Καμιά φορά πετυχαίνω σε συζητήσεις, άτομα που θεωρούν ότι η Σχετικότητα δεν ισχύει και ότι ο Einstein ήταν απατεώνας και ότι υπάρχει μια παγκόσμια επιστημονική συνωμοσία κλπ. Πάντα αυτές οι συζητήσεις αναλώνονται γύρω από την κινηματική της Σχετικότητας, τα ρολόγια που τρέχουν πιο αργά, τους δίδυμους που γερνάνε πιο γρήγορα και πιο αργά, τα προβλήματα του ταυτοχρονισμού και διάφορα τέτοια. Φυσικά η Σχετικότητα έχει επαληθευτεί πειραματικά σε όλα αυτά τα πράγματα και με το παραπάνω (έχει ενδιαφέρον και αυτή η εργασία στο Science με το σχετικό podcast), αλλά πέρα από αυτό, η Σχετικότητα δεν είναι μόνο η κινηματική της. Είναι και το πως έχει ενταχθεί σε όλο το οικοδόμημα της φυσικής. Σε κάθε τέτοια περίπτωση συνήθως μπαίνω στη διαδικασία και σκέφτομαι πόσο διαφορετική θα ήταν η φύση αν δεν ίσχυε η σχετικότητα (που είναι με άλλα λόγια, το πόσο καλά ξέρουμε ότι η σχετικότητα είναι σωστή). Πολλές φορές προσπαθώ να σκεφτώ και κανένα χτυπητό παράδειγμα από την καθημερινότητα για το γιατί η σχετικότητα ισχύει.
Το πρώτο που μου έρχεται πάντα στο μυαλό είναι ο ηλεκτρομαγνητισμός και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και όλες οι εφαρμογές τους (ραδιόφωνα, τηλεοράσεις επικοινωνίες κλπ). Φυσικά ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι μια σχετικιστική θεωρία.
Το δεύτερο είναι η εξίσωση Dirac και η σχετικιστική φύση ουσιαστικά των ηλεκτρονίων και του spin τους. Στην κβαντική περιγραφή της ύλης όταν βάζεις μέσα τη σχετικότητα, προκύπτει ως ιδιότητα των σωματιδίων με φυσικό τρόπο (από την εξίσωση της ενέργειας των σωματιδίων με μάζα) ότι τα σωματίδια πρέπει να έχουν spin. Και ποια είναι η εφαρμογή αυτού; Το ότι υπάρχει ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων και το ότι τα στοιχεία έχουν τις χημικές ιδιότητες που έχουν, γιατί μπορεί η κβαντομηχανική από μόνη της να μην αφήνει το ηλεκτρόνιο να κάνει βουτιά στον πυρήνα, αλλά το ότι τα ηλεκτρόνια κατανέμονται στις στιβάδες όπως κατανέμονται, με αποτέλεσμα συγκεκριμένες χημικές ιδιότητες για κάθε στοιχείο, είναι αποτέλεσμα του ότι έχουν spin και του ότι είναι φερμιόνια. Για όλα αυτά φταίει η σχετικότητα λοιπόν. Πιο πρακτικά, όλα αυτά σημαίνουν ότι εξαιτίας της Σχετικότητας ο κόσμος γύρω μας είναι όπως τον βλέπουμε και γι' αυτό υπάρχουμε και εμείς. Αλλά αυτό είναι πολύ ψηλό νόημα.
Η παραπάνω σκέψη οδηγεί και στο γεγονός της ύπαρξης της αντιύλης που είναι και αυτό ένα αποτέλεσμα της σχετικότητας.
Και μετά από αυτά υπάρχουν και οι εφαρμογές του τύπου "πυρηνική ενέργεια" και "ατομική βόμβα", που είναι θεαματικές αποδείξεις της ισχύος της Σχετικότητας.
Αυτά λοιπόν σκέφτομαι συνήθως σε τέτοιες συζητήσεις.
Πέρα από όλα αυτά (μικρά και μεγάλα), πρόσφατα βγήκε μια εργασία στο PRL που δείχνει ότι υπάρχει και μια ακόμα εφαρμογή της Σχετικότητας, που δεν θα μπορούσε να λειτουργεί χωρίς την Σχετικότητα, που δεν περνάει εύκολα από το μυαλό και που δεν θα μπορούσε να είναι πιο καθημερινή.
Και το όνομα αυτής, μπαταρία μολύβδου για το αυτοκίνητο.
Το άρθρο στο PRL έχει τίτλο, "Relativity and the Lead-Acid Battery" (arXiv:1008.4872 [cond-mat.mtrl-sci]) και περιγράφει ουσιαστικά το πως εξαρτάται η Ηλεκτρεγερτική Δύναμη (ΗΕΔ) της μπαταρίας από το αν θα πάρει κανείς υπόψιν του τις σχετικιστικές διορθώσεις στους υπολογισμούς της χημικής δυναμικής/κινητικής των αντιδράσεων που προκαλούν την ανταλλαγή των ηλεκτρονίων ανάμεσα στην άνοδο και την κάθοδο. Το αποτέλεσμα είναι θεαματικό. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της εργασίας, η θεωρητική παραγόμενη ΗΕΔ χωρίς Σχετικότητα είναι 0.39V και με Σχετικότητα είναι 2.13V. Η πειραματικά μετρούμενη ΗΕΔ είναι 2.107V, που σχεδόν συμπίπτει με την Σχετικιστική τιμή, ενώ η μη Σχετικιστική δεν πλησιάζει καν.
Τι σημαίνει όμως με και χωρίς την Σχετικότητα στον υπολογισμό της ΗΕΔ; Πρακτικά η Σχετικότητα έχει να κάνει με τη δομή των τροχιακών των ατόμων του Μολύβδου και κατ'επέκταση με τις ενέργειες που παίζουν σε κάθε χημική ένωση που σχηματίζει ο Μόλυβδος, από όπου με την σειρά της εξαρτάται η ελεύθερη ενέργεια της αντίδρασης που προκαλεί την μεταφορά των φορτίων και άρα από εκεί η ΗΕΔ.
Φοβερό έτσι; Όπως λένε και στο paper,
In conclusion, the lead-acid battery belongs to those familiar phenomena, whose characteristic features are due to the relativistic dynamics of fast electrons when they move near a heavy nucleus. In this case the main actors are the 6s valence electrons of lead, in the substances involved. This insight may not help one to improve the lead battery, but it could be useful in exploring alternatives.
Finally, we note that cars start due to relativity.
LOL
Καλή Χρονιά...
