Évtizedeken keresztül ismertek voltak Einstein speciális relativitáselméletének különös és néha ellentmondásos hatásai, mint például a hosszúságkontrakció és az idődilatáció. Azonban egy új elmélet újabb, eddig rejtett aspektust tár fel: a relativitás elméletének hatását a folyadékok viselkedésére.
A „folyadék sűrűsödésének” nevezett jelenséget Alessio Zaccone fizikus egy új tanulmányában részletezi. Ez az egyedülálló mikroszkopikus elmélet bemutatja a folyadék viszkozitását, és annak viselkedését a relativisztikus körülmények között. Zaccone elmélete azt mutatja be, hogyan változhat a folyadék viszkozitása a fénysebességhez közeli sebességeknél, olyan keretrendszer alkalmazásával, amely a relativisztikus egyenleteket kombinálja a részecskék elmozdulásának jelenlegi elméleteivel. Ez az áttörést jelentő kutatás segíthet áthidalni a relativisztikus hidrodinamika és a klasszikus folyadékdinamika közötti szakadékot, és akár egy új alapvető fizikai törvény szükségességére is utalhat.
Relativitás és fluid dinamika
Einstein 1905-ös speciális relativitáselméletének megjelenésével új, különös jelenségek váltak ismertté a relativisztikus hatásokkal kapcsolatban, mint például a hosszúságkontrakció, amely miatt a fénysebességhez közeli sebességgel haladó tárgyak rövidebbnek tűnnek mozgási irányukban. Bár ezek a hatások évtizedek óta elfogadottak a fizikában, a relativitáselmélet egyéb, például a folyadékok viszkozitására gyakorolt hatásait eddig nem vizsgálták részletesen – egészen mostanáig. Zaccone, a Milánói Egyetem fizikusa, kidolgozott egy mikroszkopikus modellt a viszkozitásra, amely figyelembe veszi annak hatásait a relativisztikus sebességeknél is.
Relativisztikus viszkozitás – Magyarázat
A relativisztikus Langevin-egyenletet – amely a bizonyos típusú véletlenszerű erők által befolyásolt rendszerek mozgásával foglalkozik – és a nem-affin lineáris válaszelméletet alkalmazva Zaccone egy általános elméletet mutat be a gázok viszkozitásáról a Physical Review E-ben publikált tanulmányában. Zaccone elmélete szerint az újonnan javasolt modell képes magyarázatot adni a gázok viszkozitásának viselkedésére mindennapi körülmények között, figyelembe véve a tömeget, a hőmérsékletet és a részecskék méretét – olyan módon, amely érvényes marad akkor is, ha a gázok nem közelítik meg a fénysebességet. Az elmélet továbbá feltárja, hogyan változik a viszkozitás, ahogy a folyadékok szélsőséges sebességekhez közelednek.
Zaccone elmélete kiterjed a nagyon forró hőmérsékletű folyadékokra is, amelyek közel fénysebességgel mozognak, és egy egyszerű képlettel írja le, hogy viszkozitásuk a hőmérséklettel arányosan növekszik. Zaccone szerint a relativitáselméletnek ezek a korábban figyelmen kívül hagyott hatásai összhangban állnak a sűrű, forró anyagokkal, például a kvark-gluon plazmával kapcsolatos korábbi kutatásokkal, amelyről úgy gondolják, hogy röviddel az ősrobbanás után létezett.
Zaccone új keretrendszere alapvetően számol a részecskék áramlással történő mozgásával, valamint az ütközésekből és kölcsönhatásokból eredő eltéréseikkel, ami „nem-affin” mozgásokat eredményez, és ezek jelentős mértékű impulzusveszteségért felelnek.
Saját impulzus
Zaccone elméletében különös jelentőséggel bír a „saját impulzus” fogalma, amely az objektum relatív mozgásával kapcsolatos impulzus, ahogy azt egy megfigyelő látja. Ez a részecske normál impulzusának és a Lorentz-tényezőnek a szorzata (ez a tényező mindig nagyobb egyesnél, és a fénysebességhez közeli sebességeknél rendkívül nagyra nő).
Ez a tényező döntő szerepet játszik az impulzusveszteség – és így a viszkozitás – relativisztikus körülmények közötti megértésében. Klasszikus szcenáriók alapján ellenőrizve Zaccone meglepetéssel tapasztalta, hogy az elmélet pontosan visszaadja a viszkozitás ismert függéseit a hőmérséklettől, a részecskék tömegétől és méretétől, valamint a Boltzmann-állandótól, ami összhangban áll a kísérleti megfigyelésekkel és a kinetikai elmélettel.
A nagy energiájú, gyorsan mozgó folyadékok esetében (mint például a kvark-gluon plazma) Zaccone elmélete kocka alakú hőmérsékletfüggést jósol, amely megfelel a jelenlegi bizonyítékoknak, és a folyadékok viselkedésének egységes megértését kínálja a hétköznapi és szélsőséges körülmények között.
Zaccone szerint az új modell „egy új fizikai alaptörvény” bevezetését támogatja, amely képes lehet „a természet legfontosabb állandóinak” egyesítésére.
Einstein relativitáselméletének rejtett hatása?
Zaccone egy további érdekes megfigyelése Einstein relativitáselméletének egy eddig figyelmen kívül hagyott hatásával kapcsolatos. A „folyadék sűrűsödése” elnevezésű hatás a hosszösszehúzódás és időtágulás különös jelenségeinek megfelelője, de folyadékokra alkalmazva.
Zaccone szerint ennek az új hatásnak a felfedezése fontos lehet a fizikusok számára a relativisztikus plazmák és azok asztrofizikai, illetve nagyenergiájú kísérleti jelentőségének megértésében.
A felfedezés jelentősen kibővíti a speciális relativitáselmélet hatókörét, miközben megteremti a nagy sebességű, nagy energiájú áramlások dinamikájával kapcsolatos további kutatások alapját.
Zaccone tanulmánya „Relativistic theory of the viscosity of fluids across the entire energy spectrum” címmel a Physical Review E folyóiratban jelent meg.
