«Тот, кто не был потрясен при первом знакомстве с квантовой теорией, скорее всего, просто ничего не понял». Нильс Бор

Положения квантовой теории настолько ошеломительны, что она больше похожа на научную фантастику.

Частица микромира может находиться в двух и более местах одновременно!

(Один из совсем недавних экспериментов показал, что одна из таких частиц может находиться одновременно в 3000 мест!)

Один и тот же «объект» может быть и локализованной частицей, и энергетической волной, распространяющейся в пространстве.

Эйнштейн выдвинул постулат: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но квантовая физика доказала: субатомные частицы могут обмениваться информацией мгновенно - находясь друг от друга на любом удалении.

Классическая физика была детерминированной: исходя из начальных условий, вроде местоположения и скорости объекта, мы можем рассчитать, куда он будет двигаться. Квантовая физика - вероятностна: мы никогда не можем с абсолютной уверенностью сказать, как поведет себя исследуемый объект.

Классическая физика была механистичной. Она основана на предпосылке: только зная отдельные части объекта, мы в конечном счете можем понять, что он из себя представляет.

Квантовая физика целостна: она рисует картину Вселенной как единого целого, части которого взаимосвязаны и влияют друг на друга.

И, наверно, наиболее важно то, что квантовая физика уничтожила представление о принципиальном различии между субъектом или объектом, наблюдателем и наблюдаемым - а ведь оно властвовало над учёными умами в течение 400 лет!

В квартовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Нет никаких изолированных наблюдателей механической Вселенной - всё принимает участие в её существовании.

ПОТРЯСЕНИЕ №1 - ПУСТОЕ ПРОСТРАНСТВО

Одну из первых трещин в прочной конструкции ньютоновской физики сделало следующее открытие: атомы - эти твёрдые стандартные блоки физической Вселенной! - состоят главным образом из пустого пространства. Насколько пустого? Если увеличить ядро атома водорода до размера баскетбольного мяча, то единственный вращающийся вокруг него электрон будет находиться на расстоянии в тридцать километров, а между ядром и электроном - ничего. Так что глядя вокруг, помните: реальность - это мельчайшие точечки материи, окружённые пустотой.

Впрочем, не совсем так. Эта предполагаемая «пустота» на самом деле не пуста: она содержит колоссальное количество невероятно мощной энергии. мы знаем, что энергия становится всё плотнее по мере перехода на более низкий уровень материи (например, ядерная энергия в миллион раз мощнее химической). Сейчас учёные говорят, что в одном кубическом сантиметре пустого пространства больше энергии, чем во всей материи известной Вселенной. Хотя учёные не смогли измерить её, они видят результаты действия этого моря энергии.

ПОТРЯСЕНИЕ №2 - ЧАСТИЦА, ВОЛНА ИЛИ ВОЛНОЧАСТИЦА?

Мало того, что атом почти сплошь состоит из «пространства» - когда учёные более глубоко исследовали его, обнаружили, что субатомные (составляющие атом) частицы также не сплошные. И, похоже, они имеют двойственную природу. В зависимости от того, как мы их наблюдаем, они могут вести себя или как твёрдые микротела, или как волны.

Частицы - это отдельные твёрдые объекты, занимающие определённое положение в пространстве. А волны не имеют «тела», они не локализованы и распространяются в пространстве.

В качестве волны электрон или фотон (частица света) не имеет точного местоположения, но существует как «поле вероятностей». В состоянии частицы поле вероятностей «схлопывается» (коллапсирует) в твёрдый объект. Его координаты в четырёхмерном пространстве-времени уже можно определить.

Это удивительно, но состояние частицы (волна или твёрдый объект) задаётся актами наблюдения и измерения. Не измеряемые и не наблюдаемые электроны ведут себя подобно волнам. Как только мы подвергаем их наблюдению в процессе эксперимента, они «схлопываются» в твёрдые частицы и могут быть зафиксированы в пространстве.

Но как может быть что-то одновременно и твёрдо частицей и текучей волной? Возможно, парадокс будет разрешён, если мы вспомним то, о чём недавно говорили: частицы ведут себя как волны или как твёрдые объекты. Но понятия «волна» и «частица» - это всего лишь аналогии, взятые из нашего повседневного мира. Понятие волны было введено в квантовую теорию Эрвином Шредингером. Он автор знаменитого «волнового уравнения», которое математически обосновывает существование у твёрдой частицы волновых свойств до акта наблюдения. Некоторые физики - в попытке объяснить то, с чем они никогда не сталкивались и не могут до конца разобраться, - называют субатомные частицы «волночастицами».

ПОТРЯСЕНИЕ №3 - КВАНТОВЫЕ СКАЧКИ И ВЕРОЯТНОСТЬ

Изучая атом, учёные обнаружили: когда электроны, вращаясь вокруг ядра, перемещаются с орбиты на орбиту, они не движутся в пространстве как обычные объекты. Нет, они покрывают расстояние мгновенно. То есть исчезают в одном месте и появляются в другом. Этот феномен назвали квантовым скачком.

Мало того, учёные поняли, что не могут точно определить, где именно на новой орбите появится исчезнувший электрон или в какой момент он будет совершать скачок. Самое большее, что они смогли сделать - рассчитать вероятность (на основании волнового уравнения Шредингера) нового местоположения электрона.

«Реальность, как мы её ощущаем, создаётся в каждый момент времени в совокупности бесчисленных возможностей, - говорит доктор Сатиновер. - Но настоящая тайна - в том, что нет ничего в физической Вселенной, что бы определяло, какая именно возможность из этой совокупности осуществится. Нет процесса, который это устанавливает».

Таким образом, квантовые скачки - единственные по-настоящему случайные события во Вселенной.

ПОТРЯСЕНИЕ №4 - ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ

В классической физике все параметры объекта, включая его пространственные координаты и скорость, могут быть измерены с точностью, ограниченной только возможностями экспериментальных технологий. Но на квантовом уровне всякий раз, когда вы определяете одну количественную характеристику объекта, например скорость, вы не можете получить точных значений других его параметров, например координат. Другими словами: если вы знаете, как быстро объект движется, вы не можете знать, где он находится. И наоборот: если вы знаете, где он находится, не можете знать, с какой скоростью он движется.

Как бы ни изощрялись экспериментаторы, какие бы продвинутые технологии измерений ни использовали - заглянуть за эту завесу им не удаётся.

Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой физики, сформулировал принцип неопределённости. Суть его в следующем: как ни бейся, одновременно невозможно получить точные значения координат и скорости квантового объекта. Чем большей точности мы добиваемся в измерении одного параметра, тем более неопределённым становится другой.

ПОТРЯСЕНИЕ №5 - НЕЛОКАЛЬНОСТЬ, ЭПР-ПАРАДОКС И ТЕОРЕМА БЕЛЛА

Альберт Эйнштейн недолюбливал квантовую физику. Оценивая изложенную в квантовой физике вероятностную природу субатомных процессов, он говорил: «Бог не играет в кости с Вселенной». А вот Нильс Бор ему отвечал: «Перестаньте учить Бога, что ему делать!»

В 1935 году Энштейн и его коллеги Подольский и Розен (ЭПР) попытались нанести поражение квантовой теории. Учёные на основании положений квантовой механики провели мысленный эксперимент и пришли к парадоксальному выводу. (Он должен был показать ущербность квантовой теории). Суть их размышлений такова. Если мы имеем две одновременно возникшие частицы, то это означает, что они взаимосвязаны или находятся в состоянии суперпозиции. Отправим их в разные концы Вселенной. Затем изменим состояние одной из частиц. Тогда, согласно квантовой теории, другая частица мгновенно приходит в то же состояние. Мгновенно! На другом краю мироздания!

Подобная идея была настолько смехотворна, что Эйнштейн саркастически отозвался о ней как о «сверхъестественном дальнодействии». Согласно его теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. А в ЭПР-эксперименте выходило, что скорость обмена информацией между частицами бесконечна! Кроме того, сама мысль, что электрон может «отслеживать» состояние другого электрона на противоположном краю Вселенной, полностью противоречила общепринятым представлениям о реальности, да и вообще здравому смыслу.

Но вот в 1964 году ирландский физик-теоретик Джон Белл сформулировал и доказал теорему, из которой следовало: «смехотворные» выводы из мысленного эксперимента ЭПР - истинны!

Частицы тесно связаны на определённом уровне, выходящем за рамки времени и пространства. Поэтому способны мгновенно обмениваться информацией.

Представление о том, что любой объект Вселенной локален - т.е. существует в каком-то одном месте (точке) пространства - не верно. Все в этом мире нелокально.

Тем не менее этот феномен является действующим законом Вселенной. Шредингер говорил, что взаимосвязь между объектами - не единственный интересный аспект квантовой теории, но важнейший. В 1975 году физик-теоретик Генри Стэпп назвал теорему Белла «самым значительным открытием науки». Обратите внимание, что он говорил о науке, а не только о физике.

(Статья подготовлена по материалам книги У. Арнтц, Б. Чейс, М. Висенте «Кроличья нора, или что мы знаем о себе и Вселенной?», глава «Квантовая физика».)

В 1935 году, когда квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна были очень молоды, не шибко известный советский физик Матвей Бронштейн, будучи в возрасте 28 лет, сделал первое подробное исследование на тему согласования этих двух теорий в квантовой теории гравитации. Эта, «возможно, теория всего мира в целом», как писал Бронштейн, могла бы вытеснить классическое эйнштейново описание гравитации, в котором она видится кривыми в пространственно-временном континууме, и переписать его квантовым языком, как и всю остальную физику.

Бронштейн выяснил, как описать гравитацию в терминах квантованных частиц, теперь называемых гравитонами, но только когда сила гравитации слаба — то есть (в общей теории относительности) когда пространство-время настолько слабо изогнуто, что будет практически плоским. Когда гравитация сильная, «ситуация совершенно другая», писал ученый. «Без глубокого пересмотра классических понятий, кажется практически невозможным представить квантовую теорию гравитации и в этой области».

Его слова были пророческими. Восемьдесят три года спустя, физики все еще пытаются понять, как пространственно-временная кривизна проявляется в макроскопических масштабах, вытекая из более фундаментальной и предположительно квантовой картины гравитации; возможно, это самый глубокий вопрос в физике. Возможно, если бы был шанс, светлая голова Бронштейна ускорила бы процесс этого поиска. Помимо квантовой гравитации, он также сделал вклад в астрофизику и космологию, теорию полупроводников, квантовую электродинамику и написал несколько книжек для детей. В 1938 году он попал под сталинские репрессии и был казнен в возрасте 31 года.

Поиск полной теории квантовой гравитации осложняется тем, что квантовые свойства гравитации никогда не проявляются в реальном опыте. Физики не видят, как нарушается эйнштейново описание гладкого пространственно-временного континуума, либо бронштейново квантовое приближение его в слабо искривленном состоянии.

Проблема заключается в крайней слабости гравитационной силы. В то время как квантованные частицы, передающие сильные, слабые и электромагнитные силы, настолько сильны, что плотно связывают материю в атомы и могут быть исследованы буквально под лупой, гравитоны по отдельности настолько слабые, что у лабораторий нет никаких шансов их обнаружить. Чтобы поймать гравитон с высокой долей вероятности, детектор частиц должен быть настолько большим и массивным, что коллапсирует в черную дыру. Эта слабость объясняет, почему нужны астрономические накопления масс, чтобы оказывать влияние на другие массивные тела посредством гравитации, и почему мы видим гравитационные эффекты на огромных масштабах.

Это не все. Вселенная, по-видимому, подвергается какой-то космической цензуре: области с сильной гравитацией — где пространственно-временные кривые настолько острые, что уравнения Эйнштейна дают сбой, и должна раскрываться квантовая природа гравитации и пространства-времени — всегда прячутся за горизонтами черных дыр.

«Даже несколько лет назад был общий консенсус, что, вероятнее всего, измерить квантование гравитационного поля каким-либо образом невозможно», говорит Игорь Пиковский, физик-теоретик Гарвардского университета.

И вот несколько недавно опубликованных в Physical Review Letters статей изменили положение дел. В этих работах делается заявление, что добраться до квантовой гравитации может быть возможно — даже ничего не зная о ней. Работы, написанные Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона и Кьярой Марлетто и Влатко Ведралом из Оксфордского университета, предлагают технически сложный, но осуществимый эксперимент, который мог бы подтвердить, что гравитация это квантовая сила, как и все остальные, не требуя обнаружения гравитона. Майлз Бленкоу, квантовый физик из Дартмутского колледжа, не принимавший участия в этой работе, говорит, что такой эксперимент мог бы обнаружить четкий след невидимой квантовой гравитации — «улыбку Чеширского Кота».

Предложенный эксперимент определит, могут ли два объекта — группа Бозе планирует использовать пару микроалмазов — стать квантово-механически запутанными между собой в процессе взаимного гравитационного притяжения. Запутанность — это квантовое явление, в котором частицы становятся неразделимо переплетенными, разделяя единое физическое описание, которое определяет их возможные совмещенные состояния. (Сосуществование различных возможных состояний называется «суперпозицией» и определяет квантовую систему). Например, пара запутанных частиц может существовать в суперпозиции, при которой частица А будет с 50-процентной вероятностью вращаться (spin) снизу вверх, а Б — сверху вниз, и с 50-процентной вероятностью наоборот. Никто не знает заранее, какой результат вы получите при измерении направления спина частиц, но вы можете быть уверены в том, что он у них будет одинаков.

Авторы утверждают, что два объекта в предлагаемом эксперименте могут запутаться таким образом лишь в том случае, если сила, действующая между ними, — в данном случае гравитация — будет квантовым взаимодействием, опосредованным гравитонами, которые могут поддерживать квантовые суперпозиции. «Если будет проведен эксперимент и будет получена запутанность, согласно работе, можно сделать вывод, что гравитация квантуется», пояснил Бленкоу.

Запутать алмаз

Квантовая гравитация настолько незаметна, что некоторые ученые усомнились в ее существовании. Известный математик и физик Фримен Дайсон, которому 94 года, с 2001 года утверждает, что вселенная может поддерживать своего рода “дуалистическое” описание, в котором «гравитационное поле, описанное общей теорией относительности Эйнштейна, будет сугубо классическим полем без какого-либо квантового поведения», при этом все вещество в этом гладком пространственно-временном континууме будет квантоваться частицами, которые подчиняются правилам вероятности.

Дайсон, который помогал разрабатывать квантовую электродинамику (теорию взаимодействий между материей и светом) и является почетным профессором Института передовых исследований в Принстоне, Нью-Джерси, не считает, что квантовая гравитация необходима для описания недостижимых недр черных дыр. И он также считает, что обнаружение гипотетического гравитона может быть невозможным в принципе. В таком случае, говорит он, квантовая гравитация будет метафизической, а не физической.

Он не единственный скептик. Известный английский физик сэр Роджер Пенроуз и венгерский ученый Ладжос Диоси независимо предполагали, что пространство-время не может поддерживать суперпозиции. Они считают, что его гладкая, твердая, фундаментально классическая природа препятствует искривлению на два возможных пути одновременно — и именно эта жесткость приводит к коллапсу суперпозиций квантовых систем вроде электронов и фотонов. “Гравитационная декогеренция”, по их мнению, позволяет случиться единой, твердой, классической реальности, которую можно ощущать в макроскопических масштабах.

Возможность найти “улыбку” квантовой гравитации, казалось бы, опровергает аргумент Дайсона. Также она убивает теорию гравитационной декогеренции, показывая, что гравитация и пространство-время действительно поддерживают квантовые суперпозиции.

Предложения Бозе и Марлетто появились одновременно и абсолютно случайно, хотя эксперты отмечают, что они отражают дух времени. Экспериментальные лаборатории квантовой физики по всему миру ставят все более крупные микроскопические объекты в квантовые суперпозиции и оптимизируют протоколы испытаний запутанности двух квантовых систем. Предложенный эксперимент должен будет объединить эти процедуры, требуя при этом дальнейшего улучшения масштаба и чувствительности; возможно, на это уйдет лет десять. «Но физического тупика нет», говорит Пиковский, который также исследует, как лабораторные эксперименты могли бы зондировать гравитационные явления. «Думаю, это сложно, но не невозможно».

Этот план более подробно изложен в работе Бозе и соавторов — одиннадцать экспертов Оушена для разных этапов предложения. Например, в своей лаборатории в Университете Уорика один из соавторов Гэвин Морли работает над первым этапом, пытаясь поместить микроалмаз в квантовую суперпозицию в двух местах. Для этого он заключит атом азота в микроалмазе, рядом с вакансией в структуре алмаза (так называемый NV-центр, или азото-замещенная вакансия в алмазе), и зарядит его микроволновым импульсом. Электрон, вращающийся вокруг NV-центра, одновременно и поглощает свет, и нет, а система переходит в квантовую суперпозицию двух направлений спина — вверх и вниз — подобно волчку, который с определенной вероятностью вращается по часовой стрелке и с определенной — против. Микроалмаз, загруженный этим спином суперпозиции, подвергается воздействию магнитного поля, которое заставляет верхний спин двигаться влево, а нижний — вправо. Сам алмаз расщепляется на суперпозицию двух траекторий.

В полном эксперименте ученые должны сделать все это с двумя алмазами — красным и синим, допустим — расположенными рядом в сверххолодном вакууме. Когда ловушка, удерживающая их, отключится, два микроалмаза, каждый в суперпозиции двух положений, будут падать вертикально в вакууме. По мере падения алмазы будут ощущать гравитацию каждого из них. Насколько сильным будет их гравитационное притяжение?

Если гравитация является квантовым взаимодействием, ответ таков: в зависимости от чего. Каждый компонент суперпозиции синего алмаза будет испытывать более сильное или более слабое притяжение к красному алмазу, в зависимости от того, находится ли последний в ветви суперпозиции, которая ближе или дальше. И гравитация, которую будет ощущать каждый компонент суперпозиции красного алмаза, точно так же зависит от состояния синего алмаза.

В каждом из случаев различные степени гравитационного притяжения воздействуют на эволюционирующие компоненты суперпозиций алмазов. Два алмаза становятся взаимозависимыми, потому что их состояния можно будет определить только в сочетании — если это, значит то — поэтому, в конечном итоге, направления спинов двух систем NV-центров будут коррелировать.

После того как микроалмазы будут падать бок о бок в течение трех секунд, — этого достаточно, чтобы запутаться в гравитациях, — они пройдут через другое магнитное поле, которое снова совместит ветви каждой суперпозиции. Последний шаг эксперимента — протокол «запутанного знания» (entanglement witness), разработанный датским физиком Барбарой Терал и другими: синий и красный алмазы входят в разные устройства, которые измеряют направления спина систем NV-центров. (Измерение приводит к коллапсу суперпозиций в определенные состояния). Затем два результата сопоставляются. Проводя эксперимент снова и снова и сравнивая множество пар измерений спина, ученые могут определить, действительно ли спины двух квантовых систем коррелировали между собой чаще, чем определяет верхний предел для объектов, которые не являются квантово-механически запутанными. Если так, гравитация действительно запутывает алмазы и может поддерживать суперпозиции.

«Что интересно в этом эксперименте, так это то, что вам не нужно знать, что такое квантовая теория», говорит Бленкоу. «Все, что нужно, это утверждать, что есть некий квантовый аспект в этой области, который опосредован силой между двумя частицами».

Технических трудностей — масса. Самый большой объект, который помещали в суперпозицию в двух местах до этого, представлял собой 800-атомную молекулу. Каждый микроалмаз содержит более 100 миллиардов атомов углерода — этого достаточно, чтобы накопить ощутимую гравитационную силу. Распаковка его квантово-механического характера потребует низких температур, глубокого вакуума и точного контроля. «Очень много работы состоит в настройке изначальной суперпозиции и запуске», говорит Питер Баркер, член экспериментальной команды, которая усовершенствует методы лазерного охлаждения и поимки микроалмазов. Если бы это можно было сделать с одним алмазом, добавляет Бозе, «второй не составит проблемы».

В чем уникальность гравитации?

Исследователи квантовой гравитации не сомневаются в том, что гравитация — это квантовое взаимодействие, способное вызывать запутанность. Конечно, гравитация в чем-то уникальна, и еще многое предстоит узнать о происхождении пространства и времени, но квантовая механика точно должна быть вовлечена, говорят ученые. «Ну правда, какой смысл в теории, в которой большая часть физики квантовая, а гравитация классическая», говорит Дэниел Харлоу, исследователь квантовой гравитации в MIT. Теоретические аргументы против смешанных квантово-классических моделей очень сильные (хотя и не неоспоримые).

С другой стороны, теоретики ошибались и прежде. «Если можно проверить, почему нет? Если это заткнет этих людей, которые ставят под вопрос квантовость гравитации, будет здорово», считает Харлоу.

Прочитав работы, Дайсон написал: «Предлагаемый эксперимент безусловно представляет большой интерес и требует проведения в условиях настоящей квантовой системы». Однако он отмечает, что направление мысли авторов о квантовых полях отличаются от его. «Мне непонятно, сможет ли этот эксперимент разрешить вопрос существования квантовой гравитации. Вопрос, который я задавал — наблюдаем ли отдельный гравитон — это другой вопрос, и он может иметь другой ответ».

Направление мысли Бозе, Марлетто и их коллег о квантованной гравитации проистекает из работ Бронштейна еще в 1935 году. (Дайсон назвал работу Бронштейна «прекрасной работой», которую он не видел прежде). В частности, Бронштейн показал, что слабая гравитация, рождаемая малой массой, может быть аппроксимирована законом тяготения Ньютона. (Это сила, которая действует между суперпозициями микроалмазов). По мнению Бленкоу, расчеты слабой квантованной гравитации особо не проводились, хотя безусловно являются более релевантными, чем физика черных дыр или Большого Взрыва. Он надеется, что новое экспериментальное предложение побудит теоретиков на поиск тонких уточнений к ньютоновскому приближению, которое будущие настольные эксперименты могли бы попробовать проверить.

Леонард Сасскинд, известный теоретик квантовой гравитации и струн в Стэнфордском университете, увидел ценность предлагаемого эксперимента, потому что «он обеспечивает наблюдения гравитации в новом диапазоне масс и расстояний». Но он и другие исследователи подчеркнули, что микроалмазы не могут выявить ничего о полной теории квантовой гравитации или пространства-времени. Он и его коллеги хотели бы понять, что происходит в центре черной дыры и в момент Большого Взрыва.

Возможно, одна из подсказок к тому, почему квантовать гравитацию настолько тяжелее, чем все остальное, лежит в том, что другие силы природы обладают так называемой “локальностью”: квантовые частицы в одной области поля (фотоны в электромагнитном поле, например) «независимы от других физических сущностей в другой области пространства», говорит Марк ван Раамсдонк, теоретик квантовой гравитации из Университета Британской Колумбии. «Но есть много теоретических доказательств того, что гравитация работает не так».

В лучших песочных моделях квантовой гравитации (с упрощенными пространственно-временными геометриями) невозможно предположить, что ленточная пространственно-временная ткань делится на независимые трехмерные кусочки, говорит ван Раамсдонк. Вместо этого современная теория предполагает, что нижележащие, фундаментальные составляющие пространства «организованы скорее двумерно». Ткань пространства-времени может быть как голограмма или видеоигра. «Хотя картинка трехмерна, информация хранится на двумерном компьютерном чипе». В таком случае трехмерный мир будет иллюзей в том смысле, что различные его части не являются настолько независимыми. В аналогии с видеоигрой, несколько битов на двумерном чипе могут кодировать глобальные функции всей игровой вселенной.

И эта разница имеет значение, когда вы пытаетесь создать квантовую теорию гравитацию. Обычный подход к квантованию чего-либо заключается в определении его независимых частей — частиц, например, — и затем применении к ним квантовой механики. Но если вы не определяете правильные составляющие, вы получаете неправильные уравнения. Прямое квантование трехмерного пространства, которое хотел сделать Бронштейн, работает в некоторой мере со слабой гравитацией, но оказывается бесполезным, когда пространство-время сильно искривлено.

Некоторые эксперты говорят, что засвидетельствование “улыбки” квантовой гравитации может привести к мотивации подобного рода абстрактных рассуждений. В конце концов, даже самые громкие теоретические аргументы о существовании квантовой гравитации не подкрепляются экспериментальными фактами. Когда ван Раамсдонк объясняет свои исследования на коллоквиуме ученых, говорит он, обычно все начинается с рассказа о том, что гравитацию нужно переосмыслить с квантовой механикой, потому что классическое описание пространства-времени ломается на черных дырах и Большом Взрыве.

«Но если провести этот простой эксперимент и показать, что гравитационное поле было в суперпозиции, провал классического описания станет очевидным. Потому что будет эксперимент, который подразумевает, что гравитация — квантовая».

По материалам Quanta Magazine

Е. С. ,
, МОУ СОШ № 16 с УИОП, г. Лысьва, Пермский кр.

Зарождение квантовой физики

Отыщи всему начало, и ты многое поймёшь!
Козьма Прутков

Образовательная задача урока: ввести понятие дискретности материи, сформировать понятие квантово-волнового дуализма материи, обосновать введение формул Планка и длины волны де Бройля .

Развивающая задача урока: развивать логическое мышление, умение сравнивать и анализировать ситуации, видеть межпредметные связи.

Воспитательная задача урока: формировать диалектико-материалистическое мышление.

Физике как науке присущи общечеловеческие ценности, огромный гуманитарный потенциал. В ходе её изучения раскрываются основные научные методы (научный эксперимент, моделирование, мысленный эксперимент, создание и структура научной теории). Ученикам надо дать возможность взглянуть на мир глазами физика, чтобы понять вечность и постоянную изменяемость мира – мира, в котором так много громадного и ничтожно малого, очень быстрого и необычайно медленного, простого и трудно познаваемого, – ощутить постоянное стремление человека к познанию, доставляющему глубочайшее удовлетворение, познакомиться с примерами глубокого переживания «научных сомнений» и смелого движения по незнакомому пути в поиске элегантности, краткости и наглядности.

I. Учитель. Когда мы начинали изучать оптику, я задала вопрос: «Что такое свет?» Как бы вы сейчас ответили на него? Попробуйте сформулировать свою мысль одним предложением. Начните со слов «свет – это...» У Ф.И. Тютчева есть такие строки: «Снова жадными очами//Свет живительный я пью». Пожалуйста, попробуйте прокомментировать эти строки с точки зрения физики. В поэзии – от Гомера и до наших дней – ощущениям, рождаемым светом, всегда отводилось особое место. Наиболее часто поэты воспринимали свет как особую светоносную, сияющую жидкость.

Чтобы сегодняшний разговор о свете был полноценным, я хотела бы зачитать слова С.И. Вавилова: «Непрерывная, победоносная война за истину, никогда не завершающаяся окончательной победой, имеет, однако, своё неоспоримое оправдание. На пути понимания природы света человек получил микроскопы, телескопы, дальномеры, радио, лучи Рентгена; это исследование помогло овладению энергией атомного ядра. В поисках истины человек безгранично расширяет области своего овладения природой. А не в этом ли подлинная задача науки? (выделено мной. – Е.У. )»

II. Учитель. В процессе изучения физики мы познакомились со многими теориями, например, МКТ, термодинамикой, теорией электромагнитного поля Максвелла и др. Сегодня мы завершаем изучение волновой оптики. Мы должны подвести итоги изучения темы и, возможно, поставить окончательную точку в вопросе: «Что такое свет?» Не могли бы вы на примерах из волновой оптики показать роль теории в процессе познания природы?

Вспомним, что значение теории заключается не только в том, что она позволяет объяснить многие явления, но и в том, что она даёт возможность предсказать новые, не известные ещё физические явления, свойства тел и закономерности. Так, волновая теория объяснила явления интерференции, дифракции, поляризации, преломления, дисперсии света и позволила сделать «открытие на кончике пера» – предсказание. В 1815 г. никому не известный инженер в отставке Огюстен Френель представил в Парижскую академию наук работу, объясняющую явление дифракции. Разбор работы был поручен известным учёным – физику Д. Араго и математику С. Пуассону. Пуассон, с пристрастием читая эту работу, обнаружил в выводах Френеля вопиющую нелепость: если в поток света поместить небольшую круглую мишень, то в центре тени должен появиться световой зайчик! Как вы думаете, что было дальше? Через несколько дней Араго поставил опыт и обнаружил, что Френель был прав! Итак, XIX век – век триумфа волновой оптики.

Что же такое свет? Свет – это электромагнитная поперечная волна.

Заканчивая изучение большого раздела физики, связанного с природой света и электромагнитных волн, предлагаю самостоятельно выполнить тестовое задание «Электромагнитные волны» (см. Приложение 1). Проверку выполнения осуществляем фронтально.

III. Учитель. А вот что писали лондонские газеты в канун 1900 г.: «Когда на улицах Лондона зажигали праздничную иллюминацию из ярких лампочек вместо тусклых масляных плошек, к старинному зданию на Флит-стрит один за другим подкатывали кебы. По широкой, ярко освещённой лестнице в зал поднимались почтенные джентльмены, облачённые в мантии. То съезжались члены Лондонского королевского общества на своё очередное заседание. Рослый, седовласый, с окладистой бородой, сэр Уильям Томсон (знаете ли вы о его заслугах в области физики? – Е.У. ), восемь лет назад пожалованный из рук королевы Виктории титулом пэра и лорда Кельвина (а это имя вам знакомо? – Е.У. ), а ныне состоящий президентом общества, начал свою новогоднюю речь. Великий физик XIX века отметил успехи, достигнутые за прошедший век, перечислил заслуги присутствующих...

Собравшиеся одобрительно кивали головами. Что скромничать, они неплохо потрудились. И прав был сэр Уильям, говоря о том, что грандиозное здание физики построено, что остались лишь мелкие отделочные штрихи.

Правда (лорд Кельвин на минуту прервал свою речь), на безоблачном небосклоне физики существуют два небольших облачка, две проблемы, не нашедшие пока объяснения с позиций классической физики... Но эти явления временные и скоропреходящие. Покойно устроившись в старинных креслах с высокими спинками, джентльмены улыбались. Все знали, о чём идёт речь:

1) классическая физика не могла объяснить опыты Майкельсона, которые не определили влияния движения Земли на скорость света. Во всех системах отсчёта (и движущихся, и покоящихся относительно Земли) скорость света одна и та же – 300 000 км/с;

2) классическая физика не могла объяснить график излучения абсолютно чёрного тела, полученный экспериментально».

Сэр Уильям не мог даже предположить, какие молнии скоро ударят из этих облачков! Забегая вперёд скажу: решение первой проблемы приведёт к пересмотру классических представлений о пространстве и времени, к созданию теории относительности решение второй проблемы – к созданию новой теории – квантовой . Вот о решении второй проблемы и пойдёт речь сегодня на уроке!

IV. (Учащиеся делают в тетрадях записи: Дата № урока Тема урока «Зарождение квантовой физики». ) На рубеже XIX и XX вв. в физике возникла проблема, которую необходимо было срочно решать: теоретическое объяснение графика излучения абсолютно чёрного тела. Что такое абсолютно чёрное тело? (Гипотезы учащихся. Демонстрация видеофрагмента «Тепловое излучение» .)

Учитель. Запишите: «Абсолютно чёрное тело – это тело, способное поглощать без отражения весь падающий поток излучения, все электромагнитные волны любой длины волны (любой частоты)».

Но абсолютно чёрные тела имеют и ещё одну особенность. Вспомните, почему в приэкваториальных территориях живут люди с чёрным цветом кожи? «Чёрные тела, если их нагреть, будут светиться ярче, чем любое другое тело, т. е. излучают энергию во всех диапазонах частот», – запишите это в свои тетради.

Учёные экспериментально определили спектр излучения абсолютно чёрного тела. (Чертит график. ) R ν – спектральная плотность энергетической светимости – энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в единичном интервале частот ν. Теория электромагнитного поля Максвелла предсказала существование электромагнитных волн, но теоретическая кривая излучения абсолютно чёрного тела, построенная на основании этой теории, имела расхождение с экспериментальной кривой в области высоких частот. Лучшие умы того времени трудились над проблемой: англичане лорд Рэлей и Дж. Джинс, немцы П. Кирхгоф и В. Вин, московский профессор В.А. Михельсон. Ничего не получалось!

Предложите выход из создавшейся ситуации. Теоретическая кривая имеет расхождение с экспериментальной. Как быть и что делать? (Учащиеся высказывают гипотезы: более тщательно провести опыты, – провели, результат тот же; изменить теорию, – но это же катастрофа, рушится весь фундамент классической физики, которую создавали в течение тысячелетий! ) Создавшуюся ситуацию в физике назвали ультрафиолетовой катастрофой.

Запишите: «Методы классической физики оказались недостаточными для объяснения излучения абсолютно чёрного тела в области высоких частот – это была „ультрафиолетовая катастрофа”».

Кто догадается, почему этот кризис был назван ультрафиолетовой катастрофой, а не инфракрасной или фиолетовой? В физике разразился кризис! Греческим словом κρίση [кризис ] обозначают тяжёлый переход от одного устойчивого состояния к другому. Проблему надо было решать, и решать срочно!

V. Учитель. И вот 19 октября 1900 г. на заседании физического общества немецкий учёный М. Планк предложил использовать для расчётов излучения абсолютно чёрного тела формулу E = h ν. Друг и коллега Планка Генрих Рубенс всю ночь просидел за письменным столом, сравнивая свои измерения с результатами, которые давала формула Планка, и был поражён: формула его друга описывала спектр излучения абсолютно чёрного тела до мельчайших подробностей! Итак, формула Планка устраняла «ультрафиолетовую катастрофу», но какой ценой! Планк предложил вопреки устоявшимся взглядам считать, что испускание лучистой энергии атомами вещества происходит дискретно, т. е. порциями, квантами. «Квант» (quant ) в переводе с латинского означает просто количество .

Что значит «дискретно»? Проведём мысленный эксперимент. Представьте себе, что у вас в руках банка, полная воды. Можно ли отлить половину? А отпить глоток? А ещё меньше? В принципе возможно уменьшить или увеличить массу воды на сколь угодно малую величину. А теперь представим, что у нас в руках коробка с детскими кубиками по 100 г каждый. Можно ли убавить, например, 370 г? Нет! Кубики ломать нельзя! Поэтому масса коробки может меняться дискретно, только порциями, кратными 100 г! Самое малое количество, на которое можно изменить массу коробки, можно назвать порцией, или квантом массы.

Таким образом, непрерывный поток энергии от нагретого чёрного тела превращался в «пулемётную очередь» из отдельных порций – квантов энергии. Казалось бы, ничего особенного. Но на самом деле это означало ломку всего превосходно построенного здания классической физики, поскольку вместо основных фундаментальных законов, построенных на принципе непрерывности, Планк предлагал принцип дискретности. Идея дискретности не нравилась и самому Планку. Он стремился сформулировать теорию так, чтобы она полностью вписывалась в рамки классической физики .

Но нашёлся человек, который, напротив, ещё решительнее вышел за рамки классических представлений. Этим человеком был А. Эйнштейн. Чтобы вы поняли революционность взглядов Эйнштейна, я только скажу, что, используя идею Планка, он заложил основы теории лазеров (квантовых генераторов) и принцип использования энергии атома.

Академик С.И. Вавилов очень долго не мог привыкнуть к представлению о свете как субстанции из квантов, но стал горячим поклонником этой гипотезы и даже придумал способ наблюдать кванты. Он подсчитал, что глаз способен различить освещённость, которую создают 52 кванта зелёного света .

Итак, свет, по Планку, – это... (высказывания учащихся ).

VI. Учитель. Не напоминает ли вам гипотеза Планка уже известную гипотезу о природе света? Сэр Исаак Ньютон предложил считать свет состоящим из мельчайших частиц – корпускул. Любое светящееся тело испускает их во всех направлениях. Они летят по прямым линиям и, если попадают к нам в глаза, то мы видим их источник. Каждому цвету соответствуют свои корпускулы и различаются они, скорее всего, тем, что имеют разные массы. Совместный поток корпускул и создаёт белый свет.

Во времена сэра Исаака Ньютона физику называли натуральной философией. Почему? Прочитайте (см. Приложение 2) один из основных законов диалектики – закон отрицания отрицания . Попробуйте его применить к вопросу о природе света. (Рассуждения учащихся. )

Итак, согласно гипотезе М. Планка, свет – поток частиц, корпускул, квантов, каждый из которых обладает энергией E = h ν. Пожалуйста, проанализируйте эту формулу: что такое ν? что такое h (кто-нибудь из учащихся обязательно выскажет предположение о том, что это какая-то постоянная, названная в честь Планка )? какова единица постоянной Планка? каково значение постоянной (работа с таблицей физических постоянных )? какое наименование имеет постоянная Планка? в чём физический смысл постоянной Планка ?

Чтобы оценить красоту формулы Планка, обратимся к проблемам... биологии. Предлагаю учащимся ответить на вопросы из области биологии (Приложение 3).

Механизм зрения. Посредством зрения мы получаем около 90% информации о мире. Поэтому вопрос о механизме зрения интересовал человека всегда. Почему глаз человека, да и большинства обитателей Земли, воспринимает только небольшой диапазон волн из существующего в природе спектра электромагнитных излучений? А если бы человек обладал инфракрасным зрением, например, как ямкоголовые змеи?

Ночью мы видели бы, как днём, все органические тела, потому что их температура отличается от температуры неживых тел. Но самым мощным источником таких лучей для нас было бы наше собственное тело. При восприимчивости глаза к инфракрасному излучению свет Солнца для нас просто бы померк на фоне собственного излучения. Мы ничего не увидели бы, наши глаза были бы бесполезны.

Почему наши глаза не реагируют на инфракрасный свет? Рассчитаем энергию квантов инфракрасного и видимого света по формуле:

Энергия ИК-квантов меньше энергии квантов видимого света. Несколько квантов не могут «собраться», чтобы вызвать действие, которое не под силу одному кванту, – в микромире идёт взаимодействие кванта и частицы «один на один». Только квант видимого света, имеющий энергию бóльшую, чем квант инфракрасного света, может вызвать реакцию молекулы родопсина, т. е. палочки сетчатки. Действие кванта видимого света на сетчатку можно сравнить с ударом теннисного мяча, который сдвинул с места... многоэтажный дом. (Так высока чувствительность сетчатки!)

Почему глаз не реагирует на ультрафиолетовое излучение? УФ-излучение также невидимо для глаза, хотя энергия УФ-квантов значительно больше, чем квантов видимого света. Сетчатка чувствительна к УФ-лучам, но они поглощаются хрусталиком, иначе оказывали бы разрушающее действие.

В процессе эволюции глаза живых организмов приспособились воспринимать энергию излучения самого мощного источника на Земле – Солнца, – причём именно те волны, на которые приходится максимум энергии солнечного излучения, падающего на Землю .

Фотосинтез. В зелёных растениях ни на одну секунду не прекращается процесс, благодаря которому всё живое получает кислород для дыхания и пищу. Это – фотосинтез. Лист имеет зелёную окраску благодаря присутствию в его клетках хлорофилла. Реакции фотосинтеза происходят под действием излучений красно-фиолетового участка спектра, а волны с частотой, соответствующей зелёному участку спектра, отражаются, поэтому листья имеют зелёную окраску.

Молекулы хлорофилла «ответственны» за уникальный процесс превращения энергии света в энергию органических веществ. Он начинается с поглощения кванта света молекулой хлорофилла. Поглощение кванта света приводит к химическим реакциям фотосинтеза, которые включают много звеньев .

Весь световой день молекулы хлорофилла «занимаются» тем, что, получив квант, используют его энергию, превращая её в потенциальную энергию электрона. Их действие можно сравнить с действием механизма, поднимающего мячик на ступеньку лестницы. Скатываясь по ступенькам, мячик теряет свою энергию, но она не исчезает, а превращается во внутреннюю энергию образующихся при фотосинтезе веществ.

Молекулы хлорофилла «трудятся» только на протяжении светового дня, когда на них попадает видимый свет. Ночью они «отдыхают», несмотря на то, что недостатка в электромагнитных излучениях нет: земля и растения излучают инфракрасный свет, но энергия квантов этого диапазона меньше той, которая необходима для фотосинтеза. В процессе эволюции растения приспособились аккумулировать энергию самого мощного источника энергии на Земле – Солнца.

Наследственность. (Учащиеся отвечают на вопросы 1–3 из Приложения 3 , карточка «Наследственность» ). Наследственные признаки организмов закодированы в молекулах ДНК и передаются из поколения в поколение матричным путём. Как вызвать мутацию? Под воздействием каких излучений происходит процесс мутации?

Чтобы вызвать единичную мутацию, необходимо молекуле ДНК сообщить энергию, достаточную для изменения структуры какого-то участка ДНК-гена. Известно, что γ-кванты и рентгеновские лучи, как выражаются биологи, сильно мутагенны – их кванты несут энергию, достаточную для изменения структуры участка ДНК. ИК-излучению, да и видимому, такое действие «не под силу», их частота, а значит, и энергия слишком малы. Вот если бы энергия электромагнитного поля поглощалась не порциями, а непрерывно, тогда бы эти излучения смогли воздействовать на ДНК, ведь по отношению к своим половым клеткам сам организм является самым близким и самым мощным, постоянно действующим источником излучения.

К началу 30-х гг. ХХ в. у физиков благодаря успехам квантовой механики появилось ощущение такого могущества, что они обратились к самой жизни. В генетике оказалось много созвучного. Биологи обнаружили дискретную неделимую частицу – ген, – которая может переходить из одного состояния в другое. Изменения в конфигурации генов связаны с изменениями хромосом, что и обусловливает мутации, и это оказалось возможным объяснить на основе квантовых представлений. Одним из основоположников молекулярной биологии, получившим Нобелевскую премию за исследования в области мутационного процесса у бактерий и бактериофагов, был немецкий физик-теоретик М. Дельбрюк. В 1944 г. вышла небольшая по объёму книга физика Э. Шрёдингера «Что такое жизнь?» В ней давалось ясное и сжатое изложение основ генетики, раскрывалась связь генетики и квантовой механики. Книга дала толчок к штурму гена физиками. Благодаря работам американских физиков Дж. Уотсона, Ф. Крика, М. Уилкинса биологи узнали, как «устроена» самая основная «живая» молекула – ДНК. Увидеть её позволил рентгеноструктурный анализ .

VII. Учитель. Я возвращаюсь к вопросу: что такое свет? (Ответы учащихся. ) Выходит, физика вернулась к ньютоновской частичке света – корпускуле, – отвергнув представление о свете как о волне? Нет! Зачеркнуть всё наследие волновой теории света невозможно! Ведь уже давно известны дифракция, интерференция и множество других явлений, которые экспериментально подтверждают, что свет – это волна. Как быть? (Гипотезы учащихся. )

Остаётся одно: как-то объединить волны с частицами. Признать, что есть один круг явлений, где свет проявляет волновые свойства, а есть и другой круг, в котором на первое место выходит корпускулярная сущность света. Другими словами – запишите! – свет обладает квантово-волновым дуализмом ! Такова двойственная природа света. Очень трудно было физикам соединить два несоединимых дотоле представления в одно. Частица – это что-то твёрдое, неизменное, имеющее определённые размеры, ограниченное в пространстве. Волна – это нечто текучее, зыбкое, не имеющее чётких границ. Более или менее наглядно эти представления удалось соединить с помощью понятия волнового пакета. Это нечто вроде «обрезанной» с обоих концов волны, вернее, сгустка волн, путешествующего в пространстве как единое целое. Сгусток может сжиматься или растягиваться в зависимости от того, в какую среду он попадает. Он напоминает летящую пружину.

Какая характеристика волнового пакета изменяется, когда свет переходит из одной среды в другую? (Ответы учащихся. )

В 1927 г. американский физик Льюис предложил назвать этот волновой пакет фотоном (от греческого φωτóς [фос, фотос] – ) . Что такое фотон? (Учащиеся работают с учебником, делают выводы. )

Выводы. Фотон – это: квант электромагнитного излучения безмассовая частица, покоящегося фотона не существует частица, движущаяся в вакууме со скоростью света c = 3 · 10 8 м/с это единое целое и неделимое, существование дробной части фотона невозможно частица, обладающая энергией E = h ν, где h = 6,63 · 10 -34 Дж · с; ν – частота света частица, обладающая импульсом электрически нейтральная частица.

Так устроен мир, что свет чаще всего являет нам волновую природу, пока мы не рассматриваем его взаимодействие с веществом. А вещество предстаёт перед нами в корпускулярном виде, пока мы не начинаем рассматривать природу межатомных связей, процессы переноса, электрическое сопротивления и т. п. Но независимо от нашей позиции в каждый момент микрочастица обладает и тем и другим свойством.

Процесс создания квантовой теории и, в частности, квантовой теории света глубоко диалектичен. Представления и образы старой, классической механики и оптики, обогатившиеся новыми идеями, творчески применённые к физической реальности, породили в конечном итоге принципиально новую физическую теорию.

Задание : прочитайте философский закон единства и борьбы противоположностей и сделайте вывод в отношении двух теорий света: волновой и квантовой теорий света.

VIII. Учитель. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (бывший военный радиотелеграфист) высказал совершенно парадоксальные, даже для тогдашних смелых физиков, мысли о природе движения атомных частиц. Де Бройль предположил, что свойства электронов и других частиц в принципе ничем не отличаются от свойств квантов! Из этого следовало, что электроны и другие частицы должны проявлять также и волновые свойства, что должна наблюдаться, например, дифракция электронов. И она действительно была обнаружена на опытах, которые в 1927 г., независимо друг от друга провели американские физики К.-Дж. Дэвиссон и Л. Джермер, советский физик П.С. Тартаковский и английский физик Дж.-П. Томсон. Длина волны де Бройля вычисляется по формуле:

Порешаем задачи на расчёт длины волны де Бройля (Приложение 4).

Как показывает расчёт, валентный электрон, движущийся внутри атома со скоростью 0,01с , дифрагирует на ионной кристаллической решётке как волна с длиной волны ~10 -10 м, а длина волны пули, летящей со скоростью около 500 м/с, составляет около 10 -34 м. Такую малую длину волны никак не зарегистрировать, а потому пуля и ведёт себя как настоящая частица.

Борьба идей дискретности и непрерывности материи, которая велась с самого зарождения науки, завершилась слиянием обеих идей в представлении о дуальных свойствах элементарных частиц. Использование волновых свойств электронов позволило существенно повысить разрешающую способность микроскопов. Длина волны электрона зависит от скорости, а значит, от напряжения, разгоняющего электроны (см. задачу 5 в Приложении 4). В большинстве электронных микроскопов дебройлевская длина волны в сотни раз меньше длины волны света. Появилась возможность видеть ещё более мелкие предметы, вплоть до единичных молекул.

Родилась волновая механика, основа огромного здания квантовой физики. Де Бройль заложил основы теории интерференции и дифракции света, дал новый вывод формулы Планка и установил глубокое соответствие между движением частиц и связанных с ними волн.

Изучая какую-либо теорию, мы обязательно отмечали границы применимости этой теории. Границы применимости квантовой теории пока не установлены, однако применять её законы следует для описания движения микрочастиц в малых областях пространства и при больших частотах электромагнитных волн, когда измерительные приборы позволяют зарегистрировать отдельные кванты (энергия ~10 -16 Дж). Так, для описания взаимодействия вещества и рентгеновского излучения, энергия квантов которого на два порядка больше установленного выше предела, необходимо применять законы квантовой физики, а для описания свойств радиоволн вполне достаточно законов классической электродинамики. Следует помнить, что главным «полигоном» для квантовой теории является физика атома и атомного ядра.

Заканчивая сегодняшний урок, я ещё раз задаю вам вопрос: что такое свет? (Ответы учащихся. )

Литература

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват учрежд.: базовый и проф. уровни. М.: Просвещение, 2009.
2. Видеоэнциклопедия для народного образования. Леннаучфильм. Видеостудия «Кварт». [Электронный ресурс] Кассета № 2 «Тепловое излучение».
3. Томилин А.Н. В поисках первоначал: науч.-поп. издание. Л.: Дет. литература, 1990.
4. Квантовая механика. Квантовая электродинамика // Энцикл. сл. юного физика / Сост. В.А. Чуянов. М.: Педагогика, 1984.
5. Колтун М. Мир физики. М.: Дет. литература, 1984.
6. Солопов Е.Ф. Философия: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: владос, 2003.
7. Ильченко В.Р. Перекрёстки физики, химии, биологии: кн. для учащихся. М.: Просвещение, 1986.
8. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики: кн. для учителя. М.: Просвещение, 1988.

Елена Степановна Увицкая – учитель физики высшей квалификационной категории, окончила Тульский ГПИ им. Л.Н. Толстого в 1977 г. и по распределению уехала на Урал, в небольшой промышленный городок Лысьва, где и работает до сих пор. Почётный работник общего образования РФ, победитель всероссийского конкурса учителей физики и математики (фонд «Династия»). Выпускники уже много лет успешно сдают ЕГЭ и поступают в вузы Москвы, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Перми. Однажды, прочитав об Изумрудной Скрижали, поразилась сегодняшней востребованности идеи легендарного Гермеса: каждая вещь, предмет, процесс в нашей Вселенной несут в себе черты друг друга и единого целого. С тех пор уделяет огромное внимание межпредметным связям и аналогиям: физика и биология, физика и математика, физика и литература, а теперь – физика и английский язык. Занимается научной работой с учащимися, особенно в начальной школе: где живёт электричество? почему обычная вода такая необычная? каков он, загадочный мир звёзд? В семье двое сыновей, оба закончили пермский ГТУ. Младший – инженер, старший – преподаватель каратэ-до, имеет чёрный пояс, второй дан, неоднократный чемпион России, участник чемпионата мира в Японии. Успехи педагога были бы невозможны без помощи мужа, инженера-электрика по образованию: разработка и постановка экспериментов, создание новых приборов, да и просто поддержка и советы, которые помогают в различных жизненных ситуациях.

Все приложения даны в . – Ред.

Роль теории Максвелла лучше всего выразил известный физик Роберт Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на неё, скажем, через 10 000 лет) самым значительным событием XIX столетия несомненно будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть мелким провинциальным происшествием».

Планк долго колебался, на чём остановить свой жизненный выбор – на гуманитарных науках или на физике. Все работы Планка отличаются изяществом и красотой. А. Эйнштейн писал о них: «При изучении его трудов создаётся впечатление, что требование художественности является одной из главных пружин его творчества».

Цели урока:

Образовательные: сформировать у учащихся представление о фотоэффекте и изучить его законы, которым он подчиняется; проверить законы фотоэффекта с помощью виртуального эксперимента.

Развивающие: развивать логическое мышление.

Воспитательные: воспитание коммуникабельности (умения общаться), внимания, активности, чувство ответственности, привитие интереса к предмету.

Ход урока

I. Организационный момент.

– Тема сегодняшнего урока “Фотоэффект”.

При рассмотрении этой интересной темы мы продолжаем изучать раздел “Квантовая физика”, постараемся выяснить какое действие оказывает свет на вещество и от чего зависит это действие. Но сначала мы повторим материал, пройденный на прошлом уроке, без которого сложно разобраться в тонкостях фотоэффекта. На прошлом уроке мы рассмотрели гипотезу Планка.

Как называется минимальное количество энергии, которое может излучать и поглощать система? (квант)

Кто впервые вводит в науку понятие «квант энергии»? (М.Планк)

Объяснение, какой экспериментальной зависимости способствовало зарождению квантовой физики? (закон излучения разогретых твёрдых тел)

Какого цвета мы видим абсолютно чёрное тело? (любого цвета в зависимости от температуры)

III. Изучение нового материала

В начале 20в зародилась квантовая теория – теория движения и взаимодействия элементарных частиц и состоящих из них систем.

Для объяснения закономерностей теплового излучения М.Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждой такой порции определяется формулой E = h , где
- постоянная Планка; v -частота световой волны.

Еще одним подтверждением правильности квантовой теории было объяснение Альбертом Эйнштейном в 1905г. явление фотоэффекта.

Фотоэффект – явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света.

Виды ФОТОЭФФЕКТА:

1. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах, а также в газах.

2. Внутренний фотоэффект – это вызывание электромагнитным излучением переходы электронов внутри проводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

3. Вентильный фотоэффект – возникновение фото - э.д.с. при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон ), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Исследование фотоэффекта.

Первые опыты по фотоэффекту были начаты Столетовым уже в феврале 1888 года.

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U , полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны?. При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения.

Законы фотоэффекта

Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.

максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Для каждого вещества существует минимальная частота сета, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.

Согласно гипотезе М. Планка, электромагнитная волна состоит из отдельных фотонов и излучение происходит прерывно – квантами, фотонами. Таким образом, и поглощение света должно происходить также прерывно – фотоны передают свою энергию атомам и молекулам вещества целиком.

– уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

mv 2 /2 = eU 0 – максимальное значение кинетической энергии фотоэлектрона;

– минимальная частота света, при которой возможен фотоэффект;

V max = hc/ Aвых – максимальная частота света, при которой возможен фотоэффект

- красная граница фотоэффекта

- импульс фотона

Беседа с уточнением терминов и понятий.

Явление испускания электронов веществом под действием света, называется…

Число электронов, вырываемых светом с поверхности вещества за 1с, прямо пропорционально…

Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с … и не зависит от …

Для каждого вещества существует наименьшая частота света, при которой еще возможен фотоэффект. Эта частота называется…

Работа, которую нужно совершить для вырывания электронов с поверхности вещества, называется…

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (формулировка)…

IV. Закрепление и обобщение знаний.

Задача 1. Какова наименьшая частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла 3,3*10 -19 Дж?

Задача 2. Определите энергию, массу и импульс фотона, соответствующую наиболее длинным и наиболее коротким волнам видимой части спектра?

Решение:

Задача 3 . Найдите порог фотоэффекта для калия, если работа выхода А =1,32 ЭВ?

Решение:

В уравнение Эйнштейна

Используя выписанные вами формулы, следующие задачи решите самостоятельно.

Работа выхода для материала пластины равна 4эВ. Пластина освещается монохроматическим светом. Какова энергия фотонов падающего света, если максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 2,5эВ?

На пластину из никеля попадает электромагнитное излучение, энергия фотонов которого 8эВ. При этом в результате фотоэффекта из пластины вылетают электроны с максимальной энергией 3эВ. Какова работа выхода электронов из никеля?

Поток фотонов с энергией 12эВ выбивает из металла фотоэлектроны, максимальная кинетическая энергия которых в 2 раза меньше работы выхода. Определите работу выхода для данного металла.

Работа выхода электрона из металла . Найдите максимальную длину волны излучения, которым могут выбиваться электроны.

Определите работу выхода электронов из металла, если красная граница фотоэффекта равна 0,255 мкм.

Для некоторого металла красной границей фотоэффекта является свет с частотой . Определите кинетическую энергии, которую приобретут электроны под действием излучения с длиной волны

Подготовить презентацию на тему «Применение фотоэффекта»