sa aiba aproximativ aceeasi putere). Între timp, din perspectiva electronilor, protonii din ambii conductori ar parea a fi în miscare. Din cauza contractiei relativiste a lungimii, distantele dintre ei ar parea mai mici, deci ar fi mai multa sarcina pozitiva pe unitatea de lungime a conductorului raportat la sarcina negativa. Cum sarcinile de acelasi tip se resping, si cei doi conductori s-ar respinge.

Daca fluxurile electrice au directii opuse, rezultatul este un efect de atragere pentru ca, din punctul de vedere al primului conductor, electronii din celalalt conductor sunt mai „înghesuiti” unii în altii, generând o sarcina negativa neta. Între timp, protonii din primul conductor genereaza o sarcina pozitiva neta, iar sarcinile opuse se atrag.

3. Culoarea aurului

Majoritatea metalelor sunt stralucitoare pentru ca electronii atomilor care compun respectivele metale sar de la diferite niveluri de energie. Fotonii care lovesc suprafata acestor metale sunt absorbiti si re-emisi pe o lungime de unda mai mare. Marea majoritate a luminii vizibile însa este reflectata.

Aurul este un atom greu, iar electronii de pe orbitele interioare se misca suficient de repede pentru a produce un efect relativist semnificativ de crestere a masei, precum si de contractie a lungimii. Prin urmare, electronii graviteaza în jurul nucleului pe orbite mai scurte, cu un impuls mai puternic. Electronii de pe orbitele interioare transporta energie apropiata de cea a electronilor de pe orbitele exterioare, iar lungimile de unda care sunt absorbite si reflectate sunt mai mari.

aurul6

Lungimi de unda mai mari ale luminii presupun absorbtia unei parti din lumina vizibila care altfel ar fi fost reflectata, iar aceasta lumina se afla în partea albastra a spectrului. Lumina alba este compusa din culorile curcubeului (ROGVAIV), însa în cazul aurului, atunci când lumina este absorbita si apoi re-emisa, lungimile de unda sunt de obicei mai mari. Astfel, amestecul de unde luminoase pe care le percepem când privim aurul are mai putin din partea albastra si violet a spectrului. Din aceasta cauza aurul are culoarea galbena — lumina galbena, portocalie si rosie are lungimi de unda mai mari decât cea albastra.

4. Aurul nu se corodeaza usor

Efectul relativist asupra electronilor din atomii de aur este si una dintre cauzele pentru care acest metal nu se corodeaza usor. Atomul de aur are un singur electron pe ultima orbita de la exterior si 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, ramân mai aproape de nucleul atomic. Acest lucru înseamna ca electronul aflat pe orbita cea mai îndepartata, tot nu se afla suficient de departe fata de nucleu pentru a putea reactiona cu altceva.

5. Mercurul este lichid

La fel ca aurul, si mercurul este un element greu, cu electronii aflati pe orbite foarte apropiate de nucleu din cauza vitezei lor si, în consecinta a cresterii de masa. În cazul mercurului însa legaturile dintre atomii constituenti sunt mai slabe, conditii în care mercurul se topeste la temperaturi mai scazute si este de obicei în stare de agregare lichida.

Impactul teoriei relativitatii asupra vietii pe Terra.jpg-mercurul

6. Televizoarele si monitoarele vechi, cu tub catodic

Pâna acum câtiva ani, majoritatea televizoarelor si a monitoarelor aveau ecrane cu tuburi catodice. Un tub catodic functioneaza prin bombardarea cu electroni a unei suprafete din fosfor, cu ajutorul unui magnet puternic. Fiecare astfel de electron activeaza un pixel de lumina când se loveste de partea din spate a ecranului. Electronii care formeaza imaginea pe aceste televizoare se misca cu pâna la aproximativ 30% din viteza luminii. Efectele relativiste rezultate sunt importante, iar producatorii de televizoare trebuiau sa tina cont de ele atunci când alegeau forma magnetilor.

7. Lumina

Newton a introdus conceptele de spatiu si timp absolut, independente unul de celalalt si de observator, ca un fundal inert si imuabil pe care se desfasoara evenimentele universului. Daca Newton ar fi avut dreptate ar fi trebuit ca oamenii de stiinta sa vina cu o explicatie diferita a luminii, pentru ca altfel, conform teoriei lui Newton, lumina nu ar fi trebuit sa existe.

„Nu doar ca nu ar fi existat magnetismul, dar nu ar fi existat nici lumina pentru ca relativitatea are nevoie ca variatiile din câmpul electromagnetic sa se produca cu o viteza finita si nu instantaneu”, a comentat Prof. Thomas Moore. „Daca relativitatea nu ar fi avut nevoie de aceasta conditie  schimbarile din câmpurile electrice ar fi comunicate instantaneu  si nu prin unde electromagnetice, si atât magnetismul cât si lumina nu ar fi necesare”.

8. Centrale nucleare si supernovesupernova_nove_univers_explozie_astronomie

Relativitatea este unul dintre motivele pentru care masa si energia pot fi convertite una în cealalta, ceea ce constituie principiul de functionare al centralelor nucleare. În plus, daca aceasta transformare nu s-ar fi putut face, Soarele si nicio stea nu ar fi stralucit. Un alt efect important se regaseste în exploziile de supernove, care marcheaza moartea unor stele mult mai masive decât Soarele.

„Supernovele exista pentru ca efectele relativiste depasesc efectele cuantice în nucleele stelelor suficient de masive, rezultând prabusirea nucleului stelar în sine, sub imperiul propriei greutati, rezultând o stea foarte mica dar extrem de compacta si cu o masa foarte mare — o stea neutronica”, conform lui Moore.

În cadrul supernovelor sunt sintetizate elementele chimice cu masa atomica mai mare decât fierul — toate aceste elemente grele provin din astfel de explozii stelare. „Suntem facuti din elemente chimice create si împrastiate apoi în Univers de catre supernove. Daca relativitatea nu ar fi existat, chiar si cele mai masive stele si-ar încheia viata ca pitice albe, nu ar exploda niciodata, iar noi, oamenii, nu am fi existat într-un astfel de Univers”, a mai adaugat omul de stiinta de la Pomona College.

http://www.dcnews.ro/

Bogdan

Per aspera ad astra