relativitetsteorien kan sees i dagligdagse fenomener

hvorfor er kvikksølv en væske ved romtemperatur? Hvis du spør det spørsmålet i et skoleklasserom, vil du sannsynligvis bli fortalt at relativitet påvirker orbitaler av tungmetaller, kontraherer dem og endrer hvordan de binder seg. Imidlertid er det første beviset på at denne forklaringen er riktig, bare nettopp blitt publisert.Et internasjonalt team ledet Av Peter Schwerdtfeger fra Massey University Auckland i New Zealand brukte kvantemekanikk til å gjøre beregninger av metallets varmekapasitet enten inkludert eller ekskludert relativistiske effekter. De viste at hvis de ignorerte relativitet når de gjorde sine beregninger, var det forutsagte smeltepunktet for kvikksølv 82°C. Men hvis de inkluderte relativistiske effekter, passet deres svar tett til eksperimentell verdi på -39°C.

Relativitet sier at objekter blir tyngre jo raskere de beveger seg. I atomer er hastigheten til de innerste elektronene relatert til atomladningen. Jo større kjernen blir jo større elektrostatisk tiltrekning og jo raskere elektronene må bevege seg for å unngå å falle inn i den. Så, når du går ned i det periodiske bordet, blir disse 1s elektronene raskere og raskere, og derfor tyngre, noe som får atomets radius til å krympe. Dette stabiliserer noen orbitaler, som også har en relativistisk natur, mens de destabiliserer andre. Dette samspillet betyr at for tunge grunnstoffer som kvikksølv og gull, er de ytre elektronene stabilisert. I merkurs tilfelle, i stedet for å danne bindinger mellom nærliggende kvikksølvatomer, forblir elektronene forbundet med sine egne kjerner, og svakere interatomiske krefter som van Der Waals-bindinger holder atomene sammen.

Long time coming

På 1960-tallet oppdaget Pekka Pyykkkk, nå Ved Helsingfors Universitet, Finland, at gullfargen var et resultat av relativistiske effekter. Han viste at de lavere energinivåene i 6s-orbitalet av gull betyr at energien som kreves for å spenne et elektron fra 5d-båndet ligger i det synlige i stedet FOR UV-lysområdet. Dette betyr at gull absorberer blått lys, mens det reflekterer gult og rødt lys, og det er dette som gir metallet sin karakteristiske fargetone. Hvis energiene til de to bandene ble beregnet uten å inkludere relativistiske effekter, er energien som kreves mye større. Ytterligere beregninger har senere vist påvirkning av relativitet på farge og bindingslengder av tungmetallforbindelser, så vel som dens betydning i katalyse. Det lave smeltepunktet for kvikksølv kan imidlertid fortsatt bare beskrives som ‘sannsynligvis’ på grunn av relativistiske effekter.

‘ på et håndviftende, spekulativt nivå har denne ideen eksistert siden slutten av 1970-tallet,’ forklarer Pyykkö, som ikke var involvert i arbeidet, ‘men dette er det første kvantitative beviset.Spesielt Schwerdtfegers team har jobbet med problemet i noen tiår. Årsaken til forsinkelsen, forklarer han, var at inntil nylig datamaskiner ikke kunne fullføre de kraftige beregningene laget utførte. – Det var behov for mye datamaskintid, legger han til, og algoritmene som brukes er mer effektive i dag.Men Utover å gjøre det til lærebøkene, som Dette arbeidet definitivt vil gjøre, Håper Schwerdtfeger at Ved å vise at hans tilnærming fungerer, kan Den brukes til å beregne smeltepunktene til andre metalliske systemer.Men enda viktigere, neste gang en lærer blir spurt om et av de mest iøynefallende eksemplene på relativitet, vet de at det er bevis for å sikkerhetskopiere deres forklaring.