Автомобили заводятся благодаря теории относительности

Работа ученых из университета Упсалы (Швеция) и Хельсинки (Финляндия) опубликована в журнале Physical Review Letters. В ней ученые исследовали электрохимические реакции в свинцово-кислотном аккумуляторе и на основе теоретических моделей определили, сколько же вольт выдаст известное большинству автолюбителей устройство.

Вольты, ватты, амперы

 

Мощность электрического устройства (сколько энергии оно может выдать или потребить за секунду) измеряется в ваттах. А вольты— это единицы напряжения, то есть характеристики создаваемого в цепи электрического поля.

 

Между ними связь не всегда прямая (ватты = вольты х амперы) и автомобильный стартер, использующий 12В, имеет явно большую мощность, чем включенная в 220В розетку лампочка ночника. Ученые, о работе которых идет речь, рассчитывали напряжение, а не мощность.

Результаты расчетов, что неудивительно, совпали с опытными данными— согласно которым одна ячейка батареи выдает 2,107 вольта. Примечательно не совпадение само себе, а то, что получить довольно точный результат удалось, используя теорию относительности, которая даже в научной среде мало у кого ассоциируется с такими прозаичными вещами, как автомобильные аккумуляторы.

Причем тут Эйнштейн?

Свинцовые батареи изобрели задолго до теории относительности— опытным путем обнаружив, что погруженные в электролит на основе серной кислоты свинцовые электроды могут дать напряжение, достаточное для работы каких-то устройств. Дешевизна материалов, сравнительная простота изготовления и относительная безопасность— у изобретения возрастом больше века до сих пор не нашлось достойного массового конкурента, хотя за это время наука и шагнула далеко вперед.

Одна ячейка батареи дает около двух вольт, шесть последовательно соединенных— около 12… но почему именно столько? Специалисты в области электрохимии ответят, что это обусловлено свойствами атомов свинца, которые определяют выделяемую в реакции с серной кислотой энергию и в справочниках можно найти данные, позволяющие точно так же предсказать напряжение, выдаваемое какой-нибудь другой комбинацией материалов. Все данные давно получены, так что ничего нового тут, казалось бы, ждать не стоит.

Однако можно задаться другим вопросом— а почему свойства атомов свинца именно таковы? Почему свинец при погружении в кислоту в итоге может быть основой для аккумулятора на 2,1 вольта, а углерод— нет? Можно пойти еще дальше и спросить, почему вообще тот или иной элемент ведет себя именно так, как мы видим— почему свинец легко плавится, платина не реагирует с большинством соединений, а мышьяк токсичен?

Ответ на эти вопросы дает теория атома, в которой рассматривается его внутреннее строение. В самом простом и далеко не полном виде ее основы излагаются в школьном курсе химии: вокруг положительно заряженного ядра рисуются электронные оболочки разнообразной формы. Чем тяжелее ядро, тем сложнее конфигурация окружающих его электронов.

Вот здесь-то и выходит на первое место теория относительности, которая описывает прежде всего движение объектов со скоростями около скорости света. Электрон вблизи ядра свинца, как показали расчеты, является именно таким объектом: игнорирование законов теории относительности для него недопустимо, ибо ведет к грубейшим ошибкам!

Авторы из шведского и финского научных центров специально провели сначала расчеты, в которых никакой теории относительности не было. И пришли к выводу— если бы релятивисткие (то есть проявляющиеся на околосветовых скоростях) эффекты в атоме свинца отсутствовали, никакая машина с места бы не тронулась— аккумулятор выдал бы жалкие несколько вольт!

Что это значит?

Ценность работы ученых в данном случае не в том, что они нашли какой-то новый материал, позволяющий получить больший заряд аккумулятора или продлить его срок службы. Практически их труд может быть востребован разве что при поиске каких-то новых вариантов (с использованием иных металлов и кислот), но и то маловероятно— статья в авторитетном научном издании интересна по иной причине.

Физикам удалось лишний раз показать, насколько глубока связь казалось бы «чистой теории» с прикладными задачами. Теория относительности уже применялась при расчете спутниковых систем навигации, она абсолютно необходима для запуска межпланетных зондов к другим планетам или проектирования ускорителей (не только большого адронного коллайдера, ускорители бывают и медицинскими, дающими пучок частиц для поражения раковых опухолей)— но все это традиционно ассоциировалось с высокими технологиями, где закономерно ожидать сложной научной основы.

Автомобильный аккумулятор, который можно найти на любом автосервисе даже в самом отдаленном и глухом районе— последнее, что можно было бы заподозрить в связи с теоретической физикой.