"Ang sinumang hindi nabigla noong una silang nakatagpo ng quantum theory ay malamang na hindi naiintindihan." Niels Bohr

Ang mga lugar ng quantum theory ay napakaganda na mas mukhang science fiction.

Ang isang particle ng microworld ay maaaring nasa dalawa o higit pang mga lugar sa parehong oras!

(Ipinakita ng isang pinakahuling eksperimento na ang isa sa mga particle na ito ay maaaring nasa 3000 lugar sa parehong oras!)

Ang parehong "obyekto" ay maaaring parehong isang naisalokal na particle at isang alon ng enerhiya na nagpapalaganap sa kalawakan.

Si Einstein ay nag-postulate na walang maaaring maglakbay nang mas mabilis kaysa sa bilis ng liwanag. Ngunit napatunayan ng quantum physics: ang mga subatomic na particle ay maaaring makipagpalitan agad ng impormasyon - matatagpuan sa anumang distansya mula sa isa't isa.

Ang klasikal na pisika ay deterministiko: dahil sa mga paunang kundisyon, gaya ng lokasyon at bilis ng isang bagay, maaari nating kalkulahin kung saan ito pupunta. Ang quantum physics ay probabilistic: hindi natin masasabi nang may ganap na katiyakan kung paano kikilos ang bagay na pinag-aaralan.

Ang klasikal na pisika ay mekanikal. Ito ay batay sa premise na sa pamamagitan lamang ng pag-alam sa mga indibidwal na bahagi ng isang bagay maaari nating maunawaan kung ano ito.

Ang quantum physics ay holistic: ito ay nagpinta ng isang larawan ng Uniberso bilang isang solong kabuuan, ang mga bahagi nito ay magkakaugnay at nakakaimpluwensya sa isa't isa.

At marahil ang pinakamahalaga, sinira ng quantum physics ang ideya ng isang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng paksa o bagay, tagamasid at naobserbahan - na nangingibabaw sa mga siyentipikong kaisipan sa loob ng 400 taon!

Sa quart physics, naiimpluwensyahan ng observer ang naobserbahang bagay. Walang mga nakahiwalay na tagamasid ng mekanikal na Uniberso - lahat ay nakikibahagi sa pagkakaroon nito.

SHOCK #1 - EMPTY SPACE

Isa sa mga unang bitak sa solidong istruktura ng Newtonian physics ay ginawa ng sumusunod na pagtuklas: ang mga atomo ay ang mga solidong bloke ng gusali ng pisikal na Uniberso! - pangunahing binubuo ng walang laman na espasyo. Paano walang laman? Kung palakihin mo ang nucleus ng hydrogen atom sa laki ng basketball, ang tanging electron na umiikot dito ay tatlumpung kilometro ang layo, na walang nasa pagitan ng nucleus at ng electron. Kaya, habang tumitingin ka sa paligid, tandaan: ang katotohanan ay ang pinakamaliit na punto ng bagay na napapalibutan ng kawalan ng laman.

Gayunpaman, hindi ito ganap na totoo. Ang dapat na "kawalan ng laman" na ito ay hindi talaga walang laman: naglalaman ito ng napakalaking dami ng hindi kapani-paniwalang malakas na enerhiya. Alam namin na ang enerhiya ay nagiging mas siksik habang ito ay gumagalaw sa isang mas mababang antas ng bagay (halimbawa, ang nuclear energy ay isang milyong beses na mas malakas kaysa sa kemikal na enerhiya). Sinasabi ngayon ng mga siyentipiko na mayroong mas maraming enerhiya sa isang kubiko sentimetro ng walang laman na espasyo kaysa sa lahat ng bagay sa kilalang uniberso. Bagaman hindi pa ito nasusukat ng mga siyentipiko, nakikita nila ang mga resulta ng dagat na ito ng enerhiya.

SHOCK #2 - PARTICLE, WAVE O WAVEPARTICLE?

Hindi lamang ang atom ay halos ganap na binubuo ng "espasyo," ngunit nang ang mga siyentipiko ay ginalugad ito nang mas malalim, natuklasan nila na ang mga subatomic (na bumubuo sa atom) na mga particle ay hindi rin solid. At parang may dual nature sila. Depende sa kung paano natin sila pagmamasid, maaari silang kumilos tulad ng mga solidong microbodies o parang mga alon.

Ang mga particle ay mga indibidwal na solidong bagay na sumasakop sa isang tiyak na posisyon sa kalawakan. Ngunit ang mga alon ay walang "katawan"; hindi sila naisalokal at nagpapalaganap sa kalawakan.

Bilang isang alon, ang isang electron o photon (particle ng liwanag) ay walang eksaktong lokasyon, ngunit umiiral bilang isang "field of probabilities." Sa estado ng particle, ang patlang ng posibilidad ay "bumagsak" (bumabagsak) sa isang solidong bagay. Ang mga coordinate nito sa four-dimensional space-time ay maaari nang matukoy.

Ito ay nakakagulat, ngunit ang estado ng isang maliit na butil (alon o solidong bagay) ay tinutukoy ng mga gawa ng pagmamasid at pagsukat. Ang mga hindi nasusukat at hindi napapansing mga electron ay kumikilos tulad ng mga alon. Sa sandaling isasailalim namin sila sa pagmamasid sa panahon ng eksperimento, sila ay "bumagsak" sa mga solidong particle at maaaring maitala sa kalawakan.

Ngunit paano maaaring maging isang solidong butil at isang tuluy-tuloy na alon ang isang bagay sa parehong oras? Marahil ay malulutas ang kabalintunaan kung maaalala natin ang sinabi natin kamakailan: ang mga particle ay kumikilos tulad ng mga alon o tulad ng mga solidong bagay. Ngunit ang mga konsepto ng "wave" at "particle" ay mga pagkakatulad lamang na kinuha mula sa ating pang-araw-araw na mundo. Ang konsepto ng wave ay ipinakilala sa quantum theory ni Erwin Schrödinger. Siya ang may-akda ng sikat na "wave equation," na mathematically substantiates ang pagkakaroon ng wave properties sa isang solid particle bago ang pagkilos ng pagmamasid. Ang ilang mga physicist - sa pagtatangkang ipaliwanag ang isang bagay na hindi pa nila nakatagpo at hindi lubos na nauunawaan - tinatawag ang mga subatomic na particle na "mga partikulo ng alon."

SHOCK #3 - QUANTUM LEAPS AT PROBABILITY

Habang pinag-aaralan ang atom, natuklasan ng mga siyentipiko na kapag ang mga electron, na umiikot sa paligid ng nucleus, ay lumipat mula sa orbit patungo sa orbit, hindi sila gumagalaw sa kalawakan tulad ng mga ordinaryong bagay. Hindi, agad nilang tinatakpan ang distansya. Ibig sabihin, nawawala sila sa isang lugar at lumilitaw sa isa pa. Ang kababalaghang ito ay tinatawag na quantum leap.

Bukod dito, napagtanto ng mga siyentipiko na hindi nila matukoy nang eksakto kung saan sa bagong orbit ang nawawalang elektron ay lilitaw o kung anong sandali ito gagawa ng isang pagtalon. Ang pinakamaraming magagawa nila ay kalkulahin ang posibilidad (batay sa Schrödinger wave equation) ng bagong lokasyon ng electron.

"Ang katotohanan, habang nararanasan natin ito, ay nilikha sa bawat sandali sa kabuuan ng hindi mabilang na mga posibilidad," sabi ni Dr. Satinover. "Ngunit ang tunay na sikreto ay walang anuman sa pisikal na Uniberso na tumutukoy kung aling posibilidad mula sa kabuuan na ito ang magkakatotoo. Walang proseso na nagtatatag niyan.”

Kaya, ang mga quantum leaps ay ang tanging tunay na random na mga kaganapan sa Uniberso.

SHOCK #4 - ANG PRINSIPYO NG WALANG KAtiyakan

Sa klasikal na pisika, ang lahat ng mga parameter ng isang bagay, kabilang ang mga spatial na coordinate at bilis nito, ay masusukat nang may katumpakan na limitado lamang ng mga kakayahan ng mga eksperimentong teknolohiya. Ngunit sa antas ng quantum, sa tuwing matukoy mo ang isang quantitative na katangian ng isang bagay, tulad ng bilis, hindi ka makakakuha ng mga tiyak na halaga para sa iba pang mga parameter nito, tulad ng mga coordinate. Sa madaling salita: kung alam mo kung gaano kabilis ang paggalaw ng isang bagay, hindi mo malalaman kung nasaan ito. At kabaliktaran: kung alam mo kung nasaan ito, hindi mo malalaman kung gaano ito kabilis gumagalaw.

Gaano man kahusay ang mga eksperimento, gaano man sila ka advanced na mga teknolohiya sa pagsukat na ginagamit nila, hindi nila magawang tumingin sa likod ng belo na ito.

Si Werner Heisenberg, isa sa mga pioneer ng quantum physics, ay nagbalangkas ng prinsipyo ng kawalan ng katiyakan. Ang kakanyahan nito ay ang mga sumusunod: gaano man kahirap subukan, sabay-sabay na imposibleng makakuha ng eksaktong mga halaga ng mga coordinate at bilis ng isang quantum object. Ang mas katumpakan na nakakamit natin sa pagsukat ng isang parameter, mas nagiging hindi tiyak ang isa pa.

SHOCK #5 - NONLOCALITY, EPR PARADOX AT BELL'S THEOREM

Hindi gusto ni Albert Einstein ang quantum physics. Sa pagtatasa ng probabilistikong katangian ng mga prosesong subatomic na nakabalangkas sa quantum physics, sinabi niya: "Hindi nakikipaglaro ang Diyos sa Uniberso." Ngunit sinagot siya ni Niels Bohr: "Huwag kang magturo sa Diyos kung ano ang gagawin!"

Noong 1935, sinubukan ni Einstein at ng kanyang mga kasamahan na sina Podolsky at Rosen (EPR) na talunin ang quantum theory. Ang mga siyentipiko, batay sa mga prinsipyo ng quantum mechanics, ay nagsagawa ng isang eksperimento sa pag-iisip at dumating sa isang kabalintunaan na konklusyon. (Siya ay dapat na ipakita ang inferiority ng quantum theory). Ang esensya ng kanilang mga iniisip ay ito. Kung mayroon tayong dalawang magkasabay na lumalabas na mga particle, nangangahulugan ito na ang mga ito ay magkakaugnay o nasa isang estado ng superposisyon. Ipadala natin sila sa iba't ibang dulo ng Uniberso. Pagkatapos ay binabago namin ang estado ng isa sa mga particle. Pagkatapos, ayon sa quantum theory, ang isa pang particle ay agad na dumating sa parehong estado. Agad-agad! Sa kabilang gilid ng uniberso!

Ang ganoong ideya ay lubhang katawa-tawa kung kaya't sarkastiko itong tinukoy ni Einstein bilang "supernatural na pagkilos sa malayo." Ayon sa kanyang teorya ng relativity, walang maaaring maglakbay nang mas mabilis kaysa sa liwanag. At sa eksperimento ng EPR ay lumabas na ang bilis ng pagpapalitan ng impormasyon sa pagitan ng mga particle ay walang katapusan! Bilang karagdagan, ang mismong ideya na ang isang elektron ay maaaring "masubaybayan" ang estado ng isa pang elektron sa kabaligtaran na gilid ng Uniberso ay ganap na sumasalungat sa pangkalahatang tinatanggap na mga ideya tungkol sa katotohanan, at sa katunayan ay karaniwang kahulugan sa pangkalahatan.

Ngunit noong 1964, ang Irish theoretical physicist na si John Bell ay bumalangkas at nagpatunay ng isang theorem kung saan ito sumunod: ang "nakakatawa" na mga konklusyon mula sa EPR thought experiment ay totoo!

Ang mga particle ay malapit na konektado sa isang antas na lumalampas sa oras at espasyo. Samakatuwid, nagagawa nilang agad na makipagpalitan ng impormasyon.

Ang ideya na ang anumang bagay sa Uniberso ay lokal - i.e. umiiral sa isang lugar (punto) sa espasyo - hindi totoo. Lahat ng bagay sa mundong ito ay hindi lokal.

Gayunpaman, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay isang wastong batas ng Uniberso. Sinabi ni Schrödinger na ang relasyon sa pagitan ng mga bagay ay hindi lamang ang kawili-wiling aspeto ng quantum theory, ngunit ito ang pinakamahalaga. Noong 1975, tinawag ng theoretical physicist na si Henry Stapp ang Bell's theorem na "ang pinakamahalagang pagtuklas ng agham." Tandaan na siya ay nagsasalita tungkol sa agham, hindi lamang pisika.

(Ang artikulo ay inihanda batay sa mga materyales ng aklat ni W. Arntz, B. Chace, M. Vicente "The Rabbit Hole, o ano ang alam natin tungkol sa ating sarili at sa Uniberso?", kabanata "Quantum Physics".)

Noong 1935, nang ang quantum mechanics at ang pangkalahatang teorya ng relativity ni Einstein ay napakabata pa, ang hindi-sikat na Soviet physicist na si Matvei Bronstein, sa edad na 28, ay gumawa ng unang detalyadong pag-aaral ng pagkakasundo ng dalawang teoryang ito sa quantum theory ng grabidad. Ito ay "marahil ay isang teorya ng buong mundo," gaya ng isinulat ni Bronstein, ay maaaring pumalit sa klasikal na paglalarawan ni Einstein ng gravity, kung saan ito ay nakikita bilang mga kurba sa space-time continuum, at muling isulat ito sa quantum language, tulad ng iba pang pisika.

Naisip ni Bronstein kung paano ilarawan ang gravity sa mga tuntunin ng mga quantized na particle, na tinatawag na ngayong gravitons, ngunit kapag mahina lamang ang puwersa ng gravity—iyon ay, (sa pangkalahatang relativity) kapag ang spacetime ay bahagyang hubog na ito ay mahalagang flat. Kapag ang gravity ay malakas, "ang sitwasyon ay ganap na naiiba," ang isinulat ng siyentipiko. "Kung walang malalim na rebisyon ng mga klasikal na konsepto, tila halos imposibleng isipin ang isang quantum theory ng gravity sa lugar na ito."

Ang kanyang mga salita ay makahulang. Makalipas ang walumpu't tatlong taon, sinusubukan pa rin ng mga physicist na maunawaan kung paano nagpapakita ang spacetime curvature sa mga macroscopic na kaliskis, na nagmumula sa isang mas pundamental at malamang na quantum na larawan ng gravity; Ito marahil ang pinakamalalim na tanong sa pisika. Marahil, kung may pagkakataon, ang maliwanag na isip ni Bronstein ay magpapabilis sa proseso ng paghahanap na ito. Bilang karagdagan sa quantum gravity, gumawa din siya ng mga kontribusyon sa astrophysics at cosmology, semiconductor theory, quantum electrodynamics, at nagsulat ng ilang mga libro para sa mga bata. Noong 1938, nahulog siya sa ilalim ng mga panunupil ni Stalin at pinatay sa edad na 31.

Ang paghahanap para sa isang kumpletong teorya ng quantum gravity ay kumplikado sa pamamagitan ng katotohanan na ang quantum properties ng gravity ay hindi kailanman nagpapakita ng kanilang mga sarili sa tunay na karanasan. Hindi nakikita ng mga physicist kung paano nilalabag ang paglalarawan ni Einstein ng isang maayos na space-time continuum, o ang quantum approximation ni Bronstein sa isang bahagyang hubog na estado.

Ang problema ay ang matinding kahinaan ng gravitational force. Bagama't napakalakas ng mga quantized na particle na nagpapadala ng malalakas, mahina at electromagnetic na pwersa na mahigpit nilang binigkis ang bagay sa mga atomo at maaaring masuri nang literal sa ilalim ng magnifying glass, ang mga indibidwal na graviton ay napakahina na ang mga laboratoryo ay walang pagkakataong matukoy ang mga ito. Upang magkaroon ng mataas na posibilidad na mahuli ang isang graviton, ang particle detector ay kailangang maging napakalaki at napakalaking na ito ay bumagsak sa isang black hole. Ang kahinaang ito ay nagpapaliwanag kung bakit kailangan ang astronomical accumulations ng masa upang maimpluwensyahan ang iba pang malalaking katawan sa pamamagitan ng gravity, at kung bakit nakikita natin ang mga epekto ng gravitational sa napakalaking kaliskis.

Hindi lamang yan. Ang uniberso ay lumilitaw na napapailalim sa ilang uri ng cosmic censorship: mga rehiyon na may malakas na gravity—kung saan ang mga kurba ng spacetime ay napakatalim na ang mga equation ni Einstein ay nasira at ang quantum na kalikasan ng gravity at spacetime ay dapat na ibunyag—laging nakakubli sa likod ng mga horizon ng black hole.

"Kahit ilang taon na ang nakalilipas, mayroong isang pangkalahatang pinagkasunduan na malamang na imposibleng sukatin ang quantization ng gravitational field sa anumang paraan," sabi ni Igor Pikovsky, isang teoretikal na pisiko sa Harvard University.

Ngayon, binago iyon ng ilang kamakailang mga papeles na inilathala sa Physical Review Letters. Sinasabi ng mga papeles na ito na posibleng makarating sa quantum gravity—kahit na walang alam tungkol dito. Ang mga papeles, na isinulat ni Sugato Bose ng University College London at Chiara Marletto at Vlatko Vedral ng University of Oxford, ay nagmumungkahi ng isang teknikal na hamon ngunit magagawang eksperimento na maaaring kumpirmahin na ang gravity ay isang quantum force tulad ng lahat ng iba, nang hindi nangangailangan ng pagtuklas ng isang graviton. . Si Miles Blencowe, isang quantum physicist sa Dartmouth College na hindi kasali sa gawaing ito, ay nagsabi na ang gayong eksperimento ay maaaring magbunyag ng isang malinaw na pirma ng hindi nakikitang quantum gravity - "ang ngiti ng Cheshire Cat."

Tutukuyin ng iminungkahing eksperimento kung ang dalawang bagay—nagplano ang grupo ni Bose na gumamit ng isang pares ng microdiamonds—ay maaaring maging quantum mechanically entangled sa isa't isa sa pamamagitan ng mutual gravitational attraction. Ang entanglement ay isang quantum phenomenon kung saan ang mga particle ay nagiging inseparably intertwined, nagbabahagi ng isang solong pisikal na paglalarawan na tumutukoy sa kanilang posibleng pinagsamang estado. (Ang coexistence ng iba't ibang posibleng estado ay tinatawag na "superposition" at tumutukoy sa isang quantum system.) Halimbawa, maaaring umiral ang isang pares ng mga gusot na particle sa isang superposisyon kung saan ang particle A ay may 50% na posibilidad ng pag-ikot mula sa ibaba hanggang sa itaas, at ang particle B ay iikot mula sa itaas hanggang sa ibaba, at may 50% na posibilidad na vice versa. Walang nakakaalam nang maaga kung anong resulta ang makukuha mo kapag sinusukat ang direksyon ng pag-ikot ng mga particle, ngunit makatitiyak ka na magiging pareho ito para sa kanila.

Nagtatalo ang mga may-akda na ang dalawang bagay sa iminungkahing eksperimento ay maaari lamang maging gusot sa ganitong paraan kung ang puwersang kumikilos sa pagitan nila - sa kasong ito ng gravity - ay isang interaksyong quantum na pinapamagitan ng mga graviton, na maaaring suportahan ang mga superposisyon ng quantum. "Kung ang eksperimento ay natupad at ang pagkagambala ay nakuha, ayon sa trabaho, maaari nating tapusin na ang gravity ay quantize," paliwanag ni Blencowe.

Lituhin ang brilyante

Ang quantum gravity ay napaka banayad na ang ilang mga siyentipiko ay nag-alinlangan sa pagkakaroon nito. Ang kilalang mathematician at physicist na si Freeman Dyson, 94, ay nagtalo mula noong 2001 na ang uniberso ay maaaring suportahan ang isang uri ng "dualistic" na paglalarawan kung saan "ang gravitational field na inilarawan ng pangkalahatang teorya ng relativity ni Einstein ay magiging isang purong klasikal na larangan na walang anumang quantum behavior." , habang ang lahat ng bagay sa makinis na space-time continuum na ito ay susukatin ng mga particle na sumusunod sa mga tuntunin ng probabilidad.

Si Dyson, na tumulong sa pagbuo ng quantum electrodynamics (ang teorya ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng bagay at liwanag) at isang propesor na emeritus sa Institute for Advanced Study sa Princeton, New Jersey, ay hindi naniniwala na ang quantum gravity ay kinakailangan upang ilarawan ang hindi maabot na interior ng mga black hole. . At naniniwala rin siya na ang pagtuklas ng hypothetical graviton ay maaaring imposible sa prinsipyo. Sa kasong iyon, sabi niya, ang quantum gravity ay magiging metapisiko, hindi pisikal.

Hindi lang siya ang nagdududa. Ang sikat na English physicist na si Sir Roger Penrose at ang Hungarian scientist na si Lajos Diosi ay nakapag-iisa na nagmungkahi na ang spacetime ay hindi maaaring suportahan ang mga superposisyon. Naniniwala sila na ang makinis, matigas, at pangunahing klasikal na kalikasan nito ay pumipigil dito mula sa pagyuko sa dalawang posibleng landas nang sabay-sabay - at ang katigasan na ito ang humahantong sa pagbagsak ng mga superposisyon ng mga quantum system tulad ng mga electron at photon. "Gravitational decoherence," sa kanilang opinyon, ay nagbibigay-daan para sa isang solong, solid, klasikal na katotohanan na mangyari na maaaring madama sa isang macroscopic scale.

Ang kakayahang mahanap ang "ngiti" ng quantum gravity ay tila pabulaanan ang argumento ni Dyson. Pinapatay din nito ang teorya ng gravitational decoherence sa pamamagitan ng pagpapakita na ang gravity at spacetime ay talagang sumusuporta sa mga superposisyon ng quantum.

Ang mga panukala ng Bose at Marletto ay lumitaw nang sabay-sabay at ganap na hindi sinasadya, bagaman ang mga eksperto ay napapansin na ang mga ito ay sumasalamin sa diwa ng panahon. Ang mga eksperimental na quantum physics laboratories sa buong mundo ay naglalagay ng mas malalaking microscopic na bagay sa mga quantum superposition at nag-o-optimize ng mga protocol para sa pagsubok sa pagkakasalubong ng dalawang quantum system. Ang iminungkahing eksperimento ay kailangang pagsamahin ang mga pamamaraang ito, habang nangangailangan ng karagdagang mga pagpapabuti sa sukat at sensitivity; siguro aabutin ng sampung taon. "Ngunit walang pisikal na patay na dulo," sabi ni Pikovsky, na nagsisiyasat din kung paano maaaring suriin ng mga eksperimento sa laboratoryo ang gravitational phenomena. "Sa tingin ko ito ay mahirap, ngunit hindi imposible."

Ang planong ito ay nakabalangkas nang mas detalyado sa gawain ng Bose et al - Labing-isang Eksperto ng Ocean para sa Iba't ibang Yugto ng Panukala. Halimbawa, sa kanyang laboratoryo sa Unibersidad ng Warwick, ang co-author na si Gavin Morley ay nagtatrabaho sa unang hakbang, sinusubukang ilagay ang isang microdiamond sa isang quantum superposition sa dalawang lugar. Para magawa ito, ikukulong niya ang isang nitrogen atom sa microdiamond, sa tabi ng isang bakante sa istraktura ng brilyante (ang tinatawag na NV center, o nitrogen-substituted vacancy sa brilyante), at sisingilin ito ng microwave pulse. Ang isang electron na umiikot sa paligid ng NV center ay sabay-sabay na sumisipsip ng liwanag at hindi, at ang system ay napupunta sa isang quantum superposition ng dalawang direksyon ng pag-ikot - pataas at pababa - tulad ng isang tuktok na umiikot sa clockwise na may tiyak na probabilidad at counterclockwise na may tiyak na posibilidad. Ang isang microdiamond na puno ng superposition spin na ito ay sumasailalim sa isang magnetic field na nagiging sanhi ng itaas na pag-ikot upang lumipat sa kaliwa at ang ilalim na pag-ikot upang lumipat sa kanan. Ang brilyante mismo ay nahahati sa isang superposisyon ng dalawang tilapon.

Sa isang buong eksperimento, gagawin ng mga siyentipiko ang lahat ng ito gamit ang dalawang diamante - pula at asul, halimbawa - inilagay sa tabi sa isang napakalamig na vacuum. Kapag ang bitag na humahawak sa kanila ay naka-off, ang dalawang microdiamond, bawat isa ay nasa superposisyon ng dalawang posisyon, ay babagsak nang patayo sa isang vacuum. Habang nahuhulog ang mga brilyante, mararamdaman nila ang gravity ng bawat isa sa kanila. Gaano kalakas ang kanilang gravitational pull?

Kung ang gravity ay isang quantum force, ang sagot ay: depende ito. Ang bawat bahagi ng superposisyon ng asul na brilyante ay makakaranas ng mas malakas o mahinang atraksyon patungo sa pulang brilyante, depende sa kung ang huli ay nasa isang sangay ng superposisyon na mas malapit o mas malayo. At ang gravity na mararamdaman ng bawat bahagi ng superposition ng pulang brilyante ay depende sa parehong paraan sa estado ng asul na brilyante.

Sa bawat kaso, kumikilos ang iba't ibang antas ng pagkahumaling sa gravitational sa mga umuusbong na bahagi ng mga superposisyon ng brilyante. Nagiging magkakaugnay ang dalawang diamante dahil matutukoy lamang ang kanilang mga estado sa kumbinasyon—kung nangangahulugan ito na—kaya kalaunan ay magkakaugnay ang mga direksyon ng pag-ikot ng dalawang sistema ng mga sentro ng NV.

Pagkatapos magkatabi ang mga microdiamond sa loob ng tatlong segundo—sapat na ang tagal upang makasali sa gravity—dadaan sila sa isa pang magnetic field, na magbabalik sa mga sanga ng bawat superposisyon. Ang huling hakbang ng eksperimento ay ang entanglement witness protocol na binuo ng Danish physicist na si Barbara Theral at iba pa: ang mga asul at pulang diamante ay pumapasok sa iba't ibang device na sumusukat sa mga direksyon ng pag-ikot ng mga NV center system. (Ang pagsukat ay nagdudulot ng pagbagsak ng mga superposisyon sa ilang partikular na estado.) Ang dalawang resulta ay pagkatapos ay inihambing. Sa pamamagitan ng paulit-ulit na pagsasagawa ng eksperimento at paghahambing ng maraming pares ng mga sukat ng pag-ikot, matutukoy ng mga siyentipiko kung ang mga pag-ikot ng dalawang quantum system ay aktwal na magkakaugnay nang mas madalas kaysa sa itaas na limitasyon para sa mga bagay na hindi mekanikal na nakakabit sa quantum. Kung gayon, ang gravity ay talagang nakakasagabal sa mga diamante at maaaring suportahan ang mga superposisyon.

"Ano ang kawili-wili sa eksperimentong ito ay hindi mo kailangang malaman kung ano ang quantum theory," sabi ni Blencowe. "Ang kailangan lang ay sabihin na mayroong ilang quantum na aspeto sa rehiyong ito na pinapamagitan ng puwersa sa pagitan ng dalawang particle."

Mayroong maraming mga teknikal na kahirapan. Ang pinakamalaking bagay na inilagay sa superposisyon sa dalawang lugar bago ay isang 800-atom na molekula. Ang bawat microdiamond ay naglalaman ng higit sa 100 bilyong carbon atoms - sapat upang makaipon ng isang kapansin-pansing puwersa ng gravitational. Ang pag-unpack ng quantum mechanical na katangian nito ay mangangailangan ng mababang temperatura, malalim na vacuum at tumpak na kontrol. "Maraming trabaho ang pagkuha at pagpapatakbo ng paunang superposisyon," sabi ni Peter Barker, bahagi ng experimental team na pinipino ang laser cooling at microdiamond trapping techniques. Kung magagawa ito sa isang brilyante, idinagdag ni Bose, "ang pangalawa ay hindi magiging problema."

Ano ang kakaiba sa gravity?

Ang mga mananaliksik ng quantum gravity ay walang alinlangan na ang gravity ay isang quantum na pakikipag-ugnayan na maaaring magdulot ng pagkagambala. Siyempre, ang gravity ay medyo natatangi, at marami pa rin ang dapat matutunan tungkol sa mga pinagmulan ng espasyo at oras, ngunit ang quantum mechanics ay dapat talagang kasangkot, sabi ng mga siyentipiko. "Talaga, ano ang punto ng isang teorya kung saan ang karamihan sa pisika ay quantum at ang gravity ay klasikal," sabi ni Daniel Harlow, isang quantum gravity researcher sa MIT. Ang mga teoretikal na argumento laban sa pinaghalong quantum-classical na mga modelo ay napakalakas (bagaman hindi kapani-paniwala).

Sa kabilang banda, ang mga teorista ay nagkamali noon. “Kung masusuri mo, bakit hindi? Kung pipigilan nito ang mga taong ito na nagtatanong sa quantum nature ng gravity, magiging mahusay iyon, "sabi ni Harlow.

Pagkatapos basahin ang mga papel, isinulat ni Dyson: "Ang iminungkahing eksperimento ay tiyak na may malaking interes at nangangailangan ng pagsasagawa sa ilalim ng mga kondisyon ng isang tunay na quantum system." Gayunpaman, sinabi niya na ang mga linya ng pag-iisip ng mga may-akda tungkol sa mga patlang ng quantum ay naiiba sa kanya. "Hindi malinaw sa akin kung malulutas ng eksperimentong ito ang tanong ng pagkakaroon ng quantum gravity. Ang tanong na itinatanong ko—kung ang isang graviton ay sinusunod—ay ibang tanong at maaaring may ibang sagot.”

Ang linya ng pag-iisip nina Bose, Marletto at kanilang mga kasamahan sa quantized gravity ay nagmula sa gawain ni Bronstein noon pang 1935. (Tinawag ni Dyson ang gawa ni Bronstein na "isang magandang piraso ng trabaho" na hindi pa niya nakita noon). Sa partikular, ipinakita ni Bronstein na ang mahinang gravity na nabuo ng maliit na masa ay maaaring tantiyahin ng batas ng grabitasyon ni Newton. (Ito ang puwersang kumikilos sa pagitan ng mga superposisyon ng microdiamonds). Ayon kay Blencowe, ang mga kalkulasyon ng mahinang quantized gravity ay hindi pa partikular na isinasagawa, bagama't tiyak na mas nauugnay ang mga ito kaysa sa pisika ng mga black hole o Big Bang. Inaasahan niya na ang bagong pang-eksperimentong panukala ay hihikayat sa mga teorista na maghanap ng mga banayad na pagpipino sa pagtatantya ni Newton, na maaaring subukan ng mga eksperimento sa tabletop sa hinaharap.

Nakita ni Leonard Susskind, isang kilalang quantum gravity at string theorist sa Stanford University, ang halaga ng iminungkahing eksperimento dahil "ito ay nagbibigay ng mga obserbasyon ng gravity sa isang bagong hanay ng mga masa at distansya." Ngunit binigyang-diin niya at ng iba pang mga mananaliksik na ang mga microdiamond ay hindi maaaring magbunyag ng anuman tungkol sa buong teorya ng quantum gravity o space-time. Gusto niya at ng kanyang mga kasamahan na maunawaan kung ano ang nangyayari sa gitna ng isang black hole at sa sandali ng Big Bang.

Marahil ang isang palatandaan kung bakit mas mahirap ang pagsukat ng gravity kaysa sa anupaman ay ang iba pang pwersa ng kalikasan ay mayroong tinatawag na "lokalidad": ang mga quantum particle sa isang rehiyon ng field (mga photon sa isang electromagnetic field, halimbawa) ay "independyente sa iba pang mga pisikal na nilalang sa ibang rehiyon ng espasyo," sabi ni Mark van Raamsdonk, isang quantum gravity theorist sa University of British Columbia. "Ngunit mayroong maraming teoretikal na katibayan na ang gravity ay hindi gumagana sa ganoong paraan."

Sa pinakamahusay na mga modelo ng sandbox ng quantum gravity (na may pinasimple na space-time geometries), imposibleng ipalagay na ang laso ng space-time na tela ay nahahati sa mga independiyenteng tatlong-dimensional na piraso, sabi ni van Raamsdonk. Sa halip, ang modernong teorya ay nagmumungkahi na ang pinagbabatayan, pangunahing mga bahagi ng espasyo ay "nakaayos sa halip sa isang dalawang-dimensional na paraan." Ang tela ng spacetime ay maaaring parang hologram o isang video game. "Bagaman ang larawan ay three-dimensional, ang impormasyon ay naka-imbak sa isang two-dimensional na computer chip." Sa kasong ito, ang tatlong-dimensional na mundo ay magiging isang ilusyon sa kahulugan na ang iba't ibang bahagi nito ay hindi gaanong independyente. Sa isang pagkakatulad ng video game, ang ilang piraso sa isang two-dimensional na chip ay maaaring mag-encode ng mga pandaigdigang function ng buong universe ng laro.

At mahalaga ang pagkakaibang ito kapag sinusubukan mong lumikha ng quantum theory of gravity. Ang karaniwang diskarte sa pag-quantize ng isang bagay ay ang pagtukoy sa mga independiyenteng bahagi nito—halimbawa, mga particle—at pagkatapos ay ilapat ang mga mekanika ng quantum sa kanila. Ngunit kung hindi mo tinukoy ang mga tamang bahagi, napupunta ka sa mga maling equation. Ang direktang quantization ng three-dimensional na espasyo na gustong gawin ni Bronstein ay gumagana sa ilang lawak na may mahinang gravity, ngunit lumalabas na walang silbi kapag ang spacetime ay mataas ang kurbada.

Ang ilang mga eksperto ay nagsasabi na ang pagsaksi sa "ngiti" ng quantum gravity ay maaaring humantong sa pagganyak para sa ganitong uri ng abstract na pangangatwiran. Pagkatapos ng lahat, kahit na ang pinakamalakas na teoretikal na argumento tungkol sa pagkakaroon ng quantum gravity ay hindi sinusuportahan ng mga eksperimentong katotohanan. Kapag ipinaliwanag ni van Raamsdonk ang kanyang pananaliksik sa isang pang-agham na colloquium, sabi niya, karaniwang nagsisimula ito sa isang kuwento tungkol sa kung paano kailangang pag-isipang muli ang gravity gamit ang quantum mechanics dahil ang klasikal na paglalarawan ng spacetime ay nasira sa mga black hole at Big Bang.

"Ngunit kung gagawin mo ang simpleng eksperimentong ito at ipakita na ang gravitational field ay nasa superposisyon, ang pagkabigo ng klasikal na paglalarawan ay nagiging halata. Dahil magkakaroon ng eksperimento na nagpapahiwatig na ang gravity ay quantum."

Batay sa mga materyales mula sa Quanta Magazine

E.S.,
, Munisipal na institusyong pang-edukasyon pangalawang paaralan No. 16 na may UIOP, Lysva, Perm na rehiyon.

Ang Kapanganakan ng Quantum Physics

Hanapin ang simula ng lahat, at marami kang mauunawaan!
Kozma Prutkov

Pang-edukasyon na layunin ng aralin: ipakilala ang konsepto ng discreteness ng matter, bumalangkas ng konsepto ng quantum-wave dualism of matter, bigyang-katwiran ang pagpapakilala ng mga formula ni Planck at de Broglie wavelength.

Layunin ng pag-unlad ng aralin: bumuo ng lohikal na pag-iisip, ang kakayahang ihambing at pag-aralan ang mga sitwasyon, at makita ang mga interdisciplinary na koneksyon.

Pang-edukasyon na layunin ng aralin: upang makabuo ng dialectical-materialistic na pag-iisip.

Ang pisika bilang isang agham ay may mga pangkalahatang halaga ng tao at napakalaking potensyal na makatao. Sa panahon ng pag-aaral nito, ang mga pangunahing pamamaraang pang-agham ay inihayag (pang-agham na eksperimento, pagmomodelo, eksperimento sa pag-iisip, paglikha at istruktura ng teoryang siyentipiko). Ang mga mag-aaral ay dapat bigyan ng pagkakataon na tingnan ang mundo sa pamamagitan ng mga mata ng isang physicist upang maunawaan ang kawalang-hanggan at patuloy na pagbabago ng mundo - isang mundo kung saan napakaraming napakalaki at hindi gaanong maliit, napakabilis at hindi pangkaraniwang mabagal. , simple at mahirap maunawaan - upang madama ang patuloy na pagnanais ng tao para sa kaalaman na naghahatid ng pinakamalalim na kasiyahan, upang makilala ang mga halimbawa ng malalim na karanasan ng "mga pagdududa sa agham" at matapang na paggalaw sa isang hindi pamilyar na landas sa paghahanap ng kagandahan, kaiklian at kalinawan .

ako. Guro. Noong nagsimula kaming mag-aral ng optika, tinanong ko ang tanong na: “Ano ang liwanag?” Paano mo ito sasagutin ngayon? Subukang bumalangkas ng iyong kaisipan sa isang pangungusap. Magsimula sa mga salitang “light is...” Mula sa F.I. May mga sumusunod na linya si Tyutchev: "Muli na may sakim na mga mata // Ininom ko ang Liwanag na nagbibigay-buhay." Pakisubukang magkomento sa mga linyang ito mula sa pananaw ng pisika. Sa tula - mula kay Homer hanggang sa kasalukuyan - ang mga sensasyong likha ng liwanag ay palaging binibigyan ng isang espesyal na lugar. Kadalasan, nakita ng mga makata ang liwanag bilang isang espesyal na makinang, nagniningning na likido.

Upang maging kumpleto ang pag-uusap ngayon tungkol sa liwanag, gusto kong basahin ang mga salita ng S.I. Vavilova: “Ang tuluy-tuloy, matagumpay na digmaan para sa katotohanan, na hindi nagtatapos sa pangwakas na tagumpay, ay, gayunpaman, ang hindi mapag-aalinlanganang katwiran nito. Sa landas tungo sa pag-unawa sa kalikasan ng liwanag, nakatanggap ang tao ng mga mikroskopyo, teleskopyo, tagahanap ng hanay, radyo, at X-ray; nakatulong ang pananaliksik na ito upang makabisado ang enerhiya ng atomic nucleus. Sa paghahanap ng katotohanan, walang limitasyong pinalalawak ng tao ang mga lugar ng kanyang karunungan sa kalikasan. Hindi ba ito ang tunay na gawain ng agham? (akin ang diin. – E.U.)»

II. Guro. Sa proseso ng pag-aaral ng pisika, nakilala namin ang maraming mga teorya, halimbawa, MCT, thermodynamics, teorya ng electromagnetic field ni Maxwell, atbp. Ngayon ay tinatapos namin ang pag-aaral ng wave optics. Dapat nating ibuod ang pag-aaral ng paksa at, marahil, maglagay ng pangwakas na punto sa tanong na: "Ano ang liwanag?" Maaari ka bang gumamit ng mga halimbawa mula sa wave optics upang ipakita ang papel ng teorya sa proseso ng pag-unawa sa kalikasan?

Tandaan natin na ang kahalagahan ng teorya ay namamalagi hindi lamang sa katotohanan na pinapayagan nito ang isang tao na ipaliwanag ang maraming mga phenomena, kundi pati na rin sa katotohanan na ginagawang posible upang mahulaan ang bago, hindi pa kilala na pisikal na phenomena, mga katangian ng mga katawan at mga pattern. Kaya, ipinaliwanag ng teorya ng alon ang mga phenomena ng interference, diffraction, polarization, refraction, dispersion ng liwanag at ginawang posible na gumawa ng "pagtuklas sa dulo ng panulat" - isang hula. Noong 1815, isang hindi kilalang retiradong inhinyero, si Augustin Fresnel, ay nagpakita ng isang papel na nagpapaliwanag ng kababalaghan ng diffraction sa Paris Academy of Sciences. Ang pagsusuri ng gawain ay ipinagkatiwala sa mga sikat na siyentipiko - physicist D. Arago at mathematician S. Poisson. Si Poisson, na binabasa ang gawaing ito nang may pagnanasa, ay natuklasan ang isang maliwanag na kahangalan sa mga konklusyon ni Fresnel: kung ang isang maliit na bilog na target ay inilagay sa isang stream ng liwanag, kung gayon ang isang liwanag na lugar ay dapat lumitaw sa gitna ng anino! Ano sa tingin mo ang sumunod na nangyari? Pagkalipas ng ilang araw, nag-eksperimento si Arago at natuklasan na tama si Fresnel! Kaya, ang ika-19 na siglo ay ang siglo ng tagumpay ng wave optics.

Ano ang liwanag? Ang ilaw ay isang electromagnetic transverse wave.

Tinatapos ang pag-aaral ng isang malaking seksyon ng pisika na may kaugnayan sa likas na katangian ng liwanag at electromagnetic waves, ipinapanukala kong independiyenteng kumpletuhin ang pagsubok na gawain na "Electromagnetic waves" (tingnan ang Appendix 1). Sinusuri namin ang pagpapatupad nang harapan.

III. Guro. At narito ang isinulat ng mga pahayagan sa London noong bisperas ng 1900: “Nang ang maligaya na pag-iilaw ng maliwanag na mga bombilya sa halip na mga dim oil bowl ay sinindihan sa mga lansangan ng London, ang mga taksi ay sunod-sunod na umaakyat sa sinaunang gusali sa Fleet Street. Ang mga kagalang-galang na mga ginoo na nakasuot ng mga damit ay umakyat sa malawak at maliwanag na hagdanan patungo sa bulwagan. Pagkatapos ay nagtipon ang mga miyembro ng Royal Society of London para sa kanilang susunod na pagpupulong. Matangkad, maputi ang buhok, may makapal na balbas, Sir William Thomson (alam mo ba ang tungkol sa kanyang mga nagawa sa larangan ng pisika? - E.U.), walong taon na ang nakalilipas na ipinagkaloob mula sa mga kamay ni Queen Victoria ang titulo ng peer at Lord Kelvin (pamilyar ba sa iyo ang pangalang ito? - E.U.), at ngayon ang pangulo ng lipunan, ay nagsimula ng kanyang talumpati sa Bagong Taon. Ang dakilang physicist ng ika-19 na siglo ay nabanggit ang mga tagumpay na nakamit sa nakalipas na siglo, nakalista ang mga merito ng mga kasalukuyan...

Ang mga nagtipon ay tumango bilang pagsang-ayon. Upang maging mahinhin, ginawa nila ang isang mahusay na trabaho. At tama nga ang sinabi ni Sir William na naitayo na ang engrandeng edipisyo ng pisika, na maliliit na finishing touches na lang ang natitira.

Totoo (saglit na pinutol ni Lord Kelvin ang kanyang pagsasalita), sa walang ulap na abot-tanaw ng pisika mayroong dalawang maliliit na ulap, dalawang problema na hindi pa nakakahanap ng paliwanag mula sa pananaw ng klasikal na pisika... Ngunit ang mga phenomena na ito ay pansamantala at panandalian. Tahimik na umupo sa mga antigong upuan na may mataas na likod, ngumiti ang mga ginoo. Alam ng lahat kung ano ang pinag-uusapan namin:

1) hindi maipaliwanag ng klasikal na pisika ang mga eksperimento ni Michelson, na hindi natukoy ang impluwensya ng paggalaw ng Earth sa bilis ng liwanag. Sa lahat ng mga sistema ng sanggunian (parehong gumagalaw at nakapahinga na may kaugnayan sa Earth), ang bilis ng liwanag ay pareho - 300,000 km/s;

2) Hindi maipaliwanag ng klasikal na pisika ang graph ng radiation ng itim na katawan na nakuha sa eksperimentong paraan."

Hindi man lang maisip ni Sir William kung anong uri ng kidlat ang malapit nang tumama mula sa mga ulap na ito! Sa hinaharap, sasabihin ko: ang solusyon sa unang problema ay hahantong sa isang rebisyon ng mga klasikal na ideya tungkol sa espasyo at oras, sa paglikha ng teorya ng relativity; ang solusyon sa pangalawang problema ay hahantong sa paglikha ng isang bagong teorya. - dami. Ito ang solusyon sa ikalawang suliranin na tatalakayin sa aralin ngayon!

IV. (Ang mga mag-aaral ay gumawa ng mga tala sa kanilang mga kuwaderno: Petsa ng Aralin Blg. Paksa ng aralin: "Ang Pinagmulan ng Quantum Physics.") Sa pagpasok ng ika-19 at ika-20 siglo. Isang problema ang lumitaw sa pisika na agarang kailangang malutas: isang teoretikal na paliwanag ng radiation graph ng isang ganap na itim na katawan. Ano ang perpektong itim na katawan? ( Mga hypotheses ng mga mag-aaral. Pagpapakita ng video clip na "Thermal Radiation" .)

Guro. Isulat: "Ang ganap na itim na katawan ay isang katawan na may kakayahang sumisipsip nang walang pagmuni-muni sa buong insidente ng radiation flux, lahat ng electromagnetic wave ng anumang wavelength (anumang frequency)."

Ngunit ang ganap na itim na katawan ay may isa pang tampok. Tandaan kung bakit nakatira ang mga taong may itim na balat sa mga teritoryo ng ekwador? "Ang mga itim na katawan, kung pinainit, ay kumikinang nang mas maliwanag kaysa sa iba pang katawan, ibig sabihin, naglalabas sila ng enerhiya sa lahat ng saklaw ng dalas," isulat ito sa iyong mga notebook.

Eksperimento na natukoy ng mga siyentipiko ang radiation spectrum ng isang ganap na itim na katawan. ( Gumuguhit ng graph.) Rν - spectral density ng energetic luminosity - ang enerhiya ng electromagnetic radiation na ibinubuga bawat yunit ng oras mula sa isang yunit ng surface area ng isang katawan sa isang unit frequency interval ν. Ang teorya ng electromagnetic field ni Maxwell ay hinulaan ang pagkakaroon ng mga electromagnetic wave, ngunit ang teoretikal na black body radiation curve na binuo batay sa teoryang ito ay may pagkakaiba sa experimental curve sa high frequency region. Ang pinakamahuhusay na isip noong panahong iyon ay nagtrabaho sa problema: ang English Lord Rayleigh at J. Jeans, ang Germans na sina P. Kirchhoff at V. Wien, Moscow professor V.A. Mikhelson. Walang gumana!

Mag-alok ng paraan para makaalis sa kasalukuyang sitwasyon. Ang teoretikal na kurba ay naiiba sa pang-eksperimentong isa. Paano maging at ano ang gagawin? ( Ang mga mag-aaral ay nagpapahayag ng mga hypotheses: magsagawa ng mga eksperimento nang mas maingat - ginawa nila, ang resulta ay pareho; baguhin ang teorya - ngunit ito ay isang kalamidad, ang buong pundasyon ng klasikal na pisika, na nilikha sa loob ng libu-libong taon, ay gumuho!) Tinawag ang nilikhang sitwasyon sa pisika sakuna ng ultraviolet.

Isulat: "Ang mga pamamaraan ng klasikal na pisika ay naging hindi sapat upang ipaliwanag ang radiation ng isang ganap na itim na katawan sa rehiyon ng mataas na dalas - ito ay isang "ultraviolet na sakuna."

Sino ang makahuhula kung bakit pinangalanan ang krisis na ito sakuna ng ultraviolet, at hindi infrared o violet? Isang krisis ang sumiklab sa pisika! Ang salitang Griyego na κρίση [ isang krisis] nagsasaad ng mahirap na paglipat mula sa isang matatag na estado patungo sa isa pa. Ang problema ay kailangang malutas, at malutas nang madalian!

V.Guro. At kaya noong Oktubre 19, 1900, sa isang pulong ng Physical Society, iminungkahi ng German scientist na si M. Planck ang paggamit ng formula upang makalkula ang radiation ng isang ganap na itim na katawan. E = hν. Ang kaibigan at kasamahan ni Planck na si Heinrich Rubens ay nakaupo sa kanyang mesa buong gabi, inihambing ang kanyang mga sukat sa mga resulta na ibinigay ng formula ni Planck, at namangha: inilarawan ng formula ng kanyang kaibigan ang radiation spectrum ng isang ganap na itim na katawan hanggang sa pinakamaliit na detalye! Kaya, inalis ng formula ni Planck ang "ultraviolet catastrophe," ngunit sa anong halaga! Iminungkahi ni Planck, salungat sa itinatag na mga pananaw, na isaalang-alang na ang paglabas ng nagniningning na enerhiya sa pamamagitan ng mga atomo ng bagay ay nangyayari nang maingat, iyon ay, sa mga bahagi, quanta. "Quantum" ( dami) isinalin mula sa Latin ay nangangahulugang dami .

Ano ang ibig sabihin ng "discrete"? Magsagawa tayo ng eksperimento sa pag-iisip. Isipin na mayroon kang isang garapon na puno ng tubig sa iyong mga kamay. Posible bang i-cast ang kalahati? Paano kung humigop? At mas kaunti pa? Sa prinsipyo, posible na bawasan o dagdagan ang masa ng tubig sa pamamagitan ng isang maliit na halaga. Ngayon isipin natin na nasa ating mga kamay ang isang kahon ng mga cube ng mga bata na 100 g bawat isa. Posible bang bawasan, halimbawa, ang 370 g? Hindi! Hindi mo maaaring basagin ang mga cube! Samakatuwid, ang masa ng kahon ay maaaring magbago nang discretely, lamang sa mga bahagi na multiple ng 100 g! Ang pinakamaliit na halaga kung saan maaaring baguhin ang masa ng kahon ay matatawag bahagi, o dami ng masa.

Kaya, ang tuluy-tuloy na daloy ng enerhiya mula sa isang pinainit na itim na katawan ay naging isang "machine gun burst" ng magkahiwalay na bahagi - energy quanta. Mukhang walang espesyal. Ngunit sa katunayan, ang ibig sabihin nito ay ang pagkawasak ng buong mahusay na itinayong edipisyo ng klasikal na pisika, dahil sa halip na ang mga pangunahing pangunahing batas na binuo sa prinsipyo ng pagpapatuloy, iminungkahi ni Planck ang prinsipyo ng discreteness. Si Planck mismo ay hindi nagustuhan ang ideya ng discreteness. Sinikap niyang bumalangkas ng teorya upang ito ay ganap na magkasya sa loob ng balangkas ng klasikal na pisika.

Ngunit mayroong isang tao na, sa kabaligtaran, ay lumampas sa mga hangganan ng mga klasikal na ideya. Ang lalaking ito ay si A. Einstein. Upang maunawaan mo ang rebolusyonaryong katangian ng mga pananaw ni Einstein, sasabihin ko lang na, gamit ang ideya ni Planck, inilatag niya ang mga pundasyon para sa teorya ng mga laser (mga quantum generator) at ang prinsipyo ng paggamit ng atomic energy.

Academician S.I. Sa napakatagal na panahon, hindi nasanay si Vavilov sa ideya ng liwanag bilang isang sangkap ng quanta, ngunit siya ay naging isang masigasig na tagahanga ng hypothesis na ito at kahit na nakagawa ng isang paraan upang obserbahan ang quanta. Kinakalkula niya na ang mata ay nakakakita ng pag-iilaw na nilikha ng 52 quanta ng berdeng ilaw.

Kaya, ayon kay Planck, ang liwanag ay... ( mga pahayag ng mag-aaral).

VI. Guro. Hindi ba ipinapaalala sa iyo ng hypothesis ni Planck ang kilalang hypothesis tungkol sa kalikasan ng liwanag? Iminungkahi ni Sir Isaac Newton na isaalang-alang ang liwanag bilang binubuo ng maliliit na particle - mga corpuscle. Ang anumang makinang na katawan ay naglalabas ng mga ito sa lahat ng direksyon. Lumilipad sila sa mga tuwid na linya at kung tamaan nila ang ating mga mata, nakikita natin ang kanilang pinagmulan. Ang bawat kulay ay tumutugma sa sarili nitong mga corpuscles at sila ay naiiba, malamang, dahil mayroon silang iba't ibang masa. Ang pinagsamang daloy ng mga corpuscle ay lumilikha ng puting liwanag.

Sa panahon ni Sir Isaac Newton, ang physics ay tinatawag na natural na pilosopiya. Bakit? Basahin (tingnan ang Appendix 2) ang isa sa mga pangunahing batas ng dialectics - ang batas ng negation ng negation. Subukang ilapat ito sa tanong ng kalikasan ng liwanag. ( Ang pangangatwiran ng mga mag-aaral.)

Kaya, ayon sa hypothesis ni M. Planck, ang ilaw ay isang stream ng mga particle, corpuscles, quanta, na ang bawat isa ay may enerhiya. E = hν. Pakisuri ang formula na ito: ano ang ν? anong nangyari h (isa sa mga mag-aaral ay tiyak na magmumungkahi na ito ay isang uri ng pare-pareho, na pinangalanan sa Planck)? Ano ang yunit ng pare-pareho ng Planck? ano ang halaga ng pare-pareho ( nagtatrabaho sa talahanayan ng mga pisikal na pare-pareho)? Ano ang pangalan ng pare-pareho ni Planck? Ano ang pisikal na kahulugan ng pare-pareho ni Planck?

Upang pahalagahan ang kagandahan ng pormula ni Planck, buksan natin ang mga problema... biology. Inaanyayahan ko ang mga mag-aaral na sagutin ang mga tanong mula sa larangan ng biology (Appendix 3).

Mekanismo ng pangitain. Sa pamamagitan ng pangitain natatanggap namin ang tungkol sa 90% ng impormasyon tungkol sa mundo. Samakatuwid, ang tanong ng mekanismo ng pangitain ay palaging interesado sa mga tao. Bakit ang mata ng tao, at sa katunayan ang karamihan sa mga naninirahan sa Earth, ay nakakakita lamang ng isang maliit na hanay ng mga alon mula sa spectrum ng electromagnetic radiation na umiiral sa kalikasan? Paano kung ang isang tao ay nagkaroon ng infrared vision, halimbawa, tulad ng mga pit snake?

Sa gabi ay makikita natin, tulad ng sa araw, ang lahat ng mga organikong katawan, dahil ang kanilang temperatura ay naiiba sa temperatura ng mga walang buhay na katawan. Ngunit ang pinakamakapangyarihang pinagmumulan ng gayong mga sinag para sa atin ay ang ating sariling katawan. Kung ang mata ay sensitibo sa infrared radiation, ang liwanag ng Araw ay maglalaho para sa atin laban sa background ng sarili nitong radiation. Wala tayong makikita, mawawalan ng silbi ang ating mga mata.

Bakit hindi tumutugon ang ating mga mata sa infrared light? Kalkulahin natin ang enerhiya ng quanta ng infrared at nakikitang liwanag gamit ang formula:

Ang enerhiya ng IR quanta ay mas mababa kaysa sa enerhiya ng visible light quanta. Ang ilang quanta ay hindi maaaring "magsama-sama" upang magdulot ng isang aksyon na lampas sa kapangyarihan ng isang quantum - sa microworld mayroong isang one-on-one na interaksyon sa pagitan ng isang quantum at isang particle. Tanging isang quantum ng nakikitang liwanag, na may enerhiya na mas malaki kaysa sa infrared na ilaw, ang maaaring magdulot ng reaksyon sa molekula ng rhodopsin, ibig sabihin, ang retinal rod. Ang epekto ng isang nakikitang light quantum sa retina ay maihahambing sa epekto ng bola ng tennis, na nagpalipat... isang gusaling may maraming palapag. (Ang sensitivity ng retina ay napakataas!)

Bakit hindi tumutugon ang mata sa ultraviolet radiation? Ang UV radiation ay hindi rin nakikita ng mata, kahit na ang enerhiya ng UV quanta ay mas malaki kaysa sa visible light quanta. Ang retina ay sensitibo sa UV rays, ngunit sila ay nasisipsip ng lens, kung hindi, magkakaroon sila ng mapanirang epekto.

Sa proseso ng ebolusyon, ang mga mata ng mga nabubuhay na organismo ay umangkop upang makita ang enerhiya ng radiation mula sa pinakamakapangyarihang pinagmumulan sa Earth - ang Araw - at tiyak na ang mga alon na iyon ang account para sa pinakamataas na enerhiya ng solar radiation insidente sa Earth.

Photosynthesis. Sa mga berdeng halaman, ang proseso kung saan ang lahat ng nabubuhay na bagay ay tumatanggap ng oxygen para sa paghinga at pagkain ay hindi hihinto sa isang segundo. Ito ay photosynthesis. Ang dahon ay may berdeng kulay dahil sa pagkakaroon ng chlorophyll sa mga selula nito. Ang mga reaksyon ng photosynthesis ay nangyayari sa ilalim ng impluwensya ng radiation sa red-violet na bahagi ng spectrum, at ang mga alon na may dalas na katumbas ng berdeng bahagi ng spectrum ay makikita, kaya ang mga dahon ay may berdeng kulay.

Ang mga molekula ng chlorophyll ay "responsable" para sa natatanging proseso ng pag-convert ng liwanag na enerhiya sa enerhiya ng mga organikong sangkap. Nagsisimula ito sa pagsipsip ng isang quantum ng liwanag ng isang molekula ng chlorophyll. Ang pagsipsip ng isang quantum ng liwanag ay humahantong sa mga kemikal na reaksyon ng photosynthesis, na kinabibilangan ng maraming unit.

Sa buong araw, ang mga molekula ng chlorophyll ay "abala" sa katotohanan na, na nakatanggap ng isang kabuuan, ginagamit nila ang enerhiya nito, na ginagawang potensyal na enerhiya ng isang elektron. Ang kanilang pagkilos ay maihahalintulad sa pagkilos ng isang mekanismo na nagbubuhat ng bola sa hagdanan. Ang pag-roll down sa mga hakbang, ang bola ay nawawalan ng enerhiya, ngunit hindi ito nawawala, ngunit nagiging panloob na enerhiya ng mga sangkap na nabuo sa panahon ng photosynthesis.

Ang mga molekula ng chlorophyll ay "gumagana" lamang sa oras ng liwanag ng araw, kapag tinatamaan sila ng nakikitang liwanag. Sa gabi sila ay "nagpapahinga", sa kabila ng katotohanan na walang kakulangan ng electromagnetic radiation: ang lupa at mga halaman ay naglalabas ng infrared na ilaw, ngunit ang enerhiya ng quanta sa hanay na ito ay mas mababa kaysa sa kinakailangan para sa photosynthesis. Sa proseso ng ebolusyon, ang mga halaman ay umangkop upang maipon ang enerhiya ng pinakamakapangyarihang pinagmumulan ng enerhiya sa Earth - ang Araw.

pagmamana.(Sinasagot ng mga mag-aaral ang mga tanong 1–3 mula sa Appendix 3, card na “Heredity”). Ang mga namamana na katangian ng mga organismo ay naka-encode sa mga molekula ng DNA at ipinapadala mula sa henerasyon hanggang sa henerasyon sa isang matrix na paraan. Paano maging sanhi ng mutation? Sa ilalim ng impluwensya ng anong radiation nangyayari ang proseso ng mutation?

Upang maging sanhi ng isang solong mutation, kinakailangan na magbigay ng enerhiya sa molekula ng DNA na sapat upang baguhin ang istraktura ng ilang bahagi ng DNA gene. Ito ay kilala na ang γ-quanta at X-ray, gaya ng sinabi ng mga biologist, lubos na mutagenic– ang kanilang quanta ay nagdadala ng enerhiya na sapat upang baguhin ang istruktura ng isang seksyon ng DNA. Ang IR radiation, at tila, ay hindi makakagawa ng ganoong aksyon; ang kanilang dalas, at samakatuwid ang kanilang enerhiya, ay masyadong mababa. Ngayon, kung ang enerhiya ng electromagnetic field ay hinihigop hindi sa mga bahagi, ngunit tuluy-tuloy, kung gayon ang mga radiation na ito ay makakaimpluwensya sa DNA, dahil may kaugnayan sa mga reproductive cell nito, ang organismo mismo ang pinakamalapit at pinakamakapangyarihan, patuloy na nagpapatakbo ng mapagkukunan ng radiation.

Sa simula ng 30s. XX siglo Salamat sa mga tagumpay ng quantum mechanics, ang mga physicist ay nagkaroon ng pakiramdam ng gayong kapangyarihan na sila ay bumaling sa buhay mismo. Maraming pagkakatulad sa genetika. Natuklasan ng mga biologist ang isang discrete indivisible particle - isang gene - na maaaring lumipat mula sa isang estado patungo sa isa pa. Ang mga pagbabago sa pagsasaayos ng mga gene ay nauugnay sa mga pagbabago sa mga kromosom, na nagiging sanhi ng mga mutasyon, at ito ay naging posible na ipaliwanag batay sa mga konsepto ng quantum. Isa sa mga tagapagtatag ng molecular biology, na nakatanggap ng Nobel Prize para sa pananaliksik sa larangan ng mga proseso ng mutation sa bacteria at bacteriophage, ay ang German theoretical physicist na si M. Delbrück. Noong 1944, inilathala ang isang maikling aklat ng physicist na si E. Schrödinger, “What is Life?”. Nagbigay ito ng isang malinaw at maigsi na pagtatanghal ng mga batayan ng genetika at nagsiwalat ng koneksyon sa pagitan ng genetika at quantum mechanics. Ang libro ay nagbigay ng lakas sa pag-atake ng mga physicist sa gene. Salamat sa gawain ng mga Amerikanong pisiko na sina J. Watson, F. Crick, M. Wilkins, natutunan ng mga biologist kung paano "nabubuo" ang pinakapangunahing "nabubuhay" na molekula, ang DNA. Ginawang posible ng pagsusuri ng X-ray diffraction na makita ito.

VII. Guro. Bumalik ako sa tanong: ano ang liwanag? ( Sagot ng mag-aaral.) Lumalabas na ang pisika ay bumalik sa Newtonian particle ng liwanag - ang corpuscle - tinatanggihan ang ideya ng liwanag bilang isang alon? Hindi! Imposibleng i-cross out ang buong legacy ng wave theory of light! Pagkatapos ng lahat, ang diffraction, interference at maraming iba pang mga phenomena ay matagal nang kilala, na eksperimento na nagpapatunay na ang liwanag ay isang alon. Anong gagawin ko? ( Mga hypotheses ng mga mag-aaral.)

Mayroon na lamang isang bagay na natitira: upang kahit papaano ay pagsamahin ang mga alon sa mga particle. Kilalanin na mayroong isang bilog ng mga phenomena kung saan ang liwanag ay nagpapakita ng mga katangian ng alon, at may isa pang bilog kung saan ang corpuscular essence ng liwanag ay nauuna. Sa madaling salita - isulat ito! – may liwanag duality ng quantum wave! Ito ang dalawahang katangian ng liwanag. Napakahirap para sa mga physicist na pagsamahin ang dalawang hindi magkatugma na ideya sa isa. Ang butil ay isang bagay na solid, hindi nagbabago, may tiyak na sukat, limitado sa espasyo. Ang alon ay isang bagay na tuluy-tuloy, hindi matatag, walang malinaw na mga hangganan. Higit o mas malinaw, ang mga ideyang ito ay konektado gamit ang konsepto ng isang wave packet. Ito ay tulad ng isang alon na "naputol" sa magkabilang dulo, o sa halip, isang grupo ng mga alon na naglalakbay sa kalawakan bilang isang solong kabuuan. Ang clot ay maaaring lumiit o mag-inat depende sa kapaligiran na pinapasok nito. Ito ay kahawig ng isang lumilipad na bukal.

Anong katangian ng wave packet ang nagbabago kapag ang ilaw ay pumasa mula sa isang daluyan patungo sa isa pa? ( Sagot ng mag-aaral.)

Noong 1927, iminungkahi ng American physicist na si Lewis na tawagan ang wave packet na ito photon(mula sa Greek φωτóς [phos, mga larawan] – ). Ano ang isang photon? ( Ang mga mag-aaral ay nagtatrabaho sa aklat-aralin at gumawa ng mga konklusyon.)

Mga konklusyon. Ang isang photon ay: isang quantum ng electromagnetic radiation; isang massless particle; isang photon sa rest ay hindi umiiral; isang particle na gumagalaw sa isang vacuum sa bilis ng liwanag c= 3 10 8 m/s ay isang solong buo at hindi mahahati, ang pagkakaroon ng isang fractional na bahagi ng isang photon ay imposible; isang particle na may enerhiya E = hν, saan h= 6.63 · 10 -34 J · s; Ang ν ay ang dalas ng liwanag; ang isang particle na may momentum ay isang electrically neutral na particle.

Ang mundo ay nakabalangkas sa paraang madalas na ipinapakita sa atin ng liwanag ang kalikasan ng alon, hanggang sa isaalang-alang natin ang pakikipag-ugnayan nito sa bagay. At ang bagay ay lilitaw sa harap natin sa corpuscular form, hanggang sa simulan nating isaalang-alang ang likas na katangian ng interatomic bonds, transfer process, electrical resistance, atbp. Ngunit anuman ang ating posisyon sa bawat sandali, ang isang microparticle ay may parehong mga katangian.

Ang proseso ng paglikha ng quantum theory at, sa partikular, ang quantum theory ng liwanag ay malalim na dialectical. Ang mga ideya at larawan ng mga luma, klasikal na mekanika at optika, na pinayaman ng mga bagong ideya, malikhaing inilapat sa pisikal na katotohanan, sa huli ay nagbunga ng panimulang bagong pisikal na teorya.

Mag-ehersisyo: Basahin ang pilosopikal na batas ng pagkakaisa at pakikibaka ng magkasalungat at gumawa ng konklusyon tungkol sa dalawang teorya ng liwanag: wave at quantum theories ng liwanag.

VIII. Guro. Noong 1924, ang French physicist na si Louis de Broglie (isang dating military radiotelegraph operator) ay nagpahayag ng ganap na kabalintunaan, kahit na para sa matapang na physicist noong panahong iyon, ang mga saloobin tungkol sa likas na katangian ng paggalaw ng mga atomic na particle. Iminungkahi ni De Broglie na ang mga katangian ng mga electron at iba pang mga particle, sa prinsipyo, ay hindi naiiba sa mga katangian ng quanta! Ito ay sumunod mula dito na ang mga electron at iba pang mga particle ay dapat ding magpakita ng mga katangian ng alon, na, halimbawa, ang electron diffraction ay dapat obserbahan. At talagang natuklasan sa mga eksperimento na noong 1927, nang nakapag-iisa sa isa't isa, ay isinagawa ng mga Amerikanong pisiko na si K.-J. Davisson at L. Germer, Soviet physicist na si P.S. Tartakovsky at English physicist na si J.-P. Thomson. Ang wavelength ng de Broglie ay kinakalkula gamit ang formula:

Lutasin natin ang mga problema para sa pagkalkula ng wavelength ng de Broglie (Appendix 4).

Tulad ng ipinapakita ng mga kalkulasyon, isang valence electron na gumagalaw sa loob ng isang atom sa bilis na 0.01 Sa, diffracts sa isang ionic crystal lattice bilang isang wave na may wavelength na ~10 -10 m, at ang wavelength ng isang bullet na lumilipad sa bilis na humigit-kumulang 500 m/s ay humigit-kumulang 10 -34 m. Ang ganitong maliit na wavelength ay hindi maaaring irehistro sa anumang paraan, at samakatuwid ang bala ay kumikilos tulad ng isang tunay na butil.

Ang pakikibaka sa pagitan ng mga ideya ng discreteness at pagpapatuloy ng bagay, na isinagawa mula pa sa simula ng agham, ay natapos sa pagsasama ng parehong mga ideya sa ideya ng dalawahang katangian ng elementarya na mga particle. Ang paggamit ng mga katangian ng alon ng mga electron ay naging posible upang makabuluhang taasan ang resolusyon ng mga mikroskopyo. Ang wavelength ng electron ay depende sa bilis, at samakatuwid ay sa boltahe na nagpapabilis sa mga electron (tingnan ang problema 5 sa Appendix 4). Sa karamihan ng mga electron microscope, ang wavelength ng de Broglie ay daan-daang beses na mas maliit kaysa sa wavelength ng liwanag. Naging posible na makakita ng mas maliliit na bagay, hanggang sa iisang molekula.

Isinilang ang wave mechanics, ang batayan ng dakilang edipisyo ng quantum physics. Inilatag ni De Broglie ang mga pundasyon para sa teorya ng interference at diffraction ng liwanag, nagbigay ng bagong derivation ng formula ni Planck, at nagtatag ng malalim na pagsusulatan sa pagitan ng paggalaw ng mga particle at ng mga alon na nauugnay sa kanila.

Kapag nag-aaral ng anumang teorya, palagi naming napapansin ang mga limitasyon ng pagkakalapat ng teoryang ito. Ang mga limitasyon ng applicability ng quantum theory ay hindi pa naitatag, ngunit ang mga batas nito ay dapat ilapat upang ilarawan ang paggalaw ng mga microparticle sa maliliit na rehiyon ng espasyo at sa mataas na frequency ng electromagnetic waves, kapag ang mga instrumento sa pagsukat ay ginagawang posible na magrehistro ng indibidwal na quanta (enerhiya ~10 -16 J). Kaya, upang ilarawan ang pakikipag-ugnayan ng bagay at X-ray radiation, ang enerhiya ng quanta na kung saan ay dalawang order ng magnitude na mas malaki kaysa sa limitasyon na itinatag sa itaas, kinakailangan na ilapat ang mga batas ng quantum physics, at ilarawan ang mga katangian ng radio waves, ang mga batas ng classical electrodynamics ay sapat na. Dapat tandaan na ang pangunahing "pagsubok na lupa" para sa quantum theory ay ang physics ng atom at ang atomic nucleus.

Sa pagtatapos ng aralin ngayon, muli kong itatanong sa iyo ang tanong: ano ang liwanag? ( Sagot ng mag-aaral.)

Panitikan

1. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Physics. Ika-11 baitang: pang-edukasyon. para sa pangkalahatang mga institusyong pang-edukasyon: basic at propesyonal. mga antas. M.: Edukasyon, 2009.
2. Video encyclopedia para sa pampublikong edukasyon. Lennauchfilm. Video studio na "Kvart". [Electronic na mapagkukunan] Cassette No. 2 "Thermal radiation".
3. Tomilin A.N. Sa paghahanap ng mga pinagmulan: scientific-pop. edisyon. L.: Det. panitikan, 1990.
4. Quantum mechanics. Quantum electrodynamics // Encycl. sl. batang pisiko / Comp. V.A. Chuyanov. M.: Pedagogy, 1984.
5. Koltun M. Mundo ng Physics. M.: Det. panitikan, 1984.
6. Solopov E.F. Pilosopiya: aklat-aralin. tulong para sa mga mag-aaral mas mataas aklat-aralin mga establisyimento. M.: Vlados, 2003.
7. Ilchenko V.R. Crossroads ng physics, chemistry, biology: libro. para sa mga mag-aaral. M.: Edukasyon, 1986.
8. Katz Ts.B. Biophysics sa mga aralin sa pisika: libro. para sa guro. M.: Edukasyon, 1988.

Elena Stepanovna Uvitskaya– guro ng pisika ng pinakamataas na kategorya ng kwalipikasyon, nagtapos mula sa Tula State Pedagogical Institute na pinangalanan. L.N. Tolstoy noong 1977 at itinalaga sa Urals, sa maliit na pang-industriyang bayan ng Lysva, kung saan siya nagtatrabaho pa rin. Honorary worker ng pangkalahatang edukasyon ng Russian Federation, nagwagi ng All-Russian na kumpetisyon para sa mga guro ng pisika at matematika (Dynasty Foundation). Ang mga nagtapos ay matagumpay na nakapasa sa Unified State Exam sa loob ng maraming taon at pumapasok sa mga unibersidad sa Moscow, St. Petersburg, Yekaterinburg, at Perm. Minsan, pagkatapos basahin ang tungkol sa Emerald Tablet, nabigla ako sa kasalukuyang kaugnayan ng ideya ng maalamat na Hermes: bawat bagay, bagay, proseso sa ating Uniberso ay nagdadala ng mga katangian ng bawat isa at ng isang solong kabuuan. Mula noon, binibigyang-pansin niya ang mga interdisciplinary na koneksyon at pagkakatulad: pisika at biyolohiya, pisika at matematika, pisika at panitikan, at ngayon ay pisika at wikang Ingles. Nakikibahagi siya sa gawaing pang-agham kasama ang mga mag-aaral, lalo na sa elementarya: saan nakatira ang kuryente? Bakit hindi pangkaraniwan ang ordinaryong tubig? Ano ito, ang mahiwagang mundo ng mga bituin? Ang pamilya ay may dalawang anak na lalaki, parehong nagtapos sa Perm State Technical University. Ang junior ay isang engineer, ang senior ay isang karate-do teacher, may black belt, second dan, multiple champion ng Russia, kalahok sa World Championship sa Japan. Imposible ang tagumpay ng guro kung wala ang tulong ng kanyang asawa, isang electrical engineer sa pamamagitan ng pagsasanay: pagbuo at pagsasagawa ng mga eksperimento, paglikha ng mga bagong device, at simpleng suporta at payo na nakakatulong sa iba't ibang sitwasyon sa buhay.

Ang lahat ng mga aplikasyon ay ibinibigay sa . – Ed.

Ang papel na ginagampanan ng teorya ni Maxwell ay pinakamahusay na ipinahayag ng sikat na pisiko na si Robert Feynman: "Sa kasaysayan ng sangkatauhan (kung titingnan natin, sabihin nating, 10,000 taon mula ngayon), ang pinakamahalagang kaganapan sa ika-19 na siglo ay walang alinlangan na ang pagtuklas ni Maxwell ng ang mga batas ng electrodynamics. Sa likod ng mahalagang pagtuklas ng siyensya na ito, ang Digmaang Sibil ng Amerika sa parehong dekada ay magmumukhang isang menor de edad na insidente sa probinsiya."

Matagal na nag-alinlangan si Planck kung pipiliin ba ang humanities o physics. Ang lahat ng mga gawa ni Planck ay nakikilala sa pamamagitan ng biyaya at kagandahan. Sumulat si A. Einstein tungkol sa kanila: "Kapag pinag-aaralan ang kanyang mga gawa, nagkakaroon ng impresyon na ang pangangailangan ng kasiningan ay isa sa mga pangunahing bukal ng kanyang pagkamalikhain."

Mga layunin ng aralin:

Pang-edukasyon: upang mabuo sa mga mag-aaral ang isang ideya ng epekto ng photoelectric at pag-aralan ang mga batas nito na sinusunod nito; subukan ang mga batas ng photoelectric effect gamit ang isang virtual na eksperimento.

Pag-unlad: bumuo ng lohikal na pag-iisip.

Pang-edukasyon: pagyamanin ang pakikisalamuha (ang kakayahang makipag-usap), atensyon, aktibidad, isang pakiramdam ng responsibilidad, pag-iipon ng interes sa paksa.

Sa panahon ng mga klase

I. Pansamahang sandali.

– Ang paksa ng aralin ngayon ay “Photo effect”.

Kapag isinasaalang-alang ang kawili-wiling paksang ito, patuloy naming pinag-aaralan ang seksyong "Quantum Physics", susubukan naming malaman kung ano ang epekto ng liwanag sa bagay at kung ano ang nakasalalay sa epektong ito. Ngunit una, susuriin natin ang materyal na sakop sa huling aralin, kung wala ito ay magiging mahirap na maunawaan ang mga intricacies ng epekto ng larawan. Sa huling aralin ay tiningnan natin ang hypothesis ni Planck.

Ano ang pinakamababang halaga ng enerhiya na maaaring ilabas at masipsip ng isang sistema? (quantum)

Sino ang unang nagpakilala ng konsepto ng "energy quantum" sa agham? (M. Planck)

Isang paliwanag kung anong experimental dependence ang nag-ambag sa paglitaw ng quantum physics? (batas ng radiation ng heated solids)

Anong kulay ang nakikita natin sa isang ganap na itim na katawan? (anumang kulay depende sa temperatura)

III. Pag-aaral ng bagong materyal

Sa simula ng ika-20 siglo, ipinanganak ang teorya ng quantum - ang teorya ng paggalaw at pakikipag-ugnayan ng mga elementarya na particle at mga sistema na binubuo ng mga ito.

Upang ipaliwanag ang mga batas ng thermal radiation, iminungkahi ni M. Planck na ang mga atomo ay naglalabas ng electromagnetic energy hindi tuloy-tuloy, ngunit sa magkahiwalay na bahagi - quanta. Ang enerhiya ng bawat naturang bahagi ay tinutukoy ng formula E = h, Saan
-pare-pareho ni Planck; v ay ang dalas ng liwanag na alon.

Ang isa pang kumpirmasyon ng kawastuhan ng quantum theory ay ang paliwanag ni Albert Einstein noong 1905. kababalaghan epekto ng photoelectric

Epekto ng larawan– ang phenomenon ng mga electron na inilalabas mula sa solid at liquid substance sa ilalim ng impluwensya ng liwanag.

Mga uri ng PHOTO EFFECT:

1. Ang panlabas na photoelectric effect ay ang paglabas ng mga electron ng isang sangkap sa ilalim ng impluwensya ng electromagnetic radiation. Ang panlabas na epekto ng photoelectric ay sinusunod sa mga solido at gayundin sa mga gas.

2. Ang panloob na photoelectric effect ay ang electromagnetic radiation na nagiging sanhi ng paglipat ng mga electron sa loob ng isang conductor o dielectric mula sa mga nakatali na estado patungo sa mga libre nang hindi tumatakas sa labas.

3. Valve photoelectric effect - ang hitsura ng larawan - emf. kapag nag-iilaw sa kontak ng dalawang magkaibang semiconductors o isang semiconductor at isang metal.

Epekto ng photoelectric ay natuklasan noong 1887 ng isang German physicist G. Hertz at noong 1888–1890 ito ay eksperimento na pinag-aralan ni A.G. Stoletov. Ang pinakakumpletong pag-aaral ng phenomenon ng photoelectric effect ay isinagawa ni F. Lenard noong 1900. Sa oras na ito natuklasan na ang electron (1897, J. Thomson), at naging malinaw na ang photoelectric effect (o mas tiyak, ang panlabas na photoelectric effect) ay binubuo ng ejection ng mga electron mula sa isang substance sa ilalim ng impluwensya ng light incident dito.

Pag-aaral ng photoelectric effect.

Ang mga unang eksperimento sa photoelectric effect ay sinimulan ni Stoletov noong Pebrero 1888.

Gumamit ang mga eksperimento ng isang glass vacuum bottle na may dalawang metal electrodes, ang ibabaw nito ay lubusang nilinis. Ang ilang boltahe ay inilapat sa mga electrodes U, ang polarity na maaaring baguhin gamit ang double key. Ang isa sa mga electrodes (cathode K) ay iluminado sa pamamagitan ng isang quartz window na may monochromatic light ng isang tiyak na haba ng daluyong. Sa isang pare-parehong maliwanag na pagkilos ng bagay, ang pagtitiwala sa lakas ng photocurrent ay kinuha ako mula sa inilapat na boltahe.

Mga batas ng photoelectric effect

Ang saturation photocurrent ay direktang proporsyonal sa liwanag ng pangyayari.

ang maximum na kinetic energy ng mga photoelectron ay tumataas nang linearly sa dalas ng liwanag at hindi nakadepende sa intensity nito.

Para sa bawat substansiya mayroong isang minimum na set frequency, na tinatawag na pulang limitasyon ng photoelectric effect, sa ibaba kung saan imposible ang photoelectric effect.

Ayon sa hypothesis ni M. Planck, ang isang electromagnetic wave ay binubuo ng mga indibidwal na photon at ang radiation ay nangyayari nang walang tigil - sa quanta, mga photon. Kaya, ang pagsipsip ng liwanag ay dapat ding mangyari nang walang tigil - inililipat ng mga photon ang kanilang enerhiya sa mga atomo at molekula ng buong sangkap.

- Ang equation ni Einstein para sa photoelectric effect

mv 2 /2 = eU 0 – pinakamataas na halaga ng kinetic energy ng photoelectron;

– ang pinakamababang dalas ng liwanag kung saan posible ang photoelectric effect;

V max = hc/ Aout – maximum na dalas ng liwanag kung saan posible ang photoelectric effect

- hangganan ng epekto ng pulang larawan

- momentum ng photon

Pag-uusap na may paglilinaw ng mga termino at konsepto.

Ang phenomenon ng isang substance na nagpapalabas ng mga electron sa ilalim ng impluwensya ng liwanag ay tinatawag na...

Ang bilang ng mga electron na ibinubuga ng liwanag mula sa ibabaw ng isang substance sa 1 s ay direktang proporsyonal sa...

Ang kinetic energy ng photoelectrons ay tumataas ng linearly sa ... at hindi nakasalalay sa ...

Para sa bawat sangkap ay may pinakamababang dalas ng liwanag kung saan posible pa rin ang photoelectric effect. Ang dalas na ito ay tinatawag na...

Ang gawaing kailangang gawin upang alisin ang mga electron mula sa ibabaw ng isang sangkap ay tinatawag na...

Ang equation ni Einstein para sa photoelectric effect (formulation)...

IV. Consolidation at generalization ng kaalaman.

Problema 1. Ano ang pinakamababang dalas ng liwanag kung saan ang photoelectric effect ay sinusunod pa rin kung ang work function ng isang electron mula sa metal ay 3.3 * 10 -19 J?

Gawain 2. Tukuyin ang enerhiya, masa at momentum ng photon na tumutugma sa pinakamahaba at pinakamaikling alon ng nakikitang spectrum?

Solusyon:

Suliranin 3. Hanapin ang photoelectric effect threshold para sa potassium kung work function A = 1.32 EV?

Solusyon:

Sa equation ni Einstein

Gamit ang mga formula na isinulat mo, lutasin ang mga sumusunod na problema sa sarili.

Ang work function para sa plate material ay 4 eV. Ang plato ay iluminado ng monochromatic na ilaw. Ano ang enerhiya ng mga photon ng liwanag ng insidente kung ang maximum na kinetic energy ng mga photoelectron ay 2.5 eV?

Ang isang nickel plate ay nakalantad sa electromagnetic radiation na may photon energy na 8 eV. Sa kasong ito, bilang resulta ng photoelectric effect, ang mga electron na may maximum na enerhiya na 3 eV ay ibinubuga mula sa plato. Ano ang work function ng mga electron mula sa nickel?

Ang isang stream ng mga photon na may enerhiya na 12 eV ay nag-knock out ng mga photoelectron mula sa metal, ang maximum na kinetic energy na kung saan ay 2 beses na mas mababa kaysa sa work function. Tukuyin ang work function para sa ibinigay na metal.

Work function ng isang electron na nag-iiwan ng metal. Hanapin ang maximum na wavelength ng radiation na maaaring magpatumba ng mga electron.

Tukuyin ang work function ng mga electron mula sa metal kung ang pulang limitasyon ng photoelectric effect ay 0.255 µm.

Para sa ilang metal, ang pulang limitasyon ng photoelectric effect ay magaan na may dalas . Tukuyin ang kinetic energy na makukuha ng mga electron sa ilalim ng impluwensya ng radiation na may wavelength

Maghanda ng isang presentasyon sa paksang "Paglalapat ng photoelectric effect"