мы не замечаем релятивистских эффектов в повседневной жизни поскольку мы

Мы не замечаем релятивистских эффектов в повседневной жизни поскольку мы

Эту статью могут комментировать только участники сообщества.
Вы можете вступить в сообщество одним кликом по кнопке справа. Николай Зуб перепечатал из www.acmephysics.narod.ru 7 июня 2013, 21:25
7 оценок, 6006 просмотровОбсудить (25)

Релятивистские эффекты

В данном разделе нет полного объяснения теории относительности. В повседневной жизни мы не осознаем значения теории относительности. Однако, эта теория влияет на множество процессов, среди которых правильное функционирование GPS системы. Это влияние будет коротко объяснено далее.

Как мы знаем, время является одним из главных факторов в GPS навигации и должно быть равно 20-30 наносекундам, чтобы обеспечить необходимую точность. Поэтому необходимо учесть скорость движения спутников (примерно 12000 км/ч)

Кто когда-либо сталкивался с теорией относительности, знает, что время течет медленнее при больших скоростях. Для спутников, которые движутся со скоростью 3874 м/с, часы идут медленнее, чем для земли. Это релятивистское время ведет к неточности во времени примерно в 7,2 микросекунде в день (1 микросекунд = 10-6 секунд). Теория относительности также гласит, что время идет тем медленнее, чем сильнее поле гравитации. Для наблюдателя на земной поверхности часы спутника будут идти быстрее (так как спутник находится на 20 000 км выше и подвергается гравитационным силам меньше, чем наблюдатель). И эта вторая причина этого эффекта, который в шесть раз сильнее, чем неточность о которой говорилось чуть ранее.

В целом, кажется, что часы на спутниках идут немного быстрее. Отклонение времени для наблюдателя на Земле составило бы 38 миллисекунд в день и послужили бы причиной ошибки в итоге в 10 км за день. Чтобы избежать этой ошибки нет необходимости постоянно вносить корректировки. Частота часов на спутниках была установлена на 10.229999995453 Mhz вместо of 10.23 Mhz, но данные используют так, как если бы они имели стандартную частоту в 10.23 MHz. Эта уловка решила проблему релятивистского эффекта раз и навсегда.

Но есть и другой релятивистский эффект, который не учитывается при определении местоположения по системе GPS. Это так называемый эффект Сагнака и он вызван тем, что наблюдатель на поверхности Земли также постоянно движется со скоростью 500м/с (скорость на экваторе) из-за того, что планета вращается. Но влияние этого эффекта мало и его корректировка сложна для вычисления, т.к. зависит от направления движения. Поэтому этот эффект учитывается только в особых случаях.

Спутники имеют орбитальные скорости около 3,9 км/с в системе координат с началом в центре Земли и не вращающейся относительно отдаленных звезд. Расчетные орбиты спутников лежат в шести равноотстоящих плоскостях. В каждой плоскости находится по четыре спутника, а угловое расстояние между спутниками в каждой плоскости равно примерно 90 градусам.

Орбитальные периоды спутников приблизительно равны 11 часам и 58 минутам так, что проекция траектории спутника на поверхность Земли повторяется день за днем, потому что Земля делает один оборот относительно звезд каждые 23 часа и 56 минут. (Четыре дополнительных минуты требуются, чтобы точка на Земле возвратилась в положение непосредственно под Солнцем, потому что Солнце перемещается приблизительно на один градус в день относительно звезд.)

Бортовые атомные часы имеют точность приблизительно в 1 наносекунду (нс) по времени, и приблизительно 1 нс/день по скорости хода.

Так как скорость света приблизительно равна одному футу (1 фут = 30,48 см) в наносекунду, то система способна с удивительной точностью определять расположение объектов на Земле или в околоземной окружающей среде. Например, если спутниковые часы полностью синхронизированы с наземными атомными часами, и мы знаем время, когда сигнал послан со спутника, тогда временная задержка, необходимая для того, чтобы этот сигнал достиг наземного приемника, немедленно показывает расстояние (с потенциальной точностью приблизительно в один фут) между наземным приемником и спутником.

Используя четыре спутника для проведения триангуляции и определения временных поправок, неизвестное положение приемника может быть определено со сравнительно высокой точностью.

2. Какие релятивистские эффекты могут быть замечены с помощью атомных часов спутниковой системыGPS?

Общая теория относительности (ОТО) предсказывает, что часы в более сильном поле тяготения идут с меньшим темпом. Специальная теория относительности (СТО) предсказывает, что движущиеся часы кажутся идущими медленнее, чем неподвижные часы. Примечательно, что эти два эффекта компенсируют друг друга для часов, расположенных на уровне моря где-нибудь на Земле.

Так, если в качестве опорных использовать гипотетические часы на северном или южном полюсе Земли, то часы на земном экваторе идут медленнее из-за относительной скорости вследствие вращения Земли, но быстрее из-за большего расстояния от центра масс Земли вследствие сплющенности Земли. Из-за того, что скорость вращения Земли определяет ее форму, эти два эффекта не являются независимыми, и именно поэтому они не полностью компенсируют друг друга. Однако в общем случае компенсации не происходит. Часы на любой высоте над уровнем моря идут быстрее, чем часы, находящиеся на уровне моря; а часы на движущейся ракете идут медленнее, чем неподвижные часы.

ОТО предсказывает для спутников системы GPS, что атомные часы на орбитальных высотах спутников GPS идут быстрее примерно на 45900 нс/день, потому что они находятся в более слабом поле тяготения, чем атомные часы на земной поверхности. Специальная теория относительности (СТО) предсказывает, что атомные часы, перемещающиеся с орбитальной скоростью спутников системы GPS идут медленнее примерно на 7200 нс/день, чем неподвижные наземные часы.

Чтобы не иметь часы с такими большими различиями скорости хода, спутниковые часы перед запуском регулируют на такую скорость хода, чтобы компенсировать эти предсказанные эффекты. На практике это достигается просто путем изменения международного определения числа периодов при атомных переходах, которые составляют односекундный интервал.

Поэтому, мы сначала перед запуском наблюдаем темп хода часов с введенным смещением темпа хода. Затем мы наблюдаем темп хода часов после их запуска на орбиту и сравниваем их темпы с предсказаниями теории относительности, как суммарный эффект ОТО и СТО. Если предсказания правильны, то мы должны видеть, что часы снова идут с почти тем же самым темпом, что и часы на земле, несмотря на использование измененного определения для длительности одной секунды.

Мы обращаем внимание, что это сравнение темпа хода часов после запуска не зависит от рассматриваемой системы отсчета или рассматриваемого наблюдателя. Поскольку проекция траектории на поверхность земли повторяется день за днем, расстояние от спутника до поверхности земли остается по существу неизменным. Но любая разность в темпе хода между спутниковыми часами и часами на земле продолжает увеличивать разность между их показаниями с каждым проходящим днем.

Поэтому никаких недоразумений не может возникать вследствие размещения спутниковых часов на некотором расстоянии от наземных часов, когда мы сравниваем их показания времени. Нужно только подождать достаточно долго и разница в показаниях времени из-за несоответствия темпа хода часов в конечном счете превысит любую вообразимую ошибку или неоднозначность при таких сравнениях.

3. Подтверждает ли GPS изменения темпа хода часов, предсказываемых ОТО и СТО?

Информация от самых высокоточных приемников GPS собирается непрерывно на двух частотах с полуторасекундным интервалом от всех спутников GPS на пяти следящих станциях военно-воздушных сил США, распределенных вокруг Земли. Глубокое обсуждение этих данных и их анализ не возможны в этой статье. [1] Эти данные показывают, что темп хода бортовых атомных часов действительно находится в согласии с темпом хода наземных часов в предсказанной степени, которая слегка отличается от номинала, потому что фактически достигнутая орбита не всегда точно совпадает с запланированной.

Точность этого сравнения ограничена главным образом тем, что атомные часы изменяют свою частоту в небольших, полу-случайных размерах (порядка 1 нс/день) в непредсказуемые моменты времени по причинам, которые полностью не поняты. Вследствие этого долговременная точность этих часов хуже, чем их кратковременная точность.

Поэтому, мы можем утверждать с уверенностью, что предсказания теории относительности подтверждены с высокой точностью на протяжении временных периодов, равных многим дням. В наземном решении проблемы с данными, обычно один раз в день определяются новые поправки для временных промежутков и для темпа хода каждых часов. Эти поправки отличаются на несколько наносекунд для промежутков времени и на несколько наносекунд в день для темпа хода часов от подобных поправок для других дней на той же самой неделе.

Для больших промежутков времени непредсказуемые ошибки в часах растут пропорционально квадрату времени, так что сравнения с предсказаниями становятся все более и более неопределенными, если не используются эти эмпирические поправки. Но в пределах каждого дня, поправки часов остаются устойчивыми в пределах приблизительно 1 наносекунды для промежутка времени и 1 наносекунды в день для темпа хода часов.

Начальные ошибки темпа часов сразу после запуска дали бы наилучший показатель абсолютной точности предсказаний теории относительности, потому что они в наименьшей степени подвергались бы влиянию накопленных случайных ошибок в темпе часов за какое-то время. К сожалению, это еще не изучалось. Но если ошибки были бы значительно большими, чем дисперсия скорости среди 24-х спутников GPS, которая не превышает 200 нс/день при нормальных обстоятельствах, она была бы замечена даже без изучения.

Так что мы можем заявить, что эффект изменения скорости хода часов, предсказанный ОТО, подтвержден не хуже чем в пределах ± 200 / 45 900 или приблизительно 0,7 %, а предсказанный СТО эффект подтвержден в пределах ± 200 / 7 200 или приблизительно 3 %. Это очень заниженная оценка.

При реальном изучении, большая часть из этой максимальной дисперсии в 200 нс/день почти наверняка отнесена на счет различий между запланированными и достигнутыми орбитами, и предсказания теории относительности будут подтверждены с намного лучшей точностью.

Обнаружены также 12-часовые вариации (орбитальный период) в скорости хода часов из-за небольших отклонений орбитальной высоты и скорости спутников, вызванные маленьким эксцентриситетом их орбит. Они наблюдаются с ожидаемой величиной для собственной орбиты каждого спутника GPS.

Например, при эксцентриситете орбиты, равном 0,01, амплитуда этого 12-часового изменения равна 23 нс. Изменения, вызванные изменением высоты и изменением скорости, хотя и не отделимы друг от друга, но оба они отчетливо представлены, потому что наблюдаемая амплитуда равняется сумме из двух предсказанных амплитуд.

4. Постоянна ли скорость света?

Другие изучения с использованием информации GPS установили гораздо более строгие пределы чем, мы наложим здесь. Но наша цель здесь состоит не в том, чтобы установить наиболее строгий предел на возможные изменения скорости света, а скорее определять, какое может быть максимально возможное изменение, которое может остаться совместимым с данными.

Система GPS работает, посылая сигналы атомных часов с орбитальных высот на землю. Это занимает около 0,08 секунды с нашей человеческой точки зрения, но это очень длинный промежуток времени (хотя и эквивалентный) в 80 000 000 нс с точки зрения атомных часов. Из-за этой точности, система показала, что скорость радио сигналов (или «скорость света») является той же самой от всех спутников до всех наземных станций всегда и во всех направлениях в пределах ± 12 метров в секунду (м/с). То же самое численное значение для скорости света работает одинаково хорошо для любого сезона года.

Техническое примечание: Измерение односторонней скорости света требует двух часов, по одним часам на каждом конце пути. Если расстояние между часами известно, то, разделив расстояние на временной интервал между передачей и приемом сигнала, мы получим одностороннюю скорость сигнала. Но измерение временного интервала требует проведения предварительной синхронизации часов.

Если используется эйнштейновский метод синхронизации часов, то измеренная скорость должна быть скоростью света по эйнштейновскому определению синхронизации (которое предполагает, что скорость света одна и та же во всех инерциальных системах отсчета). Если используется некоторый другой неэквивалентный метод синхронизации, то измеренная скорость сигнала не будет скоростью света. Ясно, что измеренная скорость сигнала и метод синхронизации глубоко связаны.

Наш результат здесь просто указывает, что измеренная скорость не изменяется как функция от времени дня или направления движения спутника на орбите, когда синхронизирующие поправки времени сохраняется неизменными в течение одного дня. Что касается сезонных вариаций, то все спутниковые часы корректируются так, чтобы держаться поближе к первичным часам американской военно-морской обсерватории, чтобы предотвратить чрезмерное накопление ошибок от случайных изменений скорости хода в течение длительных временных периодов. Так что мы не можем делать прямые сравнения между различными сезонами, но просто обращаем внимание, что одно и то же значение скорости света работает одинаково хорошо в любом сезоне.

5. Что такое «часы GPS»?

Атомные цезиевые часы работают, подсчитывая количество периодов частоты переходов атомов цезия, равной примерно 10 миллиардов раз в секунду с очень устойчивой частотой, обеспечиваемой природой. Точное число таких периодов было первоначально прокалибровано астрономами, и теперь принято в соответствии с международным соглашением как определение одной атомной секунды.

Атомные часы GPS на орбите идут с темпом, значительно отличающимся от темпа часов на Земле, если им позволено это, и это усложняет использование системы. Так что счетчик периодов частоты переходов цезия (или соответствующее явление в случае использования рубидиевых атомных часов) регулируется на Земле перед запуском так, чтобы после вывода на орбиту часы отмечали целые секунды с той же самой средней скоростью, что и часы на Земле. Поэтому кажется, что часы GPS перед запуском на Земле идут медленнее по сравнению с наземными часами, но после запуска на орбиту с соответствующей высотой они идут с той же самой скоростью, что и часы на Земле.

Мы будем называть часы, скорость хода которых была предварительно установлена таким образом, как «часы GPS». Это поможет нам при обсуждении эффектов СТО типа парадокса близнецов. Часы GPS предварительно отрегулированы для учета релятивистских изменений скорости так, чтобы они продолжали идти с тем же самым теппом, что и наземные часы даже при движении с высокими относительными скоростями.

6. Является ли ускорение существенным для решения «парадокса близнецов»?

Если перемещающийся близнец имеет на борту своего космического корабля обычные часы и часы GPS, то он может наблюдать эффекты, предсказанные СТО, не нуждаясь в каком-либо ускорении в обычном парадоксе близнецов. Это потому, что циклотронные эксперименты показали, что, даже ускорение в 10 19 g (g = ускорение свободного падения на поверхности земли) на скорость хода часов не влияет. По существу только скорость влияет на скорость хода часов, но не ускорение.

Предположим, что путешествующий близнец рождается в момент времени, когда его космический корабль проходит мимо Земли и двое его бортовых часов синхронизируются с часами на Земле. Обычные бортовые часы идут более медленно, чем бортовые часы GPS, потому что их темп хода отличается в гамма раз, что предсказывает СТО для замедления хода всех часов, движущихся с относительной скоростью v [гамма = 1/sqrt(1-v 2 /c 2 ]). Но всюду куда перемещающийся близнец попадает, пока его скорость относительно земной системы отсчета не изменяется, показания его GPS часов будут одинаковыми с показаниями любых часов, синхронизированных с земными часами и покоящихся в системе отсчета Земли, мимо которых он пролетает на своем пути.

А его обычные часы будут иметь показания для времени с момента прохождения Земли, меньшие в гамма раз. Его биологические процессы (включая старение), которые происходят в темпе, соответствующем темпу хода обычных часов, также замедлены в гамма раз.

Поскольку эта разность темпа хода имеется в каждый момент полета, начиная с самого первого момента, не удивительно, если путешествующий близнец выполнит весь полет туда и обратно без изменения скорости и возвращается на Землю. После завершения полета он проверит то, что он наблюдал на каждом этапе полета: темп хода его обычных часов был медленнее и его биологический возраст был моложе в гамма раз, чем таковые для его коллег из системы отсчета Земли в каждой точке его полета, включая и момент его завершения.

То же самое было бы справедливо, если бы он не вернулся на Землю, а просто продолжил лететь вперед. Он был бы более молодым, чем егоровесники на любой планете, с которой он встречается, которые утверждают, что были рождены в тот же самый момент времени, в который был рожден наш путешественник (то есть, когда он пролетал мимо Земли) в соответствии с их точкой зрения из системы отсчета Земли.

Ясно, что ускорение или его отсутствие не имеет никакого отношение к наблюдаемым результатам. Если ускорение имеется, то оно просто позволяет произвести более удобное сравнение показаний часов после возвращения в исходную точку. Но так как путешественник никогда не может вернуться в ту же самую точку в пространстве-времени просто вернувшись в ту же самую точку в пространстве, результаты сравнения после полета туда и обратно ничем не отличаются от тех, которые сделаны где-нибудь вдоль маршрута полета. Путешественник всегда считает, что его собственное старение происходит медленнее, чем в любой другой системе отсчета с относительным движением.

Если он берет показания часов GPS как представляющих земное время, его выводы будут всегда согласны с выводами наблюдателей из земной системы отсчета. Если он вместо этого использует результаты обмена световыми сигналами, чтобы делать выводы о течении времени в отдаленных местах, он придет к заключению, что близнец-домосед стареет меньше чем он сам из-за их относительного движения.

Но в случае воздействия любого ускорения на его космический корабль, путешественник придет к заключению о скачке [discontinuity] в возрасте близнеца-домоседа, который может быть или вперед или назад во времени, в зависимости от того, в каком направлении путешественник ускоряется. В конце любого полета туда и обратно после любого числа таких ускорений, близнец-путешественник и близнец-домосед всегда придут к соглашению относительно того, чей возрасте должен оказаться большим [twins will always agree about who should have aged more].

7. Подтверждает ли поведение часов GPS эйнштейновскую СТО?

Чтобы отвечать на это, мы должны делать различие между эйнштейновской СТО и лоренцевской теорией относительностью (ЛТО). И Лоренц в 1904, и Эйнштейн в 1905 выбрали за основу принцип относительности, обсуждавшийся Пуанкаре в 1899, который явно зародился несколькими годами ранее в 19-м столетии. Лоренц также популяризировал известные преобразования, которые носят его имя, позже использованные Эйнштейном.

Таблица 1. Независимые эксперименты по специальной теории относительности

Источник

4 способа наблюдать теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

Относительность является одной из самых известных научных теорий 20-го века, но насколько хорошо она объясняет то, что мы видим в нашей повседневной жизни? Сформулированная Альбертом Эйнштейном в 1905 году, теория относительности — это представление о том, что законы физики везде одинаковы. Она объясняет поведение объектов в пространстве и времени, и с ее помощью можно предсказать все, от существования черных дыр и до искривления света под действием гравитации.

Теория обманчиво проста. Во-первых, не существует «абсолютной» системы отсчета. Каждый раз, когда вы измеряете скорость объекта или его импульс, а также то, как он испытывает влияние времени, вы всегда привязываете эти данные к какому-либо другому объекту (например, к Земле). Во-вторых, скорость света в вакууме всегда одинакова, независимо от того, кто и где ее измеряет. В-третьих, ничто не может двигаться быстрее света.

Последствия самой известной теории Эйнштейна глубоки. Если скорость света везде одинакова, это означает, что для астронавта, движущегося очень быстро относительно Земли, время будет идти гораздо медленнее, чем для наблюдателя, привязанного к Земле — но они оба не будут это замечать, пока не решат сверить часы.

Любой объект в сильном гравитационном поле ускоряется, поэтому он также испытывает замедление времени. Так что космический корабль нашего астронавта будет испытывать сокращение длины — иными словами, если вы сфотографируете его в полете, он будет выглядеть так, как будто его «сдавили» в направлении движения. Астронавту на борту, однако, все опять же будет казаться нормальным. К тому же, согласно специальной теории относительности, кажущаяся масса объекта увеличивается, когда его скорость приближается к скорости света, так что для землян космический корабль будет казаться тяжелее.

Но вам не обязательно нужен космический корабль, летящий с огромной скоростью, чтобы увидеть релятивистские эффекты. Фактически, хватает нескольких современных технологий, которыми мы пользуемся в нашей повседневной жизни, демонстрирующих, что Эйнштейн был прав.

Магнетизм — это релятивистский эффект, и, пользуясь электричеством, вы можете поблагодарить теорию относительности за то, что электрогенераторы вообще работают.

Если вы сделаете петлю из провода и будете перемещать ее через магнитное поле, вы сгенерируете электрический ток. Заряженные частицы в проводе подвергаются воздействию переменного магнитного поля, которое заставляет некоторые из них двигаться и тем самым создавать ток.

Но теперь оставим провод в покое и представим, что движется магнит. В этом случае заряженные частицы в проводе больше не движутся, поэтому магнитное поле не должно влиять на них. Но это так, и ток все еще течет. Это показывает, что нет никакой привилегированной системы отсчета.

«Поскольку это основной принцип, лежащий в основе трансформаторов и электрических генераторов, любой, кто использует электричество, испытывает влияние теории относительности», — говорит Томас Мур, профессор физики в Помонском колледже в Клермонте.

Электромагниты также работают с помощью теории относительности. Когда постоянный ток протекает через провод, электроны дрейфуют через материал. Обычно провод кажется электрически нейтральным, без чистого положительного или отрицательного заряда. Это следствие наличия примерно одинакового количества протонов (положительных зарядов) и электронов (отрицательных зарядов). Но, если вы положите рядом с ним другой провод, через который также протекает постоянный ток, провода будут притягиваться или отталкиваться друг от друга, в зависимости от того, в каком направлении движется ток в них.

Предполагая, что токи движутся в одном направлении, электроны в первом проводе «видят» собратьев во втором проводе неподвижными. Между тем, с точки зрения электронов, протоны в обоих проводах выглядят так, как будто они движутся. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся более близко расположенными, поэтому на каждую единицу длины провода приходится больше положительного заряда, чем отрицательного. Поскольку подобные заряды отталкиваются, два провода также отталкиваются.

Токи в противоположных направлениях приведут к притяжению проводов, потому что с точки зрения первого провода электроны в другом проводе «сжаты», что создает суммарно отрицательный заряд. Между тем, протоны в первом проводе с точки зрения второго создают чисто положительный заряд, а противоположные заряды притягиваются.

Спутниковые системы навигации

Чтобы вы получали на Земле свое точное местоположение, спутники используют часы, синхронизированные с точностью до десятков наносекунд — это позволяет вам узнавать свою геопозицию с разбросом всего в несколько метров. Поскольку каждый спутник находится на высоте 20 тысяч километров над Землей и движется со скоростью около 10 000 км/ч, он испытывает релятивистское замедление времени, которое достигает примерно 7 микросекунд в день. Кроме того, из-за достаточного удаления от массивной Земли кривизна пространства-времени на его орбите меньше, чем на поверхности нашей планеты, что опять же докидывает к часам на спутнике по 45 микросекунд в день. В итоге суммарно получается отклонение на 38 микросекунд, или 38 000 наносекунд.

Думаете, это мелочи? Если бы спутники не учитывали эти релятивистские эффекты, то всего за час GPS стал бы давать разброс в несколько сотен метров, что сложно назвать точным геопозиционированием. Ну а через сутки отклонения дорастут до десятка километров: находясь в центре Москвы, смартфон честно говорил бы вам, что вы гуляете по пригороду.

Желтый цвет золота

Почему большая часть металлов имеют серый или серебристый цвет, а вот золото — выраженный желтый? Для начала поймем, как мы на самом деле определяем цвета. Фотоны, прилетающие от источника света, могут отражаться или поглощаться в зависимости от их длин волн, и когда отраженные фотоны попадают нам в глаз, мозг понимает, какого они цвета. То есть, говоря простым языком, лист дерева кажется нам зеленым только по той причине, что он поглотил фотоны всех других длин волн.

Теперь перейдем к металлам. Фотоны, попадая на их поверхность, взаимодействуют в большинстве своем с электронами на дальних от ядра орбиталях (упрощенно, эти области можно считать круговыми орбитами). При попадании фотона в электрон может произойти две вещи: или он поглотится, и электрон «перескочит» на более близкую орбиталь (обычно с s на d), или же, если у него не хватит энергии, он просто отразится назад.

В большинстве тяжелых металлов для перехода электрона на более близкую к ядру орбиту требуется много энергии, которая есть лишь у ультрафиолетовых фотонов. В итоге все фотоны видимого света просто отражаются, и мы воспринимаем поверхность металлов как имеющую все цвета вместе — то есть серебристую (вспомните зеркало).

Зелеными линиями выделены границы видимого спектра. Хорошо видно, что другие металлы имеют в нем приблизительно одинаковые коэффициенты отражения, а у золота он падает ближе к синему концу спектра (400 нм).

Почему же золото — исключение? Все дело в том, что у него очень тяжелое ядро, что заставляет электроны на s-орбиталях иметь релятивистские скорости. В итоге, благодаря релятивистскому сжатию, они оказываются ближе к классическим d-орбиталям, а, значит, для перескока электрона с s на d требуется меньше энергии, которую уже могут иметь фотоны синего и фиолетового света. В итоге золото поглощает такие цвета, а оставшаяся отраженная «световая смесь» дает в сумме желтый цвет.

Для начала поймем, на что вообще показывает температура плавления. Она говорит нам о том, насколько крепко атомы в веществе держатся друг за дружку: чем ниже температура плавления, чем слабее связи между ними, и, значит, тем меньше нужно энергии (а температура — это именно показатель энергии), чтобы связи разорвать.

Что же со связью между атомами ртути? У нее на самой дальней от ядра орбитали (6s) находится два электрона, то есть она заполнена. И именно последняя орбиталь, где электроны имеют наименьшие энергии (то есть их легче всего «оторвать») и показывает, насколько хорошо атом будет делиться электронами с соседями. И раз у ртути электрона на последней орбитали два, и она заполнена, они крепко держатся друг за дружку и не желают перелетать к другим атомам ртути, то есть силы взаимодействия между соседними атомами у нее получаются не очень-то большими.

Заполнение орбиталей электронами в атоме ртути.

Но только этого фактора мало: хватает металлов, имеющих заполненные последние орбитали и температуры плавления в сотни градусов. Так что тут нам на помощь снова приходит теория относительности. Как мы помним, по ней кажущаяся масса объекта увеличивается, когда его скорость приближается к скорости света. Из теории строения атома Нильса Бора мы знаем, что скорость электрона пропорциональна атомному номеру элемента. Для легких элементов, таких как водород (атомное число 1), получающаяся скорость незначительна по сравнению со скоростью света, поэтому относительность для них можно практически игнорировать.

Но для электронов ртути (атомное число 80) этот эффект становится значительным — их скорости приближаются к половине скорости света, а масса увеличивается на десятки процентов. По той же теории Бора увеличение массы электронов приводит к сжатию орбиталей вокруг ядра, что приводит к более сильному притяжению между ним и электронами. Суммируя это с тем фактом, что сами по себе два электрона на последней орбитали атома ртути крепко связаны друг с другом, мы и получаем, что соседние атомы этого вещества взаимодействуют относительно слабо, что и приводит к достаточно низкой температуре плавления.

Так что, как видите, теория относительности — не такая уж и отдаленная от реальной жизни заумная физика, с ее эффектами мы встречаемся каждый день.

Источник