Washington, 10 mar /Agerpres/ - Teoria Relativităţii este una dintre cele mai faimoase teorii ştiinţifice ale secolului trecut, însă cât de bine poate ea explica fenomene care ţin de viaţa de zi cu zi?

Formulată de Einstein în 1905, Teoria Relativităţii susţine că legile fizicii sunt aceleaşi oriunde, explică comportamentul obiectelor în spaţiu şi timp şi poate fi folosită pentru a prezice practic orice, de la existenţa găurilor negre la devierea fluxului de lumină în câmp gravitaţional şi până la modul în care se comportă pe orbită, spre exemplu, planeta Mercur.

Această teorie poate părea înşelător de simplă la prima vedere, scrie Live Science. În primul rând, nu există un sistem de referinţă "absolut". De fiecare dată când măsurăm, spre exemplu, viteza unui obiect sau efectul timpului asupra sa, o facem în relaţie cu un alt obiect, în cadrul unui sistem de referinţă. În al doilea rând, viteza luminii este aceeaşi, 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.

Implicaţiile Teoriei Relativităţii în viaţa 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 urmăreşte cu privirea - timpul practic încetineşte pentru astronaut, un fenomen cunoscut drept dilatare temporală.

Orice obiect aflat într-un câmp gravitaţional puternic se mişcă accelerat şi în consecinţă va suporta la rândul său dilatarea temporală. În acelaşi timp, nava spaţială în care se află astronautul despre care vorbeam va suferi un efect de contracţie a lungimii (contracţia Lorentz), ceea ce înseamnă că dacă i-am face o fotografie în zbor ar apărea "turtită" în direcţia 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 relativităţii. Există o serie de exemple ale relativităţii pe care le putem experimenta în viaţa de zi cu zi şi chiar tehnologii pe care le folosim în prezent şi care demonstrează valabilitatea teoriei lui Einstein. Iată câteva modalităţi de a observa relativitatea în acţiune:

1. Sistemul global de poziţionare (GPS)

Pentru ca sistemul GPS cu care este dotat, spre exemplu, un automobil, să funcţioneze cu o precizie atât de mare, sateliţii GPS trebuie programaţi să ţină cont de efectele relativităţii. Chiar dacă sateliţii se deplasează pe orbită cu o viteză mult mai mică decât cea a luminii, totuşi viteza lor este suficient de mare pentru a produce efecte notabile. În timp ce se deplasează pe orbită, sateliţii transmit şi semnale spre staţii de la sol, la fel ca aparatul GPS cu care este dotat automobilul. Pentru ca poziţia să fie redată cu precizie, sateliţii sunt dotaţi cu ceasuri care au o acurateţe la nivelul nanosecundelor. Cum fiecare astfel de satelit se află pe orbită la 20.300 de kilometri de Pământ şi 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 şi efectul gravitaţiei ajungem la aproximativ 7 microsecunde, adică 7.000 de nanosecunde.

Poate părea puţin, dar aceste diferenţe relativiste se pot acumula şi se poate ajunge la situaţia în care aparatul GPS îţi spune, după doar o zi de acumulare a acestor diferenţe, că până la benzinărie mai sunt 0,8 kilometri când de fapt mai sunt 8 kilometri.

2. Electromagneţii

Magnetismul este un efect al relativităţii, iar dacă ne gândim la electricitate, tot relativitatea este responsabilă şi de funcţionarea generatoarelor electrice. Dacă luăm o spirală sau buclă de sârmă dintr-un material conductor şi o mişcăm 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 şi magnetul este cel care se mişcă. În acest caz particulele cu sarcină electrică din sârmă (electronii şi protonii) nu se mai mişcă, deci nu ar trebui să fie afectate de câmpul magnetic. Şi totuşi sunt afectate şi se formează un flux electric. Acest lucru demonstrează că nu există niciun sistem de referinţă privilegiat în funcţie de care putem face observaţii, totul fiind relativ.

Thomas Moore, profesor de fizică la Pomona College din Claremont, California, apelează la principiul relativităţii pentru a demonstra veridicitatea Legii lui Faraday (legea inducţiei electromagnetice), care susţine că un flux magnetic variabil produce un curent electric. "Cum acesta este principiul de funcţionare al transformatoarelor şi al generatoarelor de curent, oricine foloseşte electricitate experimentează efectele relativităţii", susţine Moore.

Electromagneţii funcţionează şi ei tot prin efectele relativităţii. Atunci când un curent continuu (DC) trece printr-un conductor, electronii sunt în derivă prin respectivul material. În mod obişnuit bucata de sârmă conductoare ar părea neutră din punct de vedere electric, fără să aibă o sarcină pozitivă sau negativă. Aceasta este o consecinţă a faptului că are un număr aproximativ egal de protoni (sarcină pozitivă) şi 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 funcţie de direcţia în care se deplasează curentul electric.

Presupunând că ambele curente electrice se deplasează în aceeaşi direcţie, electronii din primul conductor ar percepe electronii din al doilea conductor ca stând pe loc (cu condiţia ca ambele fluxuri electrice să aibă aproximativ aceeaşi putere). Între timp, din perspectiva electronilor, protonii din ambii conductori ar părea a fi în mişcare. Din cauza contracţiei relativiste a lungimii, distanţele 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 acelaşi tip se resping, şi cei doi conductori s-ar respinge.

Dacă fluxurile electrice au direcţii opuse, rezultatul este un efect de atragere pentru că, din punctul de vedere al primului conductor, electronii din celălalt conductor sunt mai "înghesuiţi" unii în alţii, 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 suprafaţa acestor metale sunt absorbiţi şi re-emişi 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 mişcă suficient de repede pentru a produce un efect relativist semnificativ de creştere a masei, precum şi de contracţie 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 şi reflectate sunt mai mari.

Lungimi de undă mai mari ale luminii presupun absorbţia unei părţi 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 şi 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 puţin din partea albastră şi violet a spectrului. Din această cauză aurul are culoarea galbenă - lumina galbenă, portocalie şi roşie are lungimi de undă mai mari decât cea albastră.

4. Aurul nu se corodează uşor

Efectul relativist asupra electronilor din atomii de aur este şi una dintre cauzele pentru care acest metal nu se corodează uşor. Atomul de aur are un singur electron pe ultima orbită de la exterior şi 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 faţă de nucleu pentru a putea reacţiona cu altceva.

5. Mercurul este lichid

La fel ca aurul, şi mercurul este un element greu, cu electronii aflaţi pe orbite foarte apropiate de nucleu din cauza vitezei lor şi, în consecinţă a creşterii de masă. În cazul mercurului însă legăturile dintre atomii constituenţi sunt mai slabe, condiţii în care mercurul se topeşte la temperaturi mai scăzute şi este de obicei în stare de agregare lichidă.

6. Televizoarele şi monitoarele vechi, cu tub catodic

Până acum câţiva ani, majoritatea televizoarelor şi a monitoarelor aveau ecrane cu tuburi catodice. Un tub catodic funcţionează prin bombardarea cu electroni a unei suprafeţe din fosfor, cu ajutorul unui magnet puternic. Fiecare astfel de electron activează un pixel de lumină când se loveşte de partea din spate a ecranului. Electronii care formează imaginea pe aceste televizoare se mişcă cu până la aproximativ 30% din viteza luminii. Efectele relativiste rezultate sunt importante, iar producătorii de televizoare trebuiau să ţină cont de ele atunci când alegeau forma magneţilor.

7. Lumina

Newton a introdus conceptele de spaţiu şi timp absolut, independente unul de celălalt şi de observator, ca un fundal inert şi imuabil pe care se desfăşoară evenimentele universului. Dacă Newton ar fi avut dreptate ar fi trebuit ca oamenii de ştiinţă să vină cu o explicaţie 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 variaţiile din câmpul electromagnetic să se producă cu o viteză finită şi nu instantaneu", a comentat Prof. Thomas Moore. "Dacă relativitatea nu ar fi avut nevoie de această condiţie (...) schimbările din câmpurile electrice ar fi comunicate instantaneu (...) şi nu prin unde electromagnetice, şi atât magnetismul cât şi lumina nu ar fi necesare".

8. Centrale nucleare şi supernove

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

"Supernovele există pentru că efectele relativiste depăşesc efectele cuantice în nucleele stelelor suficient de masive, rezultând prăbuşirea nucleului stelar în sine, sub imperiul propriei greutăţi, rezultând o stea foarte mică dar extrem de compactă şi 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 făcuţi din elemente chimice create şi împrăştiate apoi în Univers de către supernove. Dacă relativitatea nu ar fi existat, chiar şi cele mai masive stele şi-ar încheia viaţa ca pitice albe, nu ar exploda niciodată, iar noi, oamenii, nu am fi existat într-un astfel de Univers", a mai adăugat omul de ştiinţă de la Pomona College.AGERPRES/(AS - autor: Codruţ Bălu, editor: Mariana Ionescu)