Урок-лекция Зарождение квантовой физики. Фотоэффект
Зарождение квантовой теории. Фотоэффект.
Цели урока:
1. Рассмотреть явление фотоэффекта и изучить его законы
2. Развивать логику, возможность работать в парах; учить моделировать процессы на компьютере.
3. Развивать познавательную активность школьников с помощью исторического материала.
Оборудование к уроку: интерактивная доска, компьютеры на ученических столах, проектор, колонки, комплект ЦОР s ch oo l - collection . edu . ru
Ход урока:
1. Предпосылки создания квантовой теории. (Рассказ учителя)
В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:
1. Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения.
2. Разработана МКТ.
3. Подвед ен прочный фундамент под термодинамику.
4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма.
5. Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда).
В конце XIX -- начале XX в. открыты В. Рентгеном — X - лучи (рентгеновские лучи), А. Беккерелем — явление радиоактивности, Дж. Томсоном — электрон. Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.
Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.
Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела , т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн.
Примером абсолютно черного тела по излучающей способности может быть Солнце, по поглощающей - полость с зеркальными стенками с маленьким отверстием.
Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого теоретического вывода закона распределения энергии. Закон приводил к хорошему совпадению с опытами в области малых частот. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории с результатами эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы.
Законы электромагнетизма, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой распределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела. При удалении от этого значения интенсивность электромагнитного излучения плавно убывает.
Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами . Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:
Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться со временная физическая теория, называемая квантовой физикой .
2 . Понятие фотоэффекта
В развитии квантовой теории важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г.Герцем и тщательно исследовано русским физиком А.Г.Столетовым. Явление это получило название фотоэффекта.
Просматривается видеоролик, после которого учащиеся дают определение фотоэффекту.
В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.
1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффекта не происходит.
Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке.
3. Теория фотоэффекта.
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. Эта энергия идет на совершение работы выхода и на сообщение электрону кинетической энергии.
hν=Aвых+mv22">
hν - энергия фотона, которая идет на работу выхода А электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии.
Работа выхода - минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из вещества.
За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.
Квантовая теория дает следующие объяснения законам фотоэффекта.
При увеличении интенсивности монохроматического излучения растет число поглощенных металлом квантов, а, следовательно, и число вылетающих из него электронов, поэтому фототок прямо пропорционален интенсивности излучения (1 закон).
Квантовая гравитация настолько незаметна, что некоторые ученые усомнились в ее существовании. Известный математик и физик Фримен Дайсон, которому 94 года, с 2001 года утверждает, что вселенная может поддерживать своего рода “дуалистическое” описание, в котором «гравитационное поле, описанное общей теорией относительности Эйнштейна, будет сугубо классическим полем без какого-либо квантового поведения», при этом все вещество в этом гладком пространственно-временном континууме будет квантоваться частицами, которые подчиняются правилам вероятности.
Дайсон, который помогал разрабатывать квантовую электродинамику (теорию взаимодействий между материей и светом) и является почетным профессором Института передовых исследований в Принстоне, Нью-Джерси, не считает, что квантовая гравитация необходима для описания недостижимых недр черных дыр. И он также считает, что обнаружение гипотетического гравитона может быть невозможным в принципе. В таком случае, говорит он, квантовая гравитация будет метафизической, а не физической.
Он не единственный скептик. Известный английский физик сэр Роджер Пенроуз и венгерский ученый Ладжос Диоси независимо предполагали, что пространство-время не может поддерживать суперпозиции. Они считают, что его гладкая, твердая, фундаментально классическая природа препятствует искривлению на два возможных пути одновременно - и именно эта жесткость приводит к коллапсу суперпозиций квантовых систем вроде электронов и фотонов. “Гравитационная декогеренция”, по их мнению, позволяет случиться единой, твердой, классической реальности, которую можно ощущать в макроскопических масштабах.
Возможность найти “улыбку” квантовой гравитации, казалось бы, опровергает аргумент Дайсона. Также она убивает теорию гравитационной декогеренции, показывая, что гравитация и пространство-время действительно поддерживают квантовые суперпозиции.
Предложения Бозе и Марлетто появились одновременно и абсолютно случайно, хотя эксперты отмечают, что они отражают дух времени. Экспериментальные лаборатории квантовой физики по всему миру ставят все более крупные микроскопические объекты в квантовые суперпозиции и оптимизируют протоколы испытаний запутанности двух квантовых систем. Предложенный эксперимент должен будет объединить эти процедуры, требуя при этом дальнейшего улучшения масштаба и чувствительности; возможно, на это уйдет лет десять. «Но физического тупика нет», говорит Пиковский, который также исследует, как лабораторные эксперименты могли бы зондировать гравитационные явления. «Думаю, это сложно, но не невозможно».
Этот план более подробно изложен в работе Бозе и соавторов - одиннадцать экспертов Оушена для разных этапов предложения. Например, в своей лаборатории в Университете Уорика один из соавторов Гэвин Морли работает над первым этапом, пытаясь поместить микроалмаз в квантовую суперпозицию в двух местах. Для этого он заключит атом азота в микроалмазе, рядом с вакансией в структуре алмаза (так называемый NV-центр, или азото-замещенная вакансия в алмазе), и зарядит его микроволновым импульсом. Электрон, вращающийся вокруг NV-центра, одновременно и поглощает свет, и нет, а система переходит в квантовую суперпозицию двух направлений спина - вверх и вниз - подобно волчку, который с определенной вероятностью вращается по часовой стрелке и с определенной - против. Микроалмаз, загруженный этим спином суперпозиции, подвергается воздействию магнитного поля, которое заставляет верхний спин двигаться влево, а нижний - вправо. Сам алмаз расщепляется на суперпозицию двух траекторий.
В полном эксперименте ученые должны сделать все это с двумя алмазами - красным и синим, допустим - расположенными рядом в сверххолодном вакууме. Когда ловушка, удерживающая их, отключится, два микроалмаза, каждый в суперпозиции двух положений, будут падать вертикально в вакууме. По мере падения алмазы будут ощущать гравитацию каждого из них. Насколько сильным будет их гравитационное притяжение?
Если гравитация является квантовым взаимодействием, ответ таков: в зависимости от чего. Каждый компонент суперпозиции синего алмаза будет испытывать более сильное или более слабое притяжение к красному алмазу, в зависимости от того, находится ли последний в ветви суперпозиции, которая ближе или дальше. И гравитация, которую будет ощущать каждый компонент суперпозиции красного алмаза, точно так же зависит от состояния синего алмаза.
В каждом из случаев различные степени гравитационного притяжения воздействуют на эволюционирующие компоненты суперпозиций алмазов. Два алмаза становятся взаимозависимыми, потому что их состояния можно будет определить только в сочетании - если это, значит то - поэтому, в конечном итоге, направления спинов двух систем NV-центров будут коррелировать.
После того как микроалмазы будут падать бок о бок в течение трех секунд, - этого достаточно, чтобы запутаться в гравитациях, - они пройдут через другое магнитное поле, которое снова совместит ветви каждой суперпозиции. Последний шаг эксперимента - протокол «запутанного знания» (entanglement witness), разработанный датским физиком Барбарой Терал и другими: синий и красный алмазы входят в разные устройства, которые измеряют направления спина систем NV-центров. (Измерение приводит к коллапсу суперпозиций в определенные состояния). Затем два результата сопоставляются. Проводя эксперимент снова и снова и сравнивая множество пар измерений спина, ученые могут определить, действительно ли спины двух квантовых систем коррелировали между собой чаще, чем определяет верхний предел для объектов, которые не являются квантово-механически запутанными. Если так, гравитация действительно запутывает алмазы и может поддерживать суперпозиции.
«Что интересно в этом эксперименте, так это то, что вам не нужно знать, что такое квантовая теория», говорит Бленкоу. «Все, что нужно, это утверждать, что есть некий квантовый аспект в этой области, который опосредован силой между двумя частицами».
Технических трудностей - масса. Самый большой объект, который помещали в суперпозицию в двух местах до этого, представлял собой 800-атомную молекулу. Каждый микроалмаз содержит более 100 миллиардов атомов углерода - этого достаточно, чтобы накопить ощутимую гравитационную силу. Распаковка его квантово-механического характера потребует низких температур, глубокого вакуума и точного контроля. «Очень много работы состоит в настройке изначальной суперпозиции и запуске», говорит Питер Баркер, член экспериментальной команды, которая усовершенствует методы лазерного охлаждения и поимки микроалмазов. Если бы это можно было сделать с одним алмазом, добавляет Бозе, «второй не составит проблемы».
В чем уникальность гравитации?
Исследователи квантовой гравитации не сомневаются в том, что гравитация - это квантовое взаимодействие, способное вызывать запутанность. Конечно, гравитация в чем-то уникальна, и еще многое предстоит узнать о происхождении пространства и времени, но квантовая механика точно должна быть вовлечена, говорят ученые. «Ну правда, какой смысл в теории, в которой большая часть физики квантовая, а гравитация классическая», говорит Дэниел Харлоу, исследователь квантовой гравитации в MIT. Теоретические аргументы против смешанных квантово-классических моделей очень сильные (хотя и не неоспоримые).
С другой стороны, теоретики ошибались и прежде. «Если можно проверить, почему нет? Если это заткнет этих людей, которые ставят под вопрос квантовость гравитации, будет здорово», считает Харлоу.
Прочитав работы, Дайсон написал: «Предлагаемый эксперимент безусловно представляет большой интерес и требует проведения в условиях настоящей квантовой системы». Однако он отмечает, что направление мысли авторов о квантовых полях отличаются от его. «Мне непонятно, сможет ли этот эксперимент разрешить вопрос существования квантовой гравитации. Вопрос, который я задавал - наблюдаем ли отдельный гравитон - это другой вопрос, и он может иметь другой ответ».
Направление мысли Бозе, Марлетто и их коллег о квантованной гравитации проистекает из работ Бронштейна еще в 1935 году. (Дайсон назвал работу Бронштейна «прекрасной работой», которую он не видел прежде). В частности, Бронштейн показал, что слабая гравитация, рождаемая малой массой, может быть аппроксимирована законом тяготения Ньютона. (Это сила, которая действует между суперпозициями микроалмазов). По мнению Бленкоу, расчеты слабой квантованной гравитации особо не проводились, хотя безусловно являются более релевантными, чем физика черных дыр или Большого Взрыва. Он надеется, что новое экспериментальное предложение побудит теоретиков на поиск тонких уточнений к ньютоновскому приближению, которое будущие настольные эксперименты могли бы попробовать проверить.
Леонард Сасскинд, известный теоретик квантовой гравитации и струн в Стэнфордском университете, увидел ценность предлагаемого эксперимента, потому что «он обеспечивает наблюдения гравитации в новом диапазоне масс и расстояний». Но он и другие исследователи подчеркнули, что микроалмазы не могут выявить ничего о полной теории квантовой гравитации или пространства-времени. Он и его коллеги хотели бы понять, что происходит в центре черной дыры и в момент Большого Взрыва.
Возможно, одна из подсказок к тому, почему квантовать гравитацию настолько тяжелее, чем все остальное, лежит в том, что другие силы природы обладают так называемой “локальностью”: квантовые частицы в одной области поля (фотоны в электромагнитном поле, например) «независимы от других физических сущностей в другой области пространства», говорит Марк ван Раамсдонк, теоретик квантовой гравитации из Университета Британской Колумбии. «Но есть много теоретических доказательств того, что гравитация работает не так».
В лучших песочных моделях квантовой гравитации (с упрощенными пространственно-временными геометриями) невозможно предположить, что ленточная пространственно-временная ткань делится на независимые трехмерные кусочки, говорит ван Раамсдонк. Вместо этого современная теория предполагает, что нижележащие, фундаментальные составляющие пространства «организованы скорее двумерно». Ткань пространства-времени может быть как голограмма или видеоигра. «Хотя картинка трехмерна, информация хранится на двумерном компьютерном чипе». В таком случае трехмерный мир будет иллюзей в том смысле, что различные его части не являются настолько независимыми. В аналогии с видеоигрой, несколько битов на двумерном чипе могут кодировать глобальные функции всей игровой вселенной.
И эта разница имеет значение, когда вы пытаетесь создать квантовую теорию гравитацию. Обычный подход к квантованию чего-либо заключается в определении его независимых частей - частиц, например, - и затем применении к ним квантовой механики. Но если вы не определяете правильные составляющие, вы получаете неправильные уравнения. Прямое квантование трехмерного пространства, которое хотел сделать Бронштейн, работает в некоторой мере со слабой гравитацией, но оказывается бесполезным, когда пространство-время сильно искривлено.
Некоторые эксперты говорят, что засвидетельствование “улыбки” квантовой гравитации может привести к мотивации подобного рода абстрактных рассуждений. В конце концов, даже самые громкие теоретические аргументы о существовании квантовой гравитации не подкрепляются экспериментальными фактами. Когда ван Раамсдонк объясняет свои исследования на коллоквиуме ученых, говорит он, обычно все начинается с рассказа о том, что гравитацию нужно переосмыслить с квантовой механикой, потому что классическое описание пространства-времени ломается на черных дырах и Большом Взрыве.
«Но если провести этот простой эксперимент и показать, что гравитационное поле было в суперпозиции, провал классического описания станет очевидным. Потому что будет эксперимент, который подразумевает, что гравитация - квантовая».
По материалам Quanta Magazine
Цели урока:
Образовательные: сформировать у учащихся представление о фотоэффекте и изучить его законы, которым он подчиняется; проверить законы фотоэффекта с помощью виртуального эксперимента.
Развивающие: развивать логическое мышление.
Воспитательные: воспитание коммуникабельности (умения общаться), внимания, активности, чувство ответственности, привитие интереса к предмету.
Ход урока
I. Организационный момент.
– Тема сегодняшнего урока “Фотоэффект”.
При рассмотрении этой интересной темы мы продолжаем изучать раздел “Квантовая физика”, постараемся выяснить какое действие оказывает свет на вещество и от чего зависит это действие. Но сначала мы повторим материал, пройденный на прошлом уроке, без которого сложно разобраться в тонкостях фотоэффекта. На прошлом уроке мы рассмотрели гипотезу Планка.
Как называется минимальное количество энергии, которое может излучать и поглощать система? (квант)
Кто впервые вводит в науку понятие «квант энергии»? (М.Планк)
Объяснение, какой экспериментальной зависимости способствовало зарождению квантовой физики? (закон излучения разогретых твёрдых тел)
Какого цвета мы видим абсолютно чёрное тело? (любого цвета в зависимости от температуры)
III. Изучение нового материала
В начале 20в зародилась квантовая теория – теория движения и взаимодействия элементарных частиц и состоящих из них систем.
Для объяснения закономерностей теплового излучения М.Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждой такой порции определяется формулой E
= h
, где 
- постоянная Планка;
v
-частота световой волны.
Еще одним подтверждением правильности квантовой теории было объяснение Альбертом Эйнштейном в 1905г. явление фотоэффекта.
Фотоэффект – явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света.
Виды ФОТОЭФФЕКТА:
1. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах, а также в газах.
2. Внутренний фотоэффект – это вызывание электромагнитным излучением переходы электронов внутри проводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.
3. Вентильный фотоэффект – возникновение фото - э.д.с. при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла.
Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон ), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.
Исследование фотоэффекта.
Первые опыты по фотоэффекту были начаты Столетовым уже в феврале 1888 года.
В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U , полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны?. При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения.
Законы фотоэффекта
Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности.
Для каждого вещества существует минимальная частота сета, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.
Согласно гипотезе М. Планка, электромагнитная волна состоит из отдельных фотонов и излучение происходит прерывно – квантами, фотонами. Таким образом, и поглощение света должно происходить также прерывно – фотоны передают свою энергию атомам и молекулам вещества целиком.
– уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
mv 2 /2 = eU 0 – максимальное значение кинетической энергии фотоэлектрона;
– минимальная частота света, при которой возможен фотоэффект;
V max = hc/ Aвых – максимальная частота света, при которой возможен фотоэффект
- красная граница фотоэффекта
- импульс фотона
Беседа с уточнением терминов и понятий.
Явление испускания электронов веществом под действием света, называется…
Число электронов, вырываемых светом с поверхности вещества за 1с, прямо пропорционально…
Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с … и не зависит от …
Для каждого вещества существует наименьшая частота света, при которой еще возможен фотоэффект. Эта частота называется…
Работа, которую нужно совершить для вырывания электронов с поверхности вещества, называется…
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (формулировка)…
IV. Закрепление и обобщение знаний.
Задача 1. Какова наименьшая частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла 3,3*10 -19 Дж?
Задача 2. Определите энергию, массу и импульс фотона, соответствующую наиболее длинным и наиболее коротким волнам видимой части спектра?
Решение:
Задача 3 . Найдите порог фотоэффекта для калия, если работа выхода А =1,32 ЭВ?
Решение:
В уравнение Эйнштейна 
Используя выписанные вами формулы, следующие задачи решите самостоятельно.
Работа выхода для материала пластины равна 4эВ. Пластина освещается монохроматическим светом. Какова энергия фотонов падающего света, если максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 2,5эВ?
На пластину из никеля попадает электромагнитное излучение, энергия фотонов которого 8эВ. При этом в результате фотоэффекта из пластины вылетают электроны с максимальной энергией 3эВ. Какова работа выхода электронов из никеля?
Поток фотонов с энергией 12эВ выбивает из металла фотоэлектроны, максимальная кинетическая энергия которых в 2 раза меньше работы выхода. Определите работу выхода для данного металла.
Работа выхода электрона из металла . Найдите максимальную длину волны излучения, которым могут выбиваться электроны.
Определите работу выхода электронов из металла, если красная граница фотоэффекта равна 0,255 мкм.
Для некоторого металла красной границей фотоэффекта является свет с частотой . Определите кинетическую энергии, которую приобретут электроны под действием излучения с длиной волны
Подготовить презентацию на тему «Применение фотоэффекта»
Никто в мире не понимает квантовую механику - это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.
Кот Шредингера
Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция - математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.
По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.
У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому - тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедолагой-котом как раз был призван показать абсурдность этого явления.
Итак, напоминаем содержание эксперимента. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм, который может в случайный момент пустить яд в действие. Например, один радиоактивный атом, при распаде которого разобьется ампула. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%.
Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.
Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.
Дифракция электронов
По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?
Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов - медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.
В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а где-то усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.
При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики - объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).
Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.
Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.
Нагретый фуллерен
Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах - крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).
Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.
Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.
Охлаждающее измерение
Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.
Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр - около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте - крошечной алюминиевой полоске.
Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.
В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно - после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.
Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись - теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.
Замирающие частицы
Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.
Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье , опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.
В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать - просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).
Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.
Квантовая механика и сознание
Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?
Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» - комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин - декогеренция.
Дело вот в чем - во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.
Как раз это объясняет термин «декогеренция» - необратимый с точки зрения процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.
В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».
Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните - сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность - выбирать приходится каждому из нас.
Только сегодня подумала, что эффект наблюдателя теоретически доказывает возможность реализовать на физическом плане не только свои планы и проекты, но также тело света и вообще возможность перехода из энергетического состояния в материальное и обратно. Получается, что в своём развитии можно дойти до уровня сознания, позволяющего по своему желанию существовать либо в виде материи, либо в виде волны. К примеру, п реображение Иисуса и его явление ученикам после распятия в материальном теле вполне укладываются в эту теорию.Ниже лёгкое напоминание, что есть "эффект наблюдателя", и отрывок из книги, переносящий принцип приоритета сознания с квантовой физики на проявленный план.
«Твоя жизнь там, где твоё внимание».
Именно этот постулат был экспериментально доказан физиками во многих лабораториях мира, как бы странно это не звучало.
Возможно, сейчас это звучит необычно, но квантовая физика начала доказывать правоту седой древности: «Твоя жизнь там, где твоё внимание». В частности, что человек своим вниманием влияет на окружающий материальный мир, предопределяет реальность, которую и воспринимает.
С самого своего зарождения квантовая физика начала кардинально менять представление о микромире и о человеке, начиная со второй половины XIX века, с утверждения Уильяма Гамильтона о волнообразной природе света, и продолжая передовыми открытиями современных ученых. Квантовая физика уже сейчас имеет множество доказательств того, что микромир «живет» по совершенно иным законам физики, что свойства нано частиц отличаются от привычного человеку мира, что элементарные частицы по-особенному взаимодействуют с ним.
В середине 20-го века Клаус Йенсон в ходе экспериментов получил интересный результат: во время физических опытов субатомные частицы и фотоны точно реагировали на внимание человека, что приводило к разному конечному результату. То есть, нано частицы реагировали на то, на что исследователи фокусировали в тот момент своё внимание. Каждый раз данный эксперимент, который уже успел стать классическим, удивляет учёных. Его повторяли много раз во многих лабораториях мира, и каждый раз результаты этого эксперимента идентичны, что подтверждает его научную ценность и достоверность.
Так, для этого опыта готовят источник света и экран (непроницаемая для фотонов пластинка), у которого есть две щели. Устройство, в качестве которого и выступает источник света, однократными импульсами «выстреливает» фотонами.
Фото 1.
Перед специальной фотобумагой разместили особый экран с двумя щелями. Как и предполагалось, на фотобумаге проявились две вертикальные полоски - следы фотонов, которые засветили бумагу, проходя сквозь эти щели. Естественно, за ходом эксперимента велось наблюдение.
Фото 2.
Когда же исследователь включил прибор, а сам на время отлучился, вернувшись в лабораторию, был несказанно удивлён: на фотобумаге фотоны оставили совершенно другое изображение - вместо двух вертикальных полосок - множество.
Фото 3.
Как такое могло произойти? Оставленные на бумаге следы были характерны волне, которая проходила сквозь щели. Иными словами, наблюдалась интерференционная картина.
Фото 4.
Простой эксперимент с фотонами показал, что при факте наблюдения (в присутствии прибора-детектора, или наблюдателя) волна переходит в состояние частицы и ведёт себя как частица, но, при отсутствии наблюдателя, ведёт себя как волна. Выяснилось, что если не вести наблюдения в данном эксперименте, фотобумага проявляет следы волн, то есть, видна интерференционная картина. Такой физический феномен стали называть «Эффект Наблюдателя».
Эксперимент с частицами, который описан выше, так же применим к вопросу «А есть ли Бог?». Потому как, если при зорком внимании Наблюдателя то, что имеет волновую природу может пребывать в состоянии материи, реагируя и меняя свои свойства, то кто внимательно наблюдает за всей Вселенной? Кто удерживает в стабильном состоянии всю материю своим вниманием?Как только у личности в её восприятии появляется допущение того, что она может жить в качественно другом мире (например, в мире Бога), только тогда она, личность, и начинает изменять свой вектор развития в эту сторону, и шансы пережить данный опыт многократно увеличиваются. То есть, достаточно просто допустить возможность такой реальности для себя. Следовательно, как только человек принимает возможность приобретения такого опыта, он действительно начинает его приобретать. Этому есть подтверждение и в книге «АллатРа» Анастасии Новых:
«Всё зависит от самого Наблюдателя: если личность воспринимает себя частичкой (материальным объектом, живущим по законам материального мира), она будет видеть и воспринимать мир материи; если же личность воспринимает себя волной (чувственные переживания, расширенное состояние сознания), то она воспринимает мир Бога и начинает его понимать, жить им.»
В вышеописанном опыте наблюдатель неминуемо влияет на ход и результаты эксперимента. То есть, вырисовывается очень важный принцип: невозможно наблюдать за системой, измерить и проанализировать её, не взаимодействуя с ней. Где есть взаимодействие, там есть изменение свойств.
Мудрецы говорят, что Бог - везде. Не подтверждают ли наблюдения за нано частицами это утверждение? Не являются ли данные эксперименты подтверждением того, что вся материальная Вселенная так же взаимодействует с Ним, как, к примеру, Наблюдатель взаимодействует с фотонами? Не показывает ли этот опыт, что всё, куда направлено внимание Наблюдателя, пронизано самим ним? Ведь, с точки зрения квантовой физики и принципа «Эффекта Наблюдателя», это неизбежно, так как во время взаимодействия квантовая система теряет свои изначальные черты, изменяясь под влиянием более крупной системы. То есть, обе системы взаимно обмениваясь в энерго-информационном плане, видоизменяют друг-друга.
Если развить этот вопрос дальше, то получается Наблюдатель предопределяет реальность, в которой потом и живёт. Это проявляется как следствие его выбора. В квантовой физике есть понятие множественности реальностей, когда перед Наблюдателем находятся тысячи возможных реальностей, пока он не сделает свой окончательный выбор, тем самым выбирая лишь одну из реальностей. И когда он сам для себя выбирает свою собственную реальность, он сосредотачивается на ней, и она проявляется для него (или он для неё?).
И опять же, принимая во внимание тот факт, что человек живёт в той реальности, которую сам же и поддерживает своим вниманием, то приходим к тому же вопросу: если вся материя во Вселенной держится на внимании, то Кто держит саму Вселенную своим вниманием? Не доказывает ли этот постулат существование Бога, Того, Кто может созерцать всю картину целиком?
Разве это не свидетельствует о том, что наш разум напрямую вовлечён в работу материального мира? Вольфган Паули, один из основателей квантовой механики, как-то сказал: «Законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие
». Можно с уверенностью сказать, что господин Паули был прав. Это уже очень близко к всемирному признанию: материальный мир - суть иллюзорное отображение нашего разума, и то, что мы видим зрением, на самом деле реальностью не является. Тогда что такое реальность? Где она находится, и как ее узнать?
Всё больше и больше учёные склоняются к мнению, что и мышление человека точно так же подчиняется процессам пресловутых квантовых эффектов. Жить в иллюзии, нарисованной разумом, или открыть для себя реальность — это каждый для себя выбирает сам. Мы лишь можем вам порекомендовать ознакомиться с книгой АллатРа, которую цитировали выше. Эта книга не только научно доказывает существование Бога, но и подробно дает пояснения всех существующих реальностей, измерений, и даже раскрывает структуру энергетической конструкции человека. Скачать эту книгу вы можете совершенно бесплатно с нашего сайта, кликнув по цитате ниже, или перейдя в соответствующий раздел сайта.
