Раждането на квантовата физика. Урок-лекция Раждането на квантовата физика. Фотоефект Преглед на съдържанието на презентацията „настояще“

Появата и развитието на квантовата теория доведе до промяна в класическите представи за структурата на материята, движението, причинността, пространството, времето, природата на познанието и др., Което допринесе за радикална трансформация на картината на света. Класическото разбиране на материалната частица се характеризира с рязкото й отделяне от околната среда, притежаването на собствено движение и местоположение в пространството. В квантовата теория частицата започва да се представя като функционална част от системата, в която е включена, без координати и импулс. В класическата теория движението се разглежда като пренасяне на частица, оставаща идентична на себе си, по определена траектория. Двойствената природа на движението на частиците наложи изоставянето на такова представяне на движението. Класическият (динамичен) детерминизъм отстъпи място на вероятностния (статистически) детерминизъм. Ако преди това цялото се разбираше като сбор от съставните му части, тогава квантовата теория разкри зависимостта на свойствата на частицата от системата, в която тя е включена. Класическото разбиране на когнитивния процес се свързва с познаването на материалния обект като съществуващ сам по себе си. Квантовата теория демонстрира зависимостта на знанието за даден обект от изследователските процедури. Ако класическата теория твърди, че е пълна, тогава квантовата теория от самото начало се разгръща като непълна, въз основа на редица хипотези, чийто смисъл първоначално далеч не е ясен и следователно основните й положения получават различни тълкувания, различни тълкувания .
Разногласията се появиха преди всичко по отношение на физическия смисъл на двойствеността на микрочастиците. Де Бройл пръв излага концепцията за пилотна вълна, според която вълна и частица съществуват едновременно, като вълната води частицата. Истинска материална формация, която поддържа своята стабилност, е частица, тъй като тя има енергия и импулс. Вълната, носеща частицата, контролира естеството на движението на частицата. Амплитудата на вълната във всяка точка в пространството определя вероятността за локализиране на частица близо до тази точка. Шрьодингер по същество решава проблема с двойствеността на частиците, като го премахва. За него частицата действа като чисто вълнова формация. С други думи, частицата е мястото на вълната, в което е концентрирана най-голямата енергия на вълната. Интерпретациите на де Бройл и Шрьодингер по същество са опити за създаване на визуални модели в духа на класическата физика. Това обаче се оказа невъзможно.
Хайзенберг предложи интерпретация на квантовата теория, основана (както беше показано по-рано) на факта, че физиката трябва да използва само концепции и количества, базирани на измервания. Поради това Хайзенберг изоставя визуалното представяне на движението на електрона в атома. Макроустройствата не могат да опишат движението на частица, като същевременно записват импулс и координати (т.е. в класическия смисъл) поради принципно непълната управляемост на взаимодействието на устройството с частицата - поради връзката на неопределеността, измерването на импулса не го прави възможно да се определят координатите и обратно. С други думи, поради фундаменталната неточност на измерванията, прогнозите на теорията могат да бъдат само вероятностни по природа, а вероятността е следствие от фундаменталната непълнота на информацията за движението на частицата. Това обстоятелство доведе до заключението за разпадането на принципа на причинно-следствената връзка в класическия смисъл, който предполагаше прогнозирането на точните стойности на импулса и координатите. Следователно в рамките на квантовата теория не говорим за грешки в наблюдението или експеримента, а за фундаментална липса на знания, която се изразява с помощта на вероятностната функция.
Интерпретацията на Хайзенберг на квантовата теория е разработена от Бор и става известна като Копенхагенската интерпретация. В рамките на тази интерпретация основната позиция на квантовата теория е принципът на комплементарността, което означава изискването да се използват взаимно изключващи се класове от концепции, инструменти и изследователски процедури, които се използват в техните специфични условия и се допълват взаимно, за да се получи цялостна картина на изучавания обект в процеса на познание. Този принцип наподобява съотношението на неопределеността на Хайзенберг. Ако говорим за дефиниране на импулса и координатите като взаимно изключващи се и допълващи се изследователски процедури, тогава има основания за идентифициране на тези принципи. Значението на принципа на допълване обаче е по-широко от отношенията на несигурност. За да обясни стабилността на атома, Бор комбинира класически и квантови концепции за движение на електрони в един модел. По този начин принципът на допълване позволява класическите идеи да бъдат допълнени с квантови. След като идентифицира противопоставянето между вълновите и корпускулярните свойства на светлината и не намирайки тяхното единство, Бор беше склонен да мисли за два метода на описание, които са еквивалентни един на друг - вълна и корпускуларен - с последващата им комбинация. Така че е по-точно да се каже, че принципът на допълване е развитие на връзката на неопределеността, изразяваща връзката между координата и импулс.
Редица учени тълкуват нарушението на принципа на класическия детерминизъм в рамките на квантовата теория в полза на индетернизма. В действителност тук принципът на детерминизма промени формата си. В рамките на класическата физика, ако в началния момент са известни позициите и състоянието на движение на елементите на системата, е възможно напълно да се предвиди нейното положение във всеки един бъдещ момент във времето. Всички макроскопични системи бяха подчинени на този принцип. Дори в случаите, когато беше необходимо да се въведат вероятности, винаги се приемаше, че всички елементарни процеси са строго детерминирани и че само техният голям брой и неподредено поведение принуждават да се обърнем към статистически методи. В квантовата теория ситуацията е коренно различна. За да се приложат принципите на детертернизация, е необходимо да се знаят координатите и моментите, а това е забранено от връзката на неопределеността. Използването на вероятност тук има различно значение в сравнение със статистическата механика: ако в статистическата механика вероятностите се използват за описание на мащабни явления, тогава в квантовата теория вероятностите, напротив, се въвеждат за описание на самите елементарни процеси. Всичко това означава, че в света на едромащабните тела действа динамичният принцип на причинността, а в микросвета - вероятностният принцип на причинността.
Копенхагенската интерпретация предполага, от една страна, описание на експериментите от гледна точка на класическата физика, а от друга, признаването на тези концепции като несъответстващи точно на действителното състояние на нещата. Именно тази непоследователност определя вероятността на квантовата теория. Понятията на класическата физика формират важна част от естествения език. Ако не използваме тези понятия, за да опишем експериментите, които провеждаме, тогава няма да можем да се разберем.
Идеалът на класическата физика е пълната обективност на знанието. Но в познанието ние използваме инструменти и по този начин, както казва Хайнзерберг, се въвежда субективен елемент в описанието на атомните процеси, тъй като инструментът е създаден от наблюдателя. „Трябва да помним, че това, което наблюдаваме, не е самата природа, а природата, каквато изглежда чрез нашия начин на задаване на въпроси. Научната работа във физиката е да поставяме въпроси за природата на езика, който използваме, и да се опитваме да получим отговора в експеримент извършено с помощта на средствата, с които разполагаме, в същото време си спомняме думите на Бор за квантовата теория: ако търсим хармония в живота, никога не трябва да забравяме, че в играта на живота се намираме. същевременно. зрители и участници. Ясно е, че нашата собствена дейност става важна там, където трябва да се проникне само с най-важните технически средства.
Също така се оказа невъзможно да се използват класически концепции за пространство и време за описание на атомни явления. Ето какво пише друг създател на квантовата теория за това: „съществуването на кванта на действието разкри напълно неочаквана връзка между геометрията и динамиката: оказва се, че възможността за локализиране на физическите процеси в геометричното пространство зависи от тяхното динамично състояние. Общата теория на относителността вече ни е научила да разглеждаме локалните свойства на пространство-времето в зависимост от разпределението на материята във Вселената, но съществуването на кванти изисква много по-дълбока трансформация и вече не ни позволява да представяме движението на a физически обект по протежение на определена линия във времето (световата линия) Вече не е възможно да се определи състоянието на движение въз основа на последователните позиции на обекта във времето динамично състояние не като следствие от пространствено-времева локализация, а като независим и допълнителен аспект на физическата реалност."
Дискусиите по проблема за тълкуването на квантовата теория разкриха въпроса за самия статут на квантовата теория - дали тя е завършена теория за движението на микрочастиците. За първи път въпросът е формулиран по този начин от Айнщайн. Неговата позиция беше изразена в концепцията за скрити параметри. Айнщайн изхожда от разбирането на квантовата теория като статистическа теория, която описва модели, свързани с поведението не на отделна частица, а на техния ансамбъл. Всяка частица винаги е строго локализирана и едновременно с това има определени стойности на импулс и координати. Връзката на неопределеността не отразява реалната структура на реалността на ниво микропроцеси, а непълнотата на квантовата теория - просто на нейно ниво нямаме възможност едновременно да измерваме импулс и координация, въпреки че те действително съществуват, но като скрити параметри (скрити в рамките на квантовата теория). Айнщайн смята описанието на състоянието на частица с помощта на вълновата функция за непълно и затова представя квантовата теория под формата на непълна теория за движението на микрочастица.
В тази дискусия Бор зае противоположната позиция, основана на признаването на обективната несигурност на динамичните параметри на микрочастицата като причина за статистическата природа на квантовата теория. Според него отричането на Айнщайн за съществуването на обективно несигурни количества оставя необясними вълновите характеристики, присъщи на микрочастицата. Бор смята, че връщането към класическите концепции за движението на микрочастиците е невъзможно.
През 50-те години През 20 век Д. Бом се връща към концепцията за пилотната вълна на де Бройл, представяйки пси вълната като реално поле, свързано с частица. Привържениците на копенхагенската интерпретация на квантовата теория и дори някои от нейните противници не подкрепиха позицията на Бом, но тя допринесе за по-задълбочено разработване на концепцията на де Бройл: частицата започна да се разглежда като специална формация, която възниква и се движи в пси-полето, но запазва своята индивидуалност. Работите на P. Vigier и L. Janosi, които разработиха тази концепция, бяха оценени от много физици като твърде „класически“.
Във вътрешната философска литература от съветския период копенхагенската интерпретация на квантовата теория беше критикувана за нейния „ангажимент към позитивистки нагласи“ в тълкуването на процеса на познание. Редица автори обаче защитиха валидността на копенхагенската интерпретация на квантовата теория. Замяната на класическия идеал на научното познание с некласически беше придружена от разбирането, че наблюдателят, опитвайки се да изгради картина на обект, не може да бъде отвлечен от процедурата на измерване, т.е. изследователят не може да измери параметрите на обекта, който се изследва, както са били преди процедурата на измерване. В. Хайзенберг, Е. Шрьодингер и П. Дирак поставиха принципа на несигурността като основа на квантовата теория, в рамките на която частиците вече нямаха определен и независим импулс и координати. По този начин квантовата теория въвежда елемент на непредсказуемост и случайност в науката. И въпреки че Айнщайн не можеше да се съгласи с това, квантовата механика беше в съответствие с експеримента и следователно стана основа на много области на знанието.

Именно този постулат е експериментално доказан от физици в много лаборатории по света, колкото и странно да звучи.Сега може да звучи необичайно, но квантовата физика започна да доказва истината от древността: „Вашият живот е там, където е вашето внимание.“ По-специално това, че човек с вниманието си влияе върху околния материален свят, предопределя реалността, която възприема.

От самото си начало квантовата физика започва радикално да променя представата за микросвета и за човека, започвайки през втората половина на 19 век, с изявлението на Уилям Хамилтън за вълнообразната природа на светлината и продължавайки с напредналите открития на съвременните учени. Квантовата физика вече разполага с много доказателства, че микросветът „живее“ според напълно различни закони на физиката, че свойствата на наночастиците се различават от света, познат на хората, че елементарните частици взаимодействат с него по специален начин.
В средата на 20 век Клаус Дженсън получава интересен резултат по време на експерименти: по време на физически експерименти субатомните частици и фотоните реагират точно на човешкото внимание, което води до различни крайни резултати. Тоест, наночастиците реагираха на това, върху което изследователите фокусираха вниманието си в този момент. Всеки път този експеримент, превърнал се вече в класика, изненадва учените. Той е повтарян многократно в много лаборатории по света и всеки път резултатите от този експеримент са идентични, което потвърждава неговата научна стойност и достоверност.
И така, за този експеримент подгответе източник на светлина и екран (плоча, непроницаема за фотони), която има два процепа. Устройството, което е източник на светлина, "изстрелва" фотони в единични импулси.

Снимка 1.
Пред специалната фотохартия беше поставен специален екран с два процепа. Както се очакваше, върху фотографската хартия се появиха две вертикални ивици - следи от фотони, които осветяваха хартията, когато преминаваха през тези процепи. Естествено ходът на експеримента беше наблюдаван.

Снимка 2.
Когато изследователят включи устройството и излезе за известно време, връщайки се в лабораторията, той беше невероятно изненадан: върху фотографската хартия фотоните оставиха съвсем различно изображение - вместо две вертикални ивици, имаше много.

Снимка 3.
Как може да стане това? Следите, оставени върху хартията, бяха характерни за вълна, преминала през пукнатините. С други думи, наблюдава се модел на смущение.

Снимка 4.
Прост експеримент с фотони показа, че когато се наблюдава (в присъствието на детекторно устройство или наблюдател), вълната се превръща в състояние на частица и се държи като частица, но в отсъствието на наблюдател се държи като вълна. Оказа се, че ако не правите наблюдения в този експеримент, фотографската хартия показва следи от вълни, тоест се вижда интерференчен модел. Това физическо явление е наречено „Ефектът на наблюдателя“.

Описаният по-горе експеримент с частици се отнася и за въпроса „Има ли Бог?“ Защото, ако при зоркото внимание на Наблюдателя нещо, което има вълнова природа, може да остане в състояние на материя, реагирайки и променяйки свойствата си, тогава кой внимателно наблюдава цялата Вселена? Кой държи цялата материя в стабилно състояние със своето внимание, щом човек в своето възприятие има предположението, че може да живее в качествено различен свят (например в света на Бога), едва тогава той, човекът? , започва да променя своя вектор на развитие в тази страна и шансовете за оцеляване на това преживяване се увеличават многократно. Тоест, достатъчно е просто да допуснете възможността за такава реалност за себе си. Следователно, веднага щом човек приеме възможността да придобие такъв опит, той всъщност започва да го придобива. Това се потвърждава в книгата „АллатРа” на Анастасия Нових:

„Всичко зависи от самия Наблюдател: ако човек възприема себе си като частица (материален обект, живеещ според законите на материалния свят), той ще види и възприеме света на материята; ако човек възприема себе си като вълна (сетивни преживявания, разширено състояние на съзнанието), тогава той възприема света на Бога и започва да го разбира, да живее с него.”
В експеримента, описан по-горе, наблюдателят неизбежно влияе върху хода и резултатите от експеримента. Тоест възниква един много важен принцип: невъзможно е да се наблюдава, измерва и анализира система, без да се взаимодейства с нея. Там, където има взаимодействие, има промяна в свойствата.
Мъдреците казват, че Бог е навсякъде. Наблюденията на наночастиците потвърждават ли това твърдение? Тези експерименти не са ли потвърждение, че цялата материална Вселена взаимодейства с Него по същия начин, както например Наблюдателят взаимодейства с фотоните? Този опит не показва ли, че всичко, накъдето е насочено вниманието на Наблюдателя, е проникнато от него? Всъщност от гледна точка на квантовата физика и принципа на „Ефекта на наблюдателя“ това е неизбежно, тъй като по време на взаимодействие квантовата система губи първоначалните си характеристики, променяйки се под влиянието на по-голяма система. Тоест и двете системи, обменяйки взаимно енергия и информация, се модифицират взаимно.

Ако развием този въпрос по-нататък, излиза, че Наблюдателят предопределя реалността, в която след това живее. Това се проявява като следствие от неговия избор. В квантовата физика съществува концепцията за множество реалности, когато Наблюдателят се изправя пред хиляди възможни реалности, докато направи окончателния си избор, като по този начин избира само една от реалностите. И когато избира собствената си реалност за себе си, той се фокусира върху нея и тя се проявява за него (или той за нея?).
И отново, като вземем предвид факта, че човек живее в реалността, която сам поддържа с вниманието си, стигаме до същия въпрос: ако цялата материя във Вселената се крепи на вниманието, то Кой държи самата Вселена с вниманието си? Този постулат не доказва ли съществуването на Бог, Този, който може да съзерцава цялата картина?

Това не означава ли, че умът ни е пряко замесен в работата на материалния свят? Волфганг Паули, един от основателите на квантовата механика, веднъж каза: „ Законите на физиката и съзнанието трябва да се разглеждат като взаимно допълващи се" Може да се каже, че г-н Паули беше прав. Това вече е много близо до световното признание: материалният свят е илюзорно отражение на нашия ум и това, което виждаме с очите си, всъщност не е реалност. Тогава какво е реалността? Къде се намира и как мога да го намеря?
Все повече учени са склонни да вярват, че човешкото мислене също е подвластно на процесите на прословутите квантови ефекти. Да живееш в илюзия, начертана от ума, или да откриеш реалността за себе си - това всеки избира за себе си. Можем само да ви препоръчаме да прочетете цитираната по-горе книга АллатРа. Тази книга не само научно доказва съществуването на Бог, но също така дава подробни обяснения на всички съществуващи реалности, измерения и дори разкрива структурата на човешката енергийна структура. Можете да изтеглите тази книга напълно безплатно от нашия уебсайт, като щракнете върху цитата по-долу или като отидете в съответния раздел на сайта.

„Всеки, който не е бил шокиран, когато за първи път се е сблъскал с квантовата теория, вероятно просто не е разбрал.“ Нилс Бор

Предпоставките на квантовата теория са толкова зашеметяващи, че изглеждат по-скоро като научна фантастика.

Една частица от микросвета може да бъде на две или повече места едновременно!

(Един съвсем скорошен експеримент показа, че една от тези частици може да бъде на 3000 места едновременно!)

Един и същ „обект“ може да бъде както локализирана частица, така и енергийна вълна, разпространяваща се в пространството.

Айнщайн постулира, че нищо не може да пътува по-бързо от скоростта на светлината. Но квантовата физика е доказала: субатомните частици могат да обменят информация мигновено - разположени на всякакво разстояние една от друга.

Класическата физика беше детерминистична: при дадени начални условия, като местоположението и скоростта на даден обект, можем да изчислим къде ще отиде той. Квантовата физика е вероятностна: никога не можем да кажем с абсолютна сигурност как ще се държи обектът, който се изследва.

Класическата физика беше механистична. Основава се на предпоставката, че само като познаваме отделните части на даден обект, можем в крайна сметка да разберем какво представлява той.

Квантовата физика е холистична: тя рисува картина на Вселената като едно цяло, чиито части са взаимосвързани и си влияят.

И може би най-важното, квантовата физика унищожи идеята за фундаментална разлика между субект или обект, наблюдател и наблюдавано - която доминираше научните умове в продължение на 400 години!

Във физиката на кварта наблюдателят влияе върху наблюдавания обект. Няма изолирани наблюдатели на механичната Вселена – всичко участва в нейното съществуване.

ШОК №1 - ПРАЗНО ПРОСТРАНСТВО

Една от първите пукнатини в твърдата структура на Нютоновата физика беше направена от следното откритие: атомите са твърдите градивни елементи на физическата Вселена! - състоят се предимно от празно пространство. Колко празен? Ако увеличите ядрото на водороден атом до размера на баскетболна топка, единственият електрон, който обикаля около него, ще бъде на тридесет километра разстояние, без нищо между ядрото и електрона. Така че, докато се оглеждате, запомнете: реалността са най-малките точки на материята, заобиколени от празнота.

Това обаче не е съвсем вярно. Тази предполагаема „празнота“ всъщност не е празна: тя съдържа колосално количество невероятно мощна енергия. Знаем, че енергията става по-плътна, докато се придвижва към по-ниско ниво на материята (например ядрената енергия е милион пъти по-мощна от химическата енергия). Сега учените твърдят, че в един кубичен сантиметър празно пространство има повече енергия, отколкото в цялата материя в познатата вселена. Въпреки че учените не са успели да го измерят, те виждат резултатите от това море от енергия.

ШОК №2 – ЧАСТИЦА, ВЪЛНА ИЛИ ВЪЛНОВА ЧАСТИЦА?

Не само, че атомът е почти изцяло изграден от „пространство“, но когато учените го изследват по-задълбочено, те откриват, че субатомните (съставляващи атома) частици също не са твърди. И изглежда имат двойнствена природа. В зависимост от това как ги наблюдаваме, те могат да се държат или като твърди микротела, или като вълни.

Частиците са отделни твърди тела, които заемат определено положение в пространството. Но вълните нямат „тяло“; те не са локализирани и не се разпространяват в пространството.

Като вълна, електрон или фотон (частица светлина) няма точно местоположение, но съществува като „поле на вероятности“. В състояние на частица полето на вероятността се „свива“ (колабира) в твърд обект. Координатите му в четириизмерното пространство-време вече могат да бъдат определени.

Това е изненадващо, но състоянието на една частица (вълна или твърд обект) се определя чрез актове на наблюдение и измерване. Неизмерените и ненаблюдаеми електрони се държат като вълни. Веднага след като ги подложим на наблюдение по време на експеримента, те се „свиват“ в твърди частици и могат да бъдат записани в космоса.

Но как може нещо да бъде едновременно твърда частица и флуидна вълна? Може би парадоксът ще бъде разрешен, ако си спомним какво казахме наскоро: частиците се държат като вълни или като твърди обекти. Но понятията "вълна" и "частица" са само аналогии, взети от нашия ежедневен свят. Концепцията за вълна е въведена в квантовата теория от Ервин Шрьодингер. Той е автор на известното „вълново уравнение“, което математически обосновава съществуването на вълнови свойства в твърда частица преди акта на наблюдение. Някои физици – в опит да обяснят нещо, което никога не са срещали и не могат да разберат напълно – наричат ​​субатомните частици „вълнови частици“.

ШОК №3 – КВАНТОВИ СКОКОВЕ И ВЕРОЯТНОСТ

Докато изучават атома, учените откриват, че когато електроните, въртящи се около ядрото, се движат от орбита на орбита, те не се движат в пространството като обикновените обекти. Не, те изминават разстоянието моментално. Тоест изчезват на едно място и се появяват на друго. Това явление беше наречено квантов скок.

Освен това учените осъзнават, че не могат да определят точно къде в новата орбита ще се появи липсващият електрон или в кой момент ще направи скок. Най-много, което можеха да направят, беше да изчислят вероятността (на базата на вълновото уравнение на Шрьодингер) за новото местоположение на електрона.

„Реалността, такава каквато я преживяваме, се създава във всеки момент в съвкупността от безброй възможности“, казва д-р Сатиновер. „Но истинската тайна е, че във физическата Вселена няма нищо, което да определя коя възможност от тази съвкупност ще се сбъдне. Няма процес, който да установява това.“

По този начин квантовите скокове са единствените наистина случайни събития във Вселената.

ШОК №4 – ПРИНЦИПЪТ НА НЕСИГУРНОСТТА

В класическата физика всички параметри на даден обект, включително неговите пространствени координати и скорост, могат да бъдат измерени с точност, ограничена само от възможностите на експерименталните технологии. Но на квантово ниво, когато определяте една количествена характеристика на обект, като скоростта, не можете да получите точни стойности за другите му параметри, като координати. С други думи: ако знаете колко бързо се движи даден обект, не можете да знаете къде се намира. И обратното: ако знаете къде е, не можете да знаете колко бързо се движи.

Колкото и сложни да са експериментаторите, колкото и напреднали технологии за измерване да използват, те не са в състояние да погледнат зад това було.

Вернер Хайзенберг, един от пионерите на квантовата физика, формулира принципа на несигурността. Същността му е следната: колкото и да се опитвате, едновременно е невъзможно да получите точните стойности на координатите и скоростта на квантов обект. Колкото по-голяма точност постигаме при измерването на един параметър, толкова по-несигурен става другият.

ШОК №5 - НЕЛОКАЛНОСТ, EPR ПАРАДОКС И ТЕОРЕМА НА БЕЛ

Алберт Айнщайн не харесва квантовата физика. Оценявайки вероятностния характер на субатомните процеси, описани в квантовата физика, той каза: „Бог не играе на зарове с Вселената.“ Но Нилс Бор му отговори: „Спри да учиш Бог какво да прави!“

През 1935 г. Айнщайн и неговите колеги Подолски и Розен (EPR) се опитват да победят квантовата теория. Учените, базирайки се на принципите на квантовата механика, проведоха мисловен експеримент и стигнаха до парадоксално заключение. (Той трябваше да покаже непълноценността на квантовата теория). Същността на техните мисли е следната. Ако имаме две частици, които са се появили едновременно, това означава, че те са свързани помежду си или са в състояние на суперпозиция. Нека ги изпратим в различни краища на Вселената. След това променяме състоянието на една от частиците. След това, според квантовата теория, друга частица моментално стига до същото състояние. Мигновено! На другия край на Вселената!

Подобна идея беше толкова нелепа, че Айнщайн саркастично я нарече „свръхестествено действие от разстояние“. Според неговата теория на относителността нищо не може да пътува по-бързо от светлината. И в експеримента EPR се оказа, че скоростта на обмен на информация между частиците е безкрайна! В допълнение, самата идея, че един електрон може да „проследи“ състоянието на друг електрон на противоположния край на Вселената, напълно противоречи на общоприетите идеи за реалността и дори на здравия разум като цяло.

Но през 1964 г. ирландският теоретичен физик Джон Бел формулира и доказва теорема, от която следва: „нелепите“ заключения от мисловния експеримент EPR са верни!

Частиците са тясно свързани на ниво, което надхвърля времето и пространството. Следователно те са в състояние незабавно да обменят информация.

Идеята, че всеки обект във Вселената е локален – т.е. съществува на едно място (точка) в пространството - не е вярно. Всичко на този свят е неместно.

Въпреки това, това явление е валиден закон на Вселената. Шрьодингер каза, че връзката между обектите не е единственият интересен аспект на квантовата теория, но е най-важният. През 1975 г. теоретичният физик Хенри Стап нарече теоремата на Бел „най-значимото откритие на науката“. Имайте предвид, че той говореше за наука, не само за физика.

(Статията е подготвена въз основа на материалите на книгата на W. Arntz, B. Chace, M. Vicente „Заешката дупка, или какво знаем за себе си и Вселената?“, Глава „Квантова физика“.)

През 1935 г., когато квантовата механика и общата теория на относителността на Айнщайн бяха много млади, не толкова известният съветски физик Матвей Бронщайн, на 28-годишна възраст, направи първото подробно изследване на съвместяването на тези две теории в квантовата теория на земно притегляне. Тази „може би теория за целия свят“, както пише Бронщайн, би могла да измести класическото описание на гравитацията на Айнщайн, в което тя се разглежда като криви в пространствено-времевия континуум, и да го пренапише на квантов език, подобно на останалата част от физиката.

Бронщайн измисли как да опише гравитацията от гледна точка на квантувани частици, сега наречени гравитони, но само когато силата на гравитацията е слаба - тоест (в общата теория на относителността), когато пространство-времето е толкова леко извито, че по същество е плоско. Когато гравитацията е силна, "ситуацията е напълно различна", пише ученият. „Без дълбока ревизия на класическите концепции изглежда почти невъзможно да си представим квантова теория на гравитацията в тази област.“

Думите му бяха пророчески. Осемдесет и три години по-късно физиците все още се опитват да разберат как кривината на пространство-времето се проявява в макроскопични мащаби, произтичащи от по-фундаментална и вероятно квантова картина на гравитацията; Това е може би най-дълбокият въпрос във физиката. Може би, ако имаше шанс, светлият ум на Бронщайн щеше да ускори процеса на това търсене. В допълнение към квантовата гравитация, той също има принос към астрофизиката и космологията, теорията на полупроводниците, квантовата електродинамика и написва няколко книги за деца. През 1938 г. попада под репресиите на Сталин и е екзекутиран на 31-годишна възраст.

Търсенето на пълна теория за квантовата гравитация се усложнява от факта, че квантовите свойства на гравитацията никога не се проявяват в реалния опит. Физиците не виждат как описанието на Айнщайн за плавен пространствено-времеви континуум или квантовата му апроксимация на Бронщайн в леко извито състояние е нарушено.

Проблемът е в изключителната слабост на гравитационната сила. Докато квантуваните частици, които предават силни, слаби и електромагнитни сили, са толкова силни, че здраво свързват материята в атоми и могат да бъдат изследвани буквално под лупа, отделните гравитони са толкова слаби, че лабораториите нямат шанс да ги открият. За да има голяма вероятност да улови гравитон, детекторът на частици трябва да е толкова голям и масивен, че да се срути в черна дупка. Тази слабост обяснява защо са необходими астрономически натрупвания на маса, за да се повлияе на други масивни тела чрез гравитацията и защо виждаме гравитационни ефекти в огромни мащаби.

Това не е всичко Вселената изглежда е обект на някакъв вид космическа цензура: региони със силна гравитация - където кривите на пространство-времето са толкова остри, че уравненията на Айнщайн се разпадат и квантовата природа на гравитацията и пространство-времето трябва да бъде разкрита - винаги дебнат зад хоризонтите на черните дупки.

„Дори преди няколко години имаше общ консенсус, че най-вероятно е невъзможно да се измери квантуването на гравитационното поле по някакъв начин“, казва Игор Пиковски, теоретичен физик от Харвардския университет.

Сега няколко скорошни статии, публикувани в Physical Review Letters, промениха това. Тези документи правят твърдението, че може да е възможно да се стигне до квантовата гравитация - дори без да се знае нищо за нея. Докладите, написани от Sugato Bose от University College London и Chiara Marletto и Vlatko Vedral от University of Oxford, предлагат технически предизвикателен, но осъществим експеримент, който може да потвърди, че гравитацията е квантова сила като всички останали, без да се изисква откриването на гравитон . Майлс Бленкоу, квантов физик в Дартмутския колеж, който не е участвал в тази работа, казва, че подобен експеримент може да разкрие ясна следа от невидима квантова гравитация - "усмивката на Чеширската котка".

Предложеният експеримент ще определи дали два обекта - групата на Bose планира да използва чифт микродиаманти - могат да станат квантово механично заплетени един с друг чрез взаимно гравитационно привличане. Заплитането е квантов феномен, при който частиците се преплитат неразривно, споделяйки едно физическо описание, което определя техните възможни комбинирани състояния. (Съвместното съществуване на различни възможни състояния се нарича "суперпозиция" и дефинира квантова система.) Например, двойка заплетени частици може да съществува в суперпозиция, в която частица A има 50% вероятност да се върти отдолу нагоре, а частица B ще се върти отгоре надолу и с 50% вероятност обратното. Никой не знае предварително какъв резултат ще получите, когато измервате посоката на въртене на частиците, но можете да сте сигурни, че ще бъде същото за тях.

Авторите твърдят, че двата обекта в предложения експеримент могат да се заплитат по този начин само ако силата, действаща между тях - в този случай гравитацията - е квантово взаимодействие, медиирано от гравитони, което може да поддържа квантови суперпозиции. „Ако експериментът се проведе и се получи заплитане, според работата можем да заключим, че гравитацията е квантована“, обясни Бленкоу.

Объркайте диаманта

Квантовата гравитация е толкова фина, че някои учени се съмняват в нейното съществуване. Известният математик и физик Фрийман Дайсън, на 94 години, твърди от 2001 г., че Вселената може да поддържа един вид „дуалистично“ описание, в което „гравитационното поле, описано от общата теория на относителността на Айнщайн, би било чисто класическо поле без каквото и да е квантово поведение“. , докато цялата материя в този гладък пространствено-времеви континуум ще бъде квантована от частици, които се подчиняват на правилата на вероятността.

Дайсън, който помогна за разработването на квантовата електродинамика (теорията за взаимодействията между материя и светлина) и е почетен професор в Института за напреднали изследвания в Принстън, Ню Джърси, не вярва, че квантовата гравитация е необходима, за да опише недостижимите вътрешности на черните дупки . Освен това той смята, че откриването на хипотетичен гравитон може да е невъзможно по принцип. В този случай, казва той, квантовата гравитация би била метафизична, а не физическа.

Той не е единственият скептик. Известният английски физик сър Роджър Пенроуз и унгарският учен Лайош Диози независимо предложиха, че пространство-времето не може да поддържа суперпозиции. Те вярват, че неговата гладка, твърда, фундаментално класическа природа не му позволява да се огъва в два възможни пътя едновременно - и именно тази твърдост води до колапс на суперпозиции на квантови системи като електрони и фотони. „Гравитационната декохерентност“, според тях, позволява възникването на една единствена, солидна, класическа реалност, която може да се усети в макроскопичен мащаб.

Способността да се намери „усмивката“ на квантовата гравитация изглежда опровергава аргумента на Дайсън. Той също така убива теорията за гравитационната декохерентност, като показва, че гравитацията и пространство-времето всъщност поддържат квантови суперпозиции.

Предложенията на Bose и Marletto се появяват едновременно и напълно случайно, въпреки че експертите отбелязват, че отразяват духа на времето. Експериментални лаборатории по квантова физика по целия свят поставят все по-големи микроскопични обекти в квантови суперпозиции и оптимизират протоколи за тестване на заплитането на две квантови системи. Предложеният експеримент ще трябва да комбинира тези процедури, като същевременно изисква допълнителни подобрения в мащаба и чувствителността; може би ще отнеме десет години. „Но няма физическа задънена улица“, казва Пиковски, който също изследва как лабораторните експерименти могат да изследват гравитационните явления. „Мисля, че е трудно, но не и невъзможно.“

Този план е описан по-подробно в работата на Bose et al – единадесетте експерти на Ocean за различни етапи на предложението. Например, в лабораторията си в Университета на Уоруик, съавторът Гавин Морли работи върху първата стъпка, опитвайки се да постави микродиамант в квантова суперпозиция на две места. За да направи това, той ще ограничи азотен атом в микродиаманта до празно място в структурата на диаманта (така наречения NV център или заместено с азот празно място в диаманта) и ще го зареди с микровълнов импулс. Електрон, въртящ се около NV центъра, едновременно абсорбира светлина и не я абсорбира и системата преминава в квантова суперпозиция на две посоки на въртене - нагоре и надолу - като връх, който се върти по часовниковата стрелка с определена вероятност и обратно на часовниковата стрелка с определена вероятност. Микродиамант, зареден с това суперпозиционно въртене, е подложен на магнитно поле, което кара горното въртене да се премести наляво, а долното въртене да се премести надясно. Самият диамант се разделя на суперпозиция от две траектории.

В пълен експеримент учените биха направили всичко това с два диаманта - червен и син, например - поставени един до друг в ултрастуден вакуум. Когато капанът, който ги държи, е изключен, двата микродиаманта, всеки в суперпозиция от две позиции, ще паднат вертикално във вакуум. Докато диамантите падат, те ще усетят гравитацията на всеки от тях. Колко силно ще бъде тяхното гравитационно привличане?

Ако гравитацията е квантова сила, отговорът е: зависи. Всеки компонент от суперпозицията на синия диамант ще изпитва по-силно или по-слабо привличане към червения диамант, в зависимост от това дали последният е в клон на суперпозицията, който е по-близо или по-далеч. А гравитацията, която всеки компонент от суперпозицията на червения диамант ще почувства, зависи по същия начин от състоянието на синия диамант.

Във всеки случай различни степени на гравитационно привличане действат върху развиващите се компоненти на диамантените суперпозиции. Двата диаманта стават взаимозависими, защото техните състояния могат да бъдат определени само в комбинация - ако това означава това - така че в крайна сметка посоките на въртене на двете системи от NV центрове ще корелират.

След като микродиамантите паднат един до друг за три секунди - достатъчно дълго, за да се оплетут в гравитацията - те ще преминат през друго магнитно поле, което ще събере клоните на всяка суперпозиция отново заедно. Последната стъпка от експеримента е протоколът за свидетел на заплитане, разработен от датския физик Барбара Терал и други: сини и червени диаманти влизат в различни устройства, които измерват посоките на въртене на NV централните системи. (Измерването кара суперпозициите да се свиват в определени състояния.) След това двата резултата се сравняват. Чрез извършване на експеримента отново и отново и сравняване на много двойки измервания на въртене, учените могат да определят дали завъртанията на две квантови системи действително корелират по-често от горната граница за обекти, които не са квантово механично заплетени. Ако е така, гравитацията всъщност заплита диамантите и може да поддържа суперпозиции.

„Интересното в този експеримент е, че не е нужно да знаете какво е квантовата теория“, казва Бленкоу. „Всичко, което е необходимо, е да се каже, че има някакъв квантов аспект на този регион, който се медиира от силата между две частици.“

Има много технически трудности. Най-големият обект, който беше поставен в суперпозиция на две места преди това, беше молекула от 800 атома. Всеки микродиамант съдържа повече от 100 милиарда въглеродни атома - достатъчно, за да акумулира забележима гравитационна сила. Разопаковането на неговата квантово-механична природа ще изисква ниски температури, дълбоки вакууми и прецизен контрол. „Това е много работа, за да стартирате и стартирате първоначалната суперпозиция“, казва Питър Баркър, част от експерименталния екип, който усъвършенства техниките за лазерно охлаждане и улавяне на микродиаманти. Ако това можеше да се направи с един диамант, добавя Боуз, „вторият не би бил проблем“.

Какво е уникалното на гравитацията?

Изследователите на квантовата гравитация не се съмняват, че гравитацията е квантово взаимодействие, което може да причини заплитане. Разбира се, гравитацията е донякъде уникална и има още много да се учи за произхода на пространството и времето, но квантовата механика определено трябва да бъде включена, казват учените. „Наистина, какъв е смисълът от теория, в която по-голямата част от физиката е квантова, а гравитацията е класическа“, казва Даниел Харлоу, изследовател на квантовата гравитация в MIT. Теоретичните аргументи срещу смесените квантово-класически модели са много силни (макар и не убедителни).

От друга страна, теоретиците са грешали и преди. „Ако можете да го проверите, защо не? Ако това затвори устата на тези хора, които поставят под въпрос квантовата природа на гравитацията, това би било чудесно“, казва Харлоу.

След като прочете документите, Дайсън написа: „Предложеният експеримент със сигурност е от голям интерес и трябва да се проведе в условията на реална квантова система.“ Той обаче отбелязва, че мислите на авторите за квантовите полета се различават от неговите. „Не ми е ясно дали този експеримент може да разреши въпроса за съществуването на квантовата гравитация. Въпросът, който зададох - дали се наблюдава един гравитон - е различен въпрос и може да има различен отговор.

Мисълта на Bose, Marletto и техните колеги относно квантуваната гравитация произтича от работата на Бронщайн още през 1935 г. (Дайсън нарече работата на Бронщайн „красива творба“, която не беше виждал преди). По-специално, Бронщайн показа, че слабата гравитация, генерирана от ниска маса, може да се приближи от закона на гравитацията на Нютон. (Това е силата, която действа между суперпозиции на микродиаманти). Според Бленкоу изчисленията на слабата квантована гравитация не са били особено извършвани, въпреки че със сигурност са по-уместни от физиката на черните дупки или Големия взрив. Той се надява, че новото експериментално предложение ще насърчи теоретиците да търсят фини уточнения на приближението на Нютон, което бъдещи настолни експерименти биха могли да се опитат да тестват.

Леонард Съскинд, известен теоретик на квантовата гравитация и струнната теория в Станфордския университет, видя стойността на предложения експеримент, защото „той осигурява наблюдения на гравитацията в нов диапазон от маси и разстояния“. Но той и други изследователи подчертаха, че микродиамантите не могат да разкрият нищо за пълната теория за квантовата гравитация или пространство-времето. Той и колегите му биха искали да разберат какво се случва в центъра на черна дупка и в момента на Големия взрив.

Може би една улика защо квантуването на гравитацията е толкова по-трудно от всичко друго е, че другите природни сили имат това, което се нарича „локалност“: квантовите частици в една област на полето (фотони в електромагнитно поле, например) са „независими от други физически обекти в друг регион на пространството", казва Марк ван Рамсдонк, теоретик на квантовата гравитация в Университета на Британска Колумбия. „Но има много теоретични доказателства, че гравитацията не работи по този начин.“

В най-добрите пясъчни модели на квантовата гравитация (с опростени пространствено-времеви геометрии) е невъзможно да се предположи, че лентата от пространствено-времевата тъкан е разделена на независими триизмерни части, казва ван Раамсдонк. Вместо това съвременната теория предполага, че основните, фундаментални компоненти на пространството са „организирани по-скоро по двуизмерен начин“. Тъканта на пространство-времето може да бъде като холограма или видео игра. „Въпреки че картината е триизмерна, информацията се съхранява на двуизмерен компютърен чип.“ В този случай триизмерният свят би бил илюзия в смисъл, че различните му части не са толкова независими. В аналогия с видеоигри, няколко бита на двуизмерен чип могат да кодират глобални функции на цялата вселена на играта.

И тази разлика има значение, когато се опитвате да създадете квантова теория на гравитацията. Обичайният подход за квантуване на нещо е да се идентифицират неговите независими части - частици, например - и след това да се приложи квантовата механика към тях. Но ако не дефинирате правилните компоненти, в крайна сметка ще получите грешни уравнения. Директното квантуване на триизмерното пространство, което Бронщайн искаше да направи, работи до известна степен със слаба гравитация, но се оказва безполезно, когато пространство-времето е силно извито.

Някои експерти казват, че наблюдаването на „усмивката“ на квантовата гравитация може да доведе до мотивация за този вид абстрактни разсъждения. В крайна сметка дори най-шумните теоретични аргументи за съществуването на квантовата гравитация не са подкрепени от експериментални факти. Когато ван Рамсдонк обяснява своето изследване на научен колоквиум, той казва, че обикновено започва с история за това как гравитацията трябва да бъде преосмислена с квантовата механика, защото класическото описание на пространство-времето се разпада с черните дупки и Големия взрив.

„Но ако направите този прост експеримент и покажете, че гравитационното поле е в суперпозиция, провалът на класическото описание става очевиден. Защото ще има експеримент, който предполага, че гравитацията е квантова.

По материали на списание Quanta

Цели на урока:

Образователни: да формират у учениците представа за фотоелектричния ефект и да изучават неговите закони, на които се подчинява; тествайте законите на фотоелектричния ефект с помощта на виртуален експеримент.

Развитие: развийте логическото мислене.

Образователни: насърчаване на общителност (способност за общуване), внимание, активност, чувство за отговорност, внушаване на интерес към предмета.

По време на часовете

I. Организационен момент.

– Темата на днешния урок е „Фото ефект“.

Когато разглеждаме тази интересна тема, ние продължаваме да изучаваме раздела „Квантова физика“, ще се опитаме да разберем какъв ефект има светлината върху материята и от какво зависи този ефект. Но първо ще прегледаме материала, разгледан в последния урок, без който ще бъде трудно да разберем тънкостите на фотоефекта. В последния урок разгледахме хипотезата на Планк.

Какво е минималното количество енергия, което една система може да излъчва и абсорбира? (квантово)

Кой пръв въвежда понятието „енергиен квант“ в науката? (М. Планк)

Обяснение на каква експериментална зависимост е допринесла за появата на квантовата физика? (закон за излъчване на нагрети твърди тела)

Какъв цвят виждаме в напълно черно тяло? (всеки цвят в зависимост от температурата)

III. Учене на нов материал

В началото на 20 век се ражда квантовата теория – теорията за движението и взаимодействието на елементарните частици и системите, състоящи се от тях.

За да обясни законите на топлинното излъчване, М. Планк предположи, че атомите излъчват електромагнитна енергия не непрекъснато, а на отделни порции - кванти. Енергията на всяка такава порция се определя по формулата д = ч, Където
-константа на Планк; v е честотата на светлинната вълна.

Друго потвърждение за правилността на квантовата теория е обяснението на Алберт Айнщайн през 1905 г. явление фотоелектричен ефект

Фото ефект– явлението изхвърляне на електрони от твърди и течни вещества под въздействието на светлина.

Видове ФОТО ЕФЕКТ:

1. Външният фотоелектричен ефект е излъчването на електрони от вещество под въздействието на електромагнитно излъчване. Външният фотоелектричен ефект се наблюдава в твърди тела, а също и в газове.

2. Вътрешен фотоелектричен ефект е електромагнитното излъчване, причиняващо прехода на електрони вътре в проводник или диелектрик от свързани състояния към свободни, без да излизат навън.

3. Клапанен фотоефект - поява на фото - е.д.с. при осветяване на контакта на два различни полупроводника или на полупроводник и метал.

Фотоелектричен ефекте открит през 1887 г. от немски физик Г. Херци през 1888–1890 г. е експериментално изследван от А. Г. Столетов. Най-пълното изследване на феномена на фотоелектричния ефект е извършено от Ф. Ленард през 1900 г. По това време електронът вече е бил открит (1897 г., Дж. Томсън), и стана ясно, че фотоелектричният ефект (или по-точно външният фотоефект) се състои в изхвърляне на електрони от вещество под въздействието на падаща върху него светлина.

Изследване на фотоелектричния ефект.

Първите експерименти върху фотоелектричния ефект са започнати от Столетов още през февруари 1888 г.

При експериментите е използвана стъклена вакуумна бутилка с два метални електрода, чиято повърхност е старателно почистена. Към електродите беше приложено известно напрежение U, чиято полярност може да се променя с двоен ключ. Един от електродите (катод К) беше осветен през кварцов прозорец с монохроматична светлина с определена дължина на вълната. При постоянен светлинен поток е взета зависимостта на силата на фототока азот приложеното напрежение.

Закони на фотоелектричния ефект

Фототокът на насищане е право пропорционален на падащия светлинен поток.

максималната кинетична енергия на фотоелектроните нараства линейно с честотата на светлината и не зависи от нейния интензитет.

За всяко вещество има минимална зададена честота, наречена червена граница на фотоелектричния ефект, под която фотоелектричният ефект е невъзможен.

Според хипотезата на М. Планк, електромагнитната вълна се състои от отделни фотони и излъчването възниква прекъснато - в кванти, фотони. По този начин поглъщането на светлина също трябва да се извършва прекъснато - фотоните предават енергията си на атомите и молекулите на цялото вещество.

– Уравнението на Айнщайн за фотоелектричния ефект

mv 2 /2 = eU 0 – максимална стойност на кинетичната енергия на фотоелектрона;

– минималната честота на светлината, при която е възможен фотоелектричният ефект;

V max = hc/ Aout – максимална честота на светлината, при която е възможен фотоефектът

- червена граница на фото ефект

- импулс на фотона

Беседа с уточняване на термини и понятия.

Явлението вещество да излъчва електрони под въздействието на светлината се нарича...

Броят на електроните, излъчени от светлината от повърхността на веществото за 1 s, е право пропорционален на...

Кинетичната енергия на фотоелектроните нараства линейно с ... и не зависи от ...

За всяко вещество има минимална честота на светлината, при която фотоелектричният ефект все още е възможен. Тази честота се нарича...

Работата, която трябва да се извърши, за да се отстранят електроните от повърхността на дадено вещество, се нарича...

Уравнението на Айнщайн за фотоелектричния ефект (формулировка)…

IV. Затвърдяване и обобщаване на знанията.

Задача 1. Каква е най-ниската честота на светлината, при която все още се наблюдава фотоелектричният ефект, ако работата на изход на електрон от метала е 3,3 * 10 -19 J?

Задача 2. Определете енергията, масата и импулса на фотона, съответстващи на най-дългите и най-късите вълни от видимия спектър?

Решение:

Проблем 3. Намерете прага на фотоелектричния ефект за калия, ако работната функция A = 1,32 EV?

Решение:

В уравнението на Айнщайн

С помощта на записаните формули решете следните задачи сам по себе си.

Работната работа за материала на плочата е 4 eV. Плочата е осветена с монохроматична светлина. Каква е енергията на фотоните на падащата светлина, ако максималната кинетична енергия на фотоелектроните е 2,5 eV?

Никелова плоча е изложена на електромагнитно лъчение с фотонна енергия 8 eV. В този случай в резултат на фотоелектричния ефект от плочата се излъчват електрони с максимална енергия 3 eV. Каква е работата на електроните от никел?

Поток от фотони с енергия 12 eV избива фотоелектрони от метала, чиято максимална кинетична енергия е 2 пъти по-малка от работната функция. Определете работната работа за дадения метал.

Работната работа на електрон от метал. Намерете максималната дължина на вълната на радиация, която може да изхвърли електрони.

Определете работата на изхода на електроните от метала, ако червената граница на фотоелектричния ефект е 0,255 µm.

За някои метали червената граница на фотоелектричния ефект е светлина с честота . Определете кинетичната енергия, която електроните ще придобият под въздействието на излъчване с дължина на вълната

Подгответе презентация на тема „Приложение на фотоелектричния ефект“