Урок»Что изучает физика. Физические явления. Наблюдения и опыты.»

 

7 класс.

Тема урока: Что изучает физика. Физические явления. Наблюдения и опыты.

 

Тип урока: урок изучения  нового материала.

 

Цели урока: познакомить учащихся с новым предметом школьного курса, пояснить связь физики с другими науками, ввести физические термины: физические явления, физическое тело, материя, вещество, поле, выявить источники физических знаний,

пробудить у учащихся интерес к изучению физики.

Задачи урока:

 

• образовательные:  заинтересовать ребят новой для них наукой – физикой; рассказать о ее возникновении и развитии; в общих чертах ознакомить учащихся с тем, что изучает физика и с некоторыми физическими понятиями: физическое тело, вещество, явление, начать формирование  умений проводить физические эксперименты;
• развивающие:  создать  условия для развития познавательного интереса к предмету, умений  анализировать учебный материал, формировать умения учащихся работать в малых группах (парах), способствовать формированию понимания места и значения науки в жизни человека и необходимости интеллектуальных усилий для успешного обучения и развития человечества в целом, способствовать развитию внимания, любознательности, умения анализировать, сравнивать, обобщать, делать выводы, применять имеющиеся знания в новой ситуации;
• воспитательные:  познакомить учащихся со структурой учебника физики; провести беседу о бережном отношении к книге, обратить внимание учащихся на строгое соблюдение правил ТБ в кабинете физики для сохранения как собственного здоровья так здоровья окружающихся.

Планируемый результат:

предметные УУД: сформировать систему новых понятий, таких как физические явления, наблюдение, описание, эксперимент, материя, научный метод;

личностные УУД: формировать учебную мотивацию, понимание необходимости приобретения новых знаний, навыки самоорганизации;

познавательные УУД: формировать навыки познания физических явлений и их проявления в жизни, воспитывать любовь к физике;

регулятивные УУД: понимать учебную задачу урока, научить видению нового знания и его связи с имеющимся опытом, понимать значение новых знаний для последующего обучения;

коммуникативные УУД: воспитывать коллективизм, уважение друг к другу, умение слушать, дисциплинированность, самостоятельность мышления.

Методы и приёмы:  мультимедийные технологии,   объяснительно-иллюстративный, эвристическая беседа,   использование кроссворда, игра  «Кто я?».

Средства обучения: компьютер, проектор, экран, презентация «Что изучает физика. Физические явления. Наблюдения и опыты»,  оборудование  для проведения опытов.

                                                                                        Физика ! Какая 

ёмкость  слова!

                                                                                        Физика ! Для нас не просто звук.

                                                                                         Физика – опора и основа

                                                                                          Всех без исключения наук!

 

Ход урока

 

I. Организационный момент.  Создание положительного эмоционального настроя на работу учащихся во время урока. Стимулирование деятельности учащихся, обеспечение общей готовности класса, обеспечение своевременного начала урока. Ознакомление учащихся с учебниками и учебными пособиями, которыми они будут пользоваться при изучении физики, а также структурой этих учебных пособий. Первичный инструктаж по технике безопасности в кабинете физики для учащихся.

 II. Мотивация урока.

    Ученикам предлагается восстановить пропущенное слово и узнать его правильное написание, отгадав следующие загадки                                      (Слайд 1,2)

(ответы учитель заносит в кроссворд на доске):

1. Этот глаз — особый глаз.

    Быстро взглянет он на вас,

    И появится на свет

    Самый точный ваш портрет.

2. Кудри в речку опустила

    И о чем-то загрустила,

    А о чем она грустит,

    Никому не говорит.

3. Свернешь — клин,

    Развернешь — блин.

4. Маленького роста я,

    Тонкая и острая.

    Носом путь себе ищу,

    За собою хвост тащу.

5. Не куст, а с листочками,

    Не рубашка, а сшита,

    Не человек, а рассказывает.

6. День и ночь стою на крыше,

    Нет ушей, но все я слышу,

    Вдаль гляжу, хотя без глаз,

    На экране мой рассказ.

 

   Формулируется тема урока,  сообщаются его цели.   Тему урока учащиеся записывают в тетрадь.                                                             ( Слайд 3)

 

III. Изучение нового материала. (Объяснения учителя, сопровождаемое  презентацией)

     Учитель. Природа — это  всё то, что нас окружает; это – земля и вода, воздух и растения, животные и люди, и все предметы вокруг нас. Именно природу, ее законы и изучает физика.  

 

     Так эту науку назвал еще в IV в. до н.э. древнегреческий учёный Аристотель. Представляете, какая это древняя наука. Слово «физика» в переводе с греческого означает «природа».       

                                                                     ( Слайд 4)

 

В русский язык слово «физика» ввёл в XVIII веке русский учёный М. В.Ломоносов.     (Слайд 5) 

     Учитель. Но не только физика является наукой, изучающей природу. География, биология, астрономия, химия и другие науки тоже изучают природу.

     Науки о природе зародились очень давно. Первые познания люди получали благодаря своим наблюдениям: ежедневный рассвет и закат, течение рек, дождь, ветер, звездное небо. В Древней Греции людей, занимающихся наукой, называли философами. Затем постепенно произошло разделение наук.

    Учитель. Давайте  вспомним, какие науки вы уже начали изучать?                                                                                                                                                                                     ( Слайд 6)

География изучает климат, а физика объясняет причину возникновения именно таких климатических условий, зарождение циклонов и т. д.

Биология изучает растения и животный мир, физика объясняет, к примеру, как вода из почвы поступает к веткам, листьям деревьев (капилляры), и почему окунь и камбала имеют разное строение скелета.

Астрономия изучает звезды, Солнце, планеты, а физика объясняет, почему планеты движутся вокруг Солнца, а не улетают от него и т. д.

Но самая главная наука о неживой природе — физика                               

( Слайд7)

    Учитель.  На нашей планете часто случаются природные катастрофы, которые называют катаклизмами. Они приносят разрушения и человеческие жертвы, влияют на формирование рельефа планеты. Раньше эти явления вызывали у людей суеверный страх. Сейчас во многих случаях научились предсказывать грозные явления природы, этим занимаются геодезия, метеорология, сейсмология. Но лишь физика может описать и объяснить причину их возникновения.

     Физика является одной из древнейших наук, которая позволяет познать силы природы и поставить их на службу человеку, дает возможность понять современную технику и развивать её дальше. Физика — это наука о природе и тех изменениях, которые в ней происходят.

     Изменения, которые происходят в природе, называют физическими явлениями.                                                                                              (Слайд 8)

      Учитель. Среди большого многообразия явлений в природе физические явления занимают особое место. К ним относятся: механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые, световые.                                                ( Слайд 9,10)

     Учитель. Физика позволяет выводить общие законы на основании изучения простых явлений. Установив фундаментальные законы природы, человек использует их в процессе своей жизнедеятельности. В этом и состоит основная задача физики: открыть законы, которые связывают между собой различные физические явления, происходящие в природе, найти связь и причины явлений.     ( Слайд 11)

 

     Учитель. Любая наука использует специальные слова – научные термины. И вам необходимо понять и усвоить основные физические термины. А начнем с таких терминов как материя,  вещество и физическое тело.                 ( Слайд 12)

 

     Вокруг нас находятся различные предметы: столы, стулья, книги, карандаши. В физике всякий предмет называют физическим телом. На экране вы видите примеры физических тел.                                                                                                                 ( Слайд 13)

Учитель. А сейчас давайте назовём вещества, из которых могут состоять физические тела.                                                                                                   ( Слайд 14)

 

 Учитель.   Все объекты и физические тела являются материей.  

 

Весь мир – материя, мой друг,

Не та, что для штанов иль платья,

А всё, что только есть вокруг

Материально. Должен знать я.

И ты запомни.

Но мир материи, так жаль,

Иллюзий нас лишает скоро.

Есть вещество и есть поля.

Поля, конечно, не с картошкой:

Магнитное  несет Земля

И гравитации немножко.

А из веществ – и ты, и я,

Автомобиль, и дом, и кошка.

 

Учитель. Все, что нас окружает материально. Факт их существования не зависит от нашего сознания. Материя есть объективная реальность, данная нам в ощущении. Материя в нашем мире существует в виде вещества и поля. То, из чего состоят физические тела ( материал), называют веществом

Гвоздь – физическое тело, железо – вещество.

Стол – физическое тело, дерево – вещество.

Капля воды– физическое тело, вода – вещество.

Другой вид материи, – поле, – существует независимо от нас. Поле не всегда можно обнаружить с помощью органов чувств человека, но оно легко обнаруживается по влиянию на какие-нибудь физические тела.

     Учитель. Вопросы для вас.                                                                  (Слайд 15)

     Ответы учеников   (из наблюдений, экспериментов).

 

                                                                                                               

Учитель.  Подумайте, как можно изучать физику, откуда появляются у человека знания?                                                                                                 (Слайд 16)

    Учитель.  Действительно, многие первичные знания появляются из повседневных наблюдений. С этого и начиналась физика. Философы и ученые Древней Греции – Аристотель, Герон, Архимед, Птолемей – в основном вели наблюдения.  

     Только в средние века такие ученые как Галилео Галилей, Рене Декарт, Эванжелиста Торричелли, Блез Паскаль и другие стали ставить опыты – специальные эксперименты, проводимые с определенной целью

 IV.Релаксация.

Учитель. В   мире  происходят изменения с телами живой природы. Давайте пронаблюдаем некоторые  природные явления  с этими телами.                  (Слайд 17)

 

V.Рефлексия  (закрепление изученного материала)

      Учитель.  А теперь давайте обобщим всю полученную информацию и ответим на вопрос: «Что изучает физика?» (Ученики с помощью наводящих вопросов учителя составляют схему и зарисовывают её в тетради .                                   (Слайды 18,19)

 

 

 

 

    Учитель.  Так в чем же состоит особенность физики?         ( Слайд 20)

     Учитель.   Физика изучает и объясняет все явления, происходящие в природе: грозу, ветер, замерзание и таяние рек, северное сияние, магнитные бури, солнечное и лунное затмения. Как образуются снег и лед? Почему осадки выпадают то в виде дождя, то в виде снега, то в виде града?

Физика объясняет многие явления в нашей жизни:

• Почему мы скользим на льду, а машину заносит на скользкой или мокрой дороге?
• Почему бутерброд всегда падает маслом вниз?
• Почему масло в воде всплывает?
• Что нужно сделать, чтобы стакан не лопнул от кипятка?
• Почему окна зимой замерзают?
• Почему нельзя работать со сваркой под дождем?
• Почему  в  деревянном  доме  теплее, чем в каменном?
• Сколько весит тело, когда оно падает?

 

Особенностью физики является то, что она изучает все!

      Демонстрация физических явлений.

 

• Установите соответствие (Работа в парах)                       ( Слайд 21)
• Заполните таблицу, расположив  физические явления в  нужной  строке.                   (Слайд 22)

1. Что из перечисленного является физическим телом?  

• Тетрадь
• Воздух
• Бумага
• Вода

 

2. Какое из слов обозначает вещество?

• Капля воды
• Земля
• Железо
• Айсберг

3. Разделите на три группы понятий следующие слова: стул, древесина, дождь, железо, звезда, воздух, кислород, ветер, молния, землетрясение, масло, компас

Физические тела

Вещества

Явления

 

Ответ:

Физические тела	Вещества	Явления
Стул	Древесина	Дождь
Звезда	Железо	Ветер
Компас	Масло	Молния
	Кислород	Землетрясение
	Воздух

•  Интересно знать…

 — Вы случайно спрятали в карман шоколадку, и она там растаяла. Можно ли случившееся назвать явлением?  (Да)

 

— Вам во сне явился добрый волшебник, подарил много мороженого, и Вы угостили им всех своих друзей. Жаль только, что это был сон. Можно ли считать появление доброго волшебника физическим явлением?   (Нет.)

 

— Коля ловил девчонок, окунал их в лужу и старательно измерял глубину погружения каждой девочки. Толя только стоял рядышком и смотрел, как девчонки барахтаются. Чем отличаются Колины действия от Толиных, и как такие действия называют физики  (И физики и другие ученые назовут действия хулиганством. Но с точки зрения   науки Толя  проводил  наблюдения, а Коля ставил опыты).

 

VI. Демонстрация опытов: «Фокусы, которые вы легко сможете объяснить, изучая физику».

 

1. «Неразваливающаяся картошка». На столе перед учащимися разрезать картофелину, затем соединить обе половинки, они будут держаться. – Почему они “слипаются”, вы сможете объяснить с точки зрения физики уже в 3 четверти.

2. «Невесомая вода». Стакан с водой плотно накрыть листом бумаги и быстро перевернуть его дном вверх. Вода не выльется из стакана.

3. У меня в руках 2 яйца. Одно уже сварено, другое – нет. Как определить, где какое яйцо? Конечно, можно их разбить и проверить! А если не разбивая? (Нужно их вращать. Вареное яйцо будет вращаться быстрее. Провести проверку, очистив вареное яйцо.)

4.«Удивительное яйцо». У меня пустая бутылка. Можно ли в эту бутылку поместить очищенное сваренное вкрутую куриное яйцо, чтобы оно осталось целым? (Зажечь бумагу и бросить её в бутылку. Поставить на горлышко яйцо. Огонь погаснет, яйцо провалится  в бутылку.)

 

 VII. Домашнее задание.                                                                 ( Слайд 23)

 

§ 1,2 ответить на вопросы в конце параграфов, тесты стр. 5 №1-3,задание 1-3(Задания для оценивания),

 

 Учитель.  Спасибо за урок.                                                             ( Слайд 24)

 

 

 

 

 

 

молнии, электрическое поле Земли. Курсы по физике

Тестирование онлайн

Электрическое поле Земли

У поверхности Земли существует электрическое поле. Наша планета обладает некоторым электрическим зарядом. Исследования этого поля показало, что Земля обладает отрицательным зарядом q=-450000 Кл, который вблизи поверхности создает вертикальное электрическое поле напряженностью E=130 В/м. На высоте 50 км над поверхностью Земли поле практически исчезает.

Мы живем в постоянном электрическом поле значительной напряженности. Если сравнить потенциалы на высоте макушки и пяток человека, получим разность потенциалов 200 В. Почему же по телу не проходит электрический ток? Потому что наше тело является проводником. И реальный наш потенциал становится равным потенциалу Земли.

Где же начинаются силовые линии поля, заканчивающиеся на Земле. Исследования атмосферы показали, что на высоте нескольких десятков километров над поверхностью Земли существует слой положительно заряженных (ионизованных) молекул, называемый ионосферой. Различные атмосферные явления приводят к обмену зарядами между ионосферой и Землей.

Электрические явления

Молния — природное явление, которое приводит к обмену зарядами между ионосферой и Землей. Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение — миллионов вольт (иногда достигает 50 млн. вольт), тем не менее, погибает после удара молнией лишь 47,3 % людей.

На земном шаре ежегодно происходит до 16-и миллионов гроз, то есть около 44 тысяч за день. Прямой удар молнии очень опасен для здоровья людей, нередки случаи смертельного исхода. Для зданий и сооружений угрозами, вследствие непосредственного контакта канала молнии с поражаемыми объектами, являются возможность возгорания либо разрушения. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс, создаваемый молнией.

Грозовые тучи постоянно обмениваются разрядами. При этом сила тока в 1 млн раз слабее силы тока в молнии.

В верхней атмосфере обнаружены другие виды молний — эльфы, джеты, спрайты.

Шаровая молния — светящийся плавающий в воздухе шар, уникально редкое природное явление. Существование шаровой молнии не подтверждено официальной наукой, до сих пор она не была зарегистрирована научной аппаратурой (магнитометрами, тепловизорами или качественной видеоаппаратурой). Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени также не представлено. Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде.

Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхности Земли возникает сильное электрическое поле. Напряжённость поля особенно велика возле острых проводников, и поэтому на конце молниеотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния всё же возникает (такие случаи очень редки), она ударяет в молниеотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя разрушений.

Это природное явление, возникающее над местом впадения реки Кататумбо в озеро Маракайбо (Южная Америка). Феномен выражается в возникновении свечения на высоте около пяти километров без сопровождающих акустических эффектов. Молнии появляются ночью (140—160 раз в год) и разряды длятся около 10 часов. В сумме получается около 1,2 миллиона разрядов в год.

Молнии видно с расстояния до 400 километров. Их даже использовали для навигации, из-за чего явление также известно под названием «Маяк Маракайбо».

Компьютерное моделирование физических процессов | НОВАТОР

На Образовательной Галактике я уже писал пост про компьютерные модели — http://archive.novator.team/post/3606 , где перечислил преимущества компьютерной модели над реальным физическим объектом или процессом. Хочу продолжить эту тему.

Все мы знаем, что физика – наука экспериментальная. И наглядная демонстрация физических явлений или процессов на уроках является основой обучения физики в школе. Она способствуют созданию физического мышления у обучающихся, делает более понятными объяснения учителя при изложении нового материала, пробуждает познавательный интерес у обучающихся к предмету.

В условиях школьной лаборатории не всегда возможно продемонстрировать физические процессы или провести эксперименты. Причины на то могут быть разные:

• отсутствие необходимого оборудования;
• опасность проведения эксперимента в данных условиях;
• невозможность проведения демонстрации в реальных условиях.

Конечно, можно объяснить физическое явление по картинкам или «на пальцах», но будет ли от этого результат? Насколько правильно представят то или иное явление ученики? Чтобы понять физическое явление, а потом уметь его объяснить, необходимо его визуально представить. Визуальное представление физического явления или процесса позволяет ученику лучше его запомнить и изучить. Именно поэтому на каждом уроке физики должна присутствовать демонстрация, визуальное представление физических явлений. И если это невозможно провести в данных условиях, то значит нужно использовать компьютерную демонстрацию. А я бы еще добавил – нужно использовать!

С помощью компьютера возможно создавать не только статические модели физических явлений в виде иллюстраций, но и динамические модели. А эффективнее всего использовать в учебном процессе интерактивные компьютерные модели, которые позволяют замедлить или ускорить ход времени, увеличить или уменьшить, повторить или изменить ситуацию. Интерактивные компьютерные модели, используемые в индивидуальной работе, например, в модели «1 ученик – 1 компьютер», позволяют каждому ученику изучать физическое явление в собственном темпе. Когда компьютерной моделью управляет учитель на интерактивной доске, ученик просто пассивно наблюдает, при этом у каждого ученика своя скорость восприятия. Но когда ученики будут самостоятельно управлять компьютерной моделью, то это уже позволит увеличить степень усвоения получаемой учебной информации и повысить познавательную активность.

В качестве примера можно рассмотреть интерактивную модель явления фотоэффекта (http://interfizika.narod.ru/atom.html)

Компьютерная модель явления фотоэффекта

Фотоэффект достаточно сложное для понимания учениками физическое явление в силу того, что невозможно пронаблюдать явление выбивания электронов с поверхности металла частицами света. В условиях школьной лаборатории можно лишь провести сам эксперимент явления фотоэффекта с вольт-амперной характеристикой, и то только при наличии соответствующего оборудования. Но увидеть, что происходит в реальности невозможно, это можно только смоделировать на компьютере.

Еще один пример, это — интерактивная модель двигателя внутреннего сгорания (http://interfizika.narod.ru/molec.html)

Компьютерная модель двигателя внутреннего сгорания

Изучение принципа работы двигателя внутреннего сгорания на статической модели достаточно сложно для понимания учениками. Реальный двигатель в классе запустить невозможно, да еще в разрезе, чтобы увидеть, что происходит внутри самого двигателя. Нужно иметь хорошее воображение, чтобы это все представить. Намного эффективнее для усвоения, когда ученики изучают динамическую модель и могут ею сами управлять.

Следующий пример, — ядерные реакции (http://interfizika.narod.ru/atom.html).

Компьютерная модель деления ядер урана

А вот проведение ядерных реакций вообще невозможно ни при каких условиях. Явления, которые протекают на атомном уровне не только опасны, но и визуально недоступны для наблюдения. Здесь также поможет компьютерное моделирование. Моделирование деления ядер урана позволяет учащимся увидеть сам процесс протекания ядерной реакции в динамике.

Компьютерные модели можно использовать в разных технологиях обучения, о чем поговорим позже…

Образовательный комплекс по физике 7-11 классов

Комплекс разработан на базе мульти-платформенной среды разработки двух- и трёхмерных приложений Unity3D. В качестве основной для работы с дополненной реальностью, используется библиотека ArUco, созданная на основе открытой библиотеки OpenCV, которая собрала в себе практически все современные алгоритмы компьютерного зрения (Computer Vision).

Для организации индивидуальных рабочих мест и для удаленного обучения используется конфигурация оборудования на базе графической стации (устройства обработки видео сигнала), 3D-Web камеры (или сдвоенной классической Web-камеры) для получения стерео-видео потока и высококачественного устройства воспроизведения 3D-стерео (3D монитор или 3D телевизор), доукомплектованного поляризационными 3D очками.

Для графической станции, или устройства обработки видеопотока, наложения слоя дополненной реальности и формирования итогового 3D изображения, подходит практически любой современный компьютер или ноутбук, удовлетворяющий следующим минимальным системным требованиям:

Рекомендуемые системные требования

PC версия

• Процессор Intel Core i5 с частотой не менее 2.5 ГГц (или аналогичный)
• Не менее 4 ГБ оперативной памяти
• Не менее 1,5 ГБ свободного места на жестком диске
• Клавиатура, мышь (или совместимое указывающее устройство)
• Видеокарта с 1 Гб видеопамяти, с поддержкой Shader Model 4.0 и выше, с поддержкой DirectX 9 и выше
• Операционная система Windows 7/8/10
• Веб-камера (Full HD)

Мобильная версия

• Многоядерный процессор ARM v7 и выше, с частотой 1,5 ГГц и выше
• 2 ГБ оперативной памяти и выше
• Видеоускоритель с поддержкой OpenGL ES 2.0 и выше
• Android 4.0 и выше
• Камера

Программная часть

Приложение, представляющее собой программную основу комплекса, обладает всем необходимым техническим функционалом для проведения виртуальных лабораторных работ по школьному курсу физики 7-11 классов, основанных на маркерной технологии дополненной реальности, и виртуальных демонстраций физических явлений и процессов, с возможностью просмотра в режиме 3D-стереоскопии.

Конструктивно приложение состоит из нескольких архитектурных программных модулей позволяющих в полном объеме реализовать систему дополненной реальности и сформировать итоговое изображение в формате 3D-стереоскопии, передаваемое на устройство отображения:

• Модуль захвата видео потока — необходим для поиска установленных в системе источников видео потока, в нашем случае подключенной к компьютеру камеры (2 камер).
• Модуль поиска области нахождения маркера на входном изображении.
• Модуль распознавания маркера и получения закодированной в нем информации.
• Модуль логики виртуальной лабораторной работы — получает информацию о расположении маркеров, подставляет 3D модели и применяет к ним условия текущей лабораторной работы (физические законы, схемы взаимодействия, анимацию и пр.)
• Модуль формирования итогового изображения (3D изображения) и вывод его на устройство отображения (монитор).

Базовой средой разработки прототипа была выбрана система Unity3D — это мульти-платформенный инструмент для разработки двух- и трёхмерных приложений.

Дополнительно использованы следующие плагины и библиотеки:

• ArUco (OpenCV) — для работы с дополненной реальностью
• HTML Engine for NGUI & Unity GUI — Плагин для вывода форматированного HTML текста в интерфейсе Unity или в NGUI
• NGUI: Next-Gen UI — Плагин для отрисовки графического интерфейса в среде Unity
• Easy XML Parser — Парсер XML файлов для Unity

Виртуальные 3D объекты, используемые в лабораторных работах, разрабатывались в приложении Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX) – полнофункциональной профессиональной программной системе для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации. Сценарии взаимодействия виртуальных объектов внутри сцены были реализованы средствами среды разработки.

Алгоритмы формирования функций 3D-стереоскопии, применительно к виртуальным объектам, реализованы при помощи базовых средств среды разработки с использованием двух виртуальных камер, расположенных на сцене.

Поддерживаемые 3D режимы:

• Горизонтальная стереопара — кадры располагаются горизонтально друг относительно друга, левое изображение предназначено для левого глаза, а правое изображение — для правого.
• Вертикальная стереопара — представляет собой два изображения, расположенные друг над другом.
• Чересстрочный — метод получения стереоэффекта путем чересстрочного смешивания обоих ракурсов в одном кадре.
• Шахматный — метод получения стереоэффекта путем смешивания обоих ракурсов в шахматном расположении.
• Анаглифный — метод получения стереоэффекта через цветовое разделение.

Физика вокруг нас

учащиеся научатся:

распознавать механические явления и объяснять на основе имеющихся знаний основные свойства или условия протекания этих явлений: равномерное и равноускоренное прямолинейное движение, свободное падение тел, инерция, взаимодействие тел, колебательное движение, волновое движении, прямолинейное распространение света, отражение и преломление света,
описывать изученные свойства тел и механические явления, используя физические величины: путь, скорость, ускорение, масса тела, плотность вещества, сила, давление, кинетическая энергия, потенциальная энергия, механическая работа, механическая мощность, КПД простого механизма, сила трения, амплитуда, период и частота колебаний, длина волны и скорость её распространения, фокусное расстояние и оптическая сила линзы; при описании правильно трактовать физический смысл используемых величин, их обозначения и единицы измерения, находить формулы, связывающие данную физическую величину с другими величинами;
анализировать свойства тел, механические явления и процессы, используя физические законы и принципы: закон сохранения энергии, закон всемирного тяготения, равнодействующая сила, I, II и III законы Ньютона, закон Гука, закон Паскаля, закон прямолинейного распространения света, закон отражения света, закон преломления света; при этом различать словесную формулировку закона и его математическое выражение;
различать основные признаки изученных физических моделей: материальная точка, инерциальная система отсчёта;
решать задачи, используя физические законы (закон сохранения энергии, закон всемирного тяготения, принцип суперпозиции сил, I, II и III законы Ньютона, закон Гука, и формулы, связывающие физические величины (путь, скорость, ускорение, масса тела, плотность вещества, сила, давление, кинетическая энергия, потенциальная энергия, механическая работа, механическая мощность, КПД простого механизма, сила трения скольжения, амплитуда, период и частота колебаний, длина волны и скорость её распространения), закон прямолинейного распространения света, закон отражения света, закон преломления света): на основе анализа условия задачи выделять физические величины и формулы, необходимые для её решения, и проводить расчёты;
самостоятельно приобретать и применять знания в различных ситуациях для решения несложных практических задач, в том числе с использованием при необходимости справочных материалов, калькулятора и компьютера;
пользоваться предметным указателем энциклопедий и справочников для нахождения информации;
знать основные способы представления и анализа статистических данных; уметь решать задачи с помощью пере­бора возможных вариантов;

Free Online Course: Физика в опытах. Часть 3. Колебания и молекулярная физика from Coursera

Наглядно – интересно – просто – понятно!
Данный курс представляет собой серию физических опытов и экспериментов по теории колебаний и основам молекулярной физики. Демонстрацию физических явлений проводит легендарная личность, незаурядный преподаватель, доцент кафедры общей физики НИЯУ МИФИ — Валериан Иванович Гервидс, который доступно и наглядно объясняет основные принципы и законы общей физики.

Зачем учить этот курс?
• Физика – наука экспериментальная. Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать или прочитать!
• Именно эксперименты позволяют продемонстрировать и легко понять и простые, и сложные аспекты, которые традиционно преподаются в виде теоретического материала и математических моделей
• Курс поможет Вам научиться использовать:
o эксперимент как способ постановки вопроса,
o эксперимент как инструмент изучения физического явления
o эксперимент как форму ответа на вопрос
• Очень часто достаточно «простые» физические вопросы имеют неожиданные ответы, которые зависят от конкретных условий проведения эксперимента. Демонстрация таких опытов и объяснение полученных в них результатов могут оказаться чрезвычайно интересными
• Вы сможете увидеть применение изучаемых физических явлений в жизни, в технике и в быту
• Изучая этот курс, вы восполните нехватку времени на экспериментальную, «живую» физику, которая ощущается в обычном учебном процесс

Чему учит этот курс?
• Пониманию широкого круга как простых, так и сложных физических явлений и процессов по тематике соответствующих разделов
• Применению физических закономерностей для анализа различных физических явлений и процессов
• Навыкам использования эксперимента
• Базовым знаниям по физике будущих инженеров и специалистов в различных областях деятельности.

Для кого этот курс?
• Для тех, кто изучает физику, и хочет прояснить для себя различные вопросы (в школе, в вузе)
• Для тех, кто преподает физику (в школе, в вузе)
• Для тех, кто использует физику в своем рабочем процессе (инженеры, программисты и т.д.)
• Для тех, кому это просто интересно

откуда берется радуга и как сделать ее самостоятельно – Москва 24, 24.08.2015

Иллюстрация: Полина Бреева

Радуга – это не только красивое природное явление, но и наглядный физический эксперимент. Во время дождя в солнечную погоду на небе зачастую появляется красивая разноцветная дуга. В древности ее воспринимали как знамение, а теперь объясняют с точки зрения науки. Наши друзья из Детского центра научных открытий «ИнноПарк» рассказывают, как она получается.

Из школьных уроков известно, что каждая капля, падающая с неба, является маленькой призмой, которая рассеивает белый солнечный свет. Свет всегда рассеивается в виде кольца, которое ученые называют «гало». Но для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит как дуга, часть окружности. Как же увидеть ее целиком? Нужно наблюдать с горы или самолета, тогда гало появится во всей красе.

Центр дуги находится в направлении прямой, проходящей через солнечный диск и глаз наблюдателя, то есть в точке, противоположной Солнцу. Дуга представляет собой часть круга, описанного вокруг этой точки, радиусом в 42 градуса. Ведь видимый спектр очень узок: от 40 до 42 градусов. Вот почему в полдень радуга почти не видна.

Последовательность цветов в радуге такая же, как в солнечном спектре: по наружному краю располагается красный цвет, по внутреннему – фиолетовый. Со стороны внутреннего края иногда бывают видны вторичные цветовые дуги, примыкающие к главной радуге. Видимая часть дуги определяется положением Солнца: когда оно на горизонте, радуга имеет вид полукруга, с повышением Солнца видимая часть дуги уменьшается, и при высоте Солнца в 43 градуса радуга исчезает.

Явление, подобное радуге, можно увидеть в брызгах фонтанов и водопадов. Возможно появление лунной радуги и радуги от искусственных источников света. Нередко наблюдается вторая радуга с угловым радиусом около 52 градусов и обратным расположением цветов.

Сделать чудо можно и дома. Для этого достаточно в солнечный день поставить стеклянный стакан на подоконник, а на пол положить белый лист бумаги. Передвигайте эти два предмета, пока не увидите дугу. Есть второй вариант, для него понадобятся зеркало, стакан с водой и фонарик. В темной комнате нужно посветить на зеркало, помещенное в стакан с водой.

Наталья Глориозова, Детский центр научных открытий «ИнноПарк»

О «Физике города»

Каждый день, просыпаясь утром, мы погружаемся в город, полный фактур, звуков и красок. Пока мы идем на работу и гуляем в парке, нам в голову приходит миллион вопросов о том, как же все вокруг нас устроено в этом огромном мегаполисе. Почему под нами дрожит земля, когда под нами проезжает поезд метро? И может ли в Москве произойти землетрясение? Какими видят нас люди из космоса?

Мы предложили коллегам из Детского центра научных открытий «ИнноПарк» дать ответы на наши вопросы и разъяснить, сколько велосипедистов нужно для освещения столицы, какие оптические иллюзии можно увидеть в городе и как начать экономить энергию, не выходя из дома. Так появился проект «Физика города». Новые вопросы и новые ответы ищите на нашем сайте по понедельникам и четвергам.

Физический феномен | Уэслианский университет Огайо

Физический феномен

Уэслианский студент из Огайо изучает науку, лежащую в основе Josephson Junctions

Коул Хэтчер

Дэйв Шайбе ’21

Имя: Дэйв Шайбе ’21
Родной город : Пало-Альто, Калифорния
Майор : Физика
Незначительный : Математика
Опыт взаимодействия с OWU : Летняя программа научных исследований Уэслиана в Огайо

Шайбе проводит 10 недель, изучая «Связанные нелинейные системы: физика массивов соединений Джозефсона» под руководством Брэда Треза , доктора философии.D., профессор физики и астрономии Ричардсон-Лайнбо из OWU. Шейб изучает джозефсоновские переходы, тип электронной схемы, состоящей из двух сверхпроводников, и выясняет, будут ли они синхронизироваться или повторно синхронизироваться в разных условиях.

«Наша работа также расширит объем знаний о нелинейных динамических системах и взаимодействии осцилляторов, — говорит Шайбе, — которые могут быть применены во многих научных дисциплинах, таких как физика, химия и биология».

Что я исследую

«По сути, мы исследуем поведение массивов так называемых ВЧ-СКВИДов или сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств», — говорит он.«Эти СКВИДы имеют колебательное поведение (повторяющееся движение), и мы фокусируемся на синхронизации и стабильности этих колебаний, когда СКВИДы помещаются в связанные массивы.

«Сможет ли система преодолевать небольшие возмущения и снова синхронизироваться, или возмущения со временем будут расти? Мы надеемся, что наш анализ устойчивости этих массивов с использованием различных значений параметров обеспечит лучшее понимание поведения ВЧ-СКВИДов и знание значений параметров, с которыми массивы должны быть изготовлены в зависимости от цели.

«СКВИДы очень чувствительны к магнитным полям и поэтому используются, например, в области биомагнетизма, где поля очень малы. Более того, высокочастотные сквиды в настоящее время рассматриваются как потенциальные компоненты для квантовых вычислений ».

Как мои исследования связаны с моими занятиями в OWU

«Доктор. Мы с Деревом пишем программы для моделирования изучаемых систем, а затем строим графики и анализируем данные, аналогично лабораторным занятиям, но на гораздо более высоком уровне. Чтобы понять, что означают данные, необходимы знания теории электромагнетизма, а процесс сбора данных включает дифференциальные уравнения и линейную алгебру.”

Как мои исследования связаны с моими планами на будущее

«Я хочу заниматься исследованиями в качестве карьеры, в частности, с упором на такие темы, как эта. Меня особенно интересует теория электромагнетизма, и на данный момент я хотел бы работать с полупроводниками или сверхпроводниками ».

Почему я выбрал Огайо Уэслиан

«Я хотел поехать в место с настоящим чувством общности, где люди поддерживали друг друга. Прежде чем принять решение, я посетил несколько кампусов колледжа, и OWU почувствовал себя самым гостеприимным.… Я хотел место маленькое и интимное, где я мог бы в любое время прийти к профессорам один на один, не только если у меня возникнут вопросы по курсовой работе, но и просто поговорить или попросить совета.

«Я не совсем образец гуманитарного образования, потому что на данный момент моя жизнь в значительной степени посвящена физике, и единственное, чем я занимаюсь помимо этого, — немецкий. Но я не был втянут в это, я выбрал это, и я ценю такой выбор.

«У меня есть друзья из разных дисциплин, и всегда интересно сравнивать то, что мы узнали.Я думаю, что в классе легко забыть о том, что все на самом деле связано и что на самом деле нет разделения по дисциплинам за пределами академических кругов, и чтобы по-настоящему понять что-то, вам нужно изучить это с разных сторон.

«В качестве примера я буду использовать физику, которую я знаю. Понимание концепций очень важно, но если вы не можете делать математику, чтобы применить концепции. вы никуда не денетесь. И если вы не знаете исторического контекста того, что привело к открытиям, и людей, участвовавших в этом, у вас будет неполное представление о теориях.А если вы не можете передать свои идеи и записать свои выводы в хорошо скомпонованных документах, никто не будет говорить о вашей работе.

«Я думаю, что цель The OWU Connection — показать людям, что простого изучения классов, необходимых для их специальности, недостаточно».

Мои планы после выпуска

«Планирую поступить в аспирантуру и получить степень доктора физики. После этого я хотел бы стать исследователем и мог бы стать профессором — хотя на данный момент это кажется безумной идеей, поскольку я не чувствую себя достаточно квалифицированным, чтобы кого-то чему-то учить.Конечно, после получения степени доктора философии я бы стал, но пока это странная идея ».

10 необычных физических явлений — Listverse

Мы часто воспринимаем наш повседневный опыт жизни на Земле как должное, но каждый момент множество сил контролируют нашу жизнь. Есть удивительное количество необычных, противоречивых или еще не объясненных принципов физики, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. В увлекательном обзоре физических явлений, которые необходимо знать, мы обнаружим часто встречающиеся явления, которые остаются загадкой, причудливые силы, которые мы не осознаем, и то, как научная фантастика может стать реальностью посредством манипуляции со светом.

10 Wind Chill

Наше мнение о температуре довольно субъективно. Влажность, индивидуальная физиология и даже наше настроение могут изменить наше восприятие высоких и низких температур. То же самое и с холодным ветром: температура, которую мы обычно ощущаем, не является истинной температурой. Воздух, непосредственно окружающий человеческое тело, согревается теплом тела и остается вокруг тела как своего рода «воздушный покров». Эта изолирующая воздушная подушка действительно согревает людей. Когда ветер дует на вас, воздушная подушка сдувается, и вы подвергаетесь действительной температуре, которая кажется намного холоднее.Холодный ветер действует только на те объекты, которые выделяют тепло.

9 Чем быстрее ты идешь, тем сильнее ударишь

Люди склонны мыслить линейными концепциями, во многом благодаря некоторым общим принципам наблюдения; если одна капля дождя весит 50 миллиграммов, две капли должны весить около 100 миллиграммов. Однако силы, контролирующие нашу Вселенную, часто придерживаются более экспоненциальной модели реакции, которая следует за распределением мощности. Объект, движущийся со скоростью 40 километров в час, ударится о стену с соответствующей степенью энергии.Если вы удвоите скорость объекта до 80 километров в час, сила удара увеличится не вдвое, а в четыре раза. Этот принцип объясняет, почему аварии на шоссе гораздо более разрушительны, чем аварии в городах.

8 Орбита просто постоянна Свободное падение

Спутники выделяются как заметное недавнее добавление к звездам, но мы редко когда-либо задумываемся о концепции орбиты. Мы знаем общую идею — объект вращается вокруг планеты или другого большого объекта в космосе и никогда не падает.Но причина, по которой происходит орбита, на удивление нелогична. Когда объект падает, он падает обратно на поверхность. Однако, если он достаточно высок и движется достаточно быстро, земля изгибается от него, прежде чем он сможет удариться. Тот же эффект предотвращает столкновение Земли с Солнцем.

7 Замораживание с помощью тепла

Вода — самая важная жидкость на Земле. Это также одно из самых загадочных и нелогичных соединений в природе. Например, одно из малоизвестных свойств воды заключается в том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.Не совсем понятно, почему, но это явление, известное как эффект Мпемба, было первоначально открыто Аристотелем более 3000 лет назад. Таинственный эффект был приписан целому ряду явлений, но он остается загадкой.

6 Давление воздуха

Сейчас на вас давит сверху 1000 килограммов воздуха, что эквивалентно весу небольшой машины. Это связано с тем, что атмосфера Земли на самом деле довольно тяжелая, и люди стоят на дне океана воздуха с атмосферным давлением 14.7 фунтов на квадратный дюйм. Мы приспособлены противостоять этому давлению и избегаем раздавливания, поглощая воздух с одинаковым давлением в наши тела. Однако непроницаемые предметы, такие как пластиковые бутылки, выпущенные на высоте, раздавливаются к тому моменту, когда достигают поверхности Земли.

5 Металлический водород

Водород — первый элемент в периодической таблице, что делает его самым простым элементом во Вселенной. Его атомный номер 1 означает, что у него только 1 протон, 1 электрон и нет нейтронов.Хотя водород известен как типичный газообразный элемент, он проявляет некоторые довольно специфические свойства, которые связывают его с щелочными металлами, а не с другими газами, такими как гелий. Водород расположен в столбце периодической таблицы чуть выше натрия, летучего металла, из которого состоит поваренная соль. Физики давно поняли, что водород ведет себя как металл при экстремальном давлении, например, в звездах и ядрах газовых планет-гигантов. Попытки получить это соединение на Земле были сопряжены с проблемами, но некоторые ученые считают, что они создали небольшие образцы путем обработки давлением с использованием кристаллов алмаза.

4 эффекта Кориолиса

Из-за относительно большого размера планеты люди не ощущают ее движения. Однако вращение Земли по часовой стрелке заставляет движущиеся в северном полушарии объекты слегка отклоняться по часовой стрелке в так называемой силе Кориолиса. Поскольку поверхность Земли движется с другой скоростью относительно атмосферы, несоответствие между вращением Земли и движением атмосферы приводит к тому, что объект, движущийся на север, принимает энергию вращения Земли и начинает изгибаться в сторону. Восток.Противоположное происходит в южном полушарии. В результате навигационные системы должны компенсировать силу Кориолиса, чтобы избежать отклонения вправо или влево от цели.

3 Доплеровская динамика

Звук может показаться независимым явлением, но наше восприятие звуковых волн зависит от скорости. Австрийский физик Кристиан Доплер обнаружил, что когда движущийся объект, такой как сирена, издает звуковые волны, волны сгруппируются перед объектом и рассеиваются за ним.Это индуцированное волновое возмущение, известное как эффект Доплера, заставляет звук приближающегося объекта повышаться по высоте из-за сокращения длины волны. Когда объект проходит, уходящие волны расширяются и воспринимаются ниже по высоте. Эффект Доплера также проявляется в скоплении волн перед кораблем и в рассеивающемся следе.

2 Сублимация

Это будет апеллировать к логике, что химические вещества в процессе перехода из твердого состояния в газообразное должны пройти через жидкое состояние, прежде чем перейти в газообразное состояние.Однако в определенных ситуациях вода способна превращаться прямо из твердого тела в газ. Сублимация может заставить ледники раствориться в воздухе, поскольку линзовидная концентрация солнечного света превращает лед в пар. Точно так же металлические элементы, такие как мышьяк, могут фактически непосредственно переходить в газообразное состояние при нагревании с выделением токсичных паров. Вода может возгоняться при температурах ниже точки плавления при применении источника тепла.

1 Устройства маскировки

Быстро развивающиеся технологии превращают самые странные сюжеты научной фантастики в научные факты.Мы видим объекты только тогда, когда от них отражается свет, создавая изображение с диапазоном длин волн. Ученые давно предположили, что объекты можно сделать невидимыми, нарушив способ взаимодействия света с ними. Если свет может отклоняться от объекта, он может стать невидимым для человеческого глаза. Недавно теория стала реальностью, когда ученые создали прозрачную шестиугольную призму, которая отклоняла свет вокруг любого объекта внутри нее. При помещении в аквариум призма заставляла плыть в ней золотую рыбку, чтобы она становилась невидимой, а наземный плащ заставлял сельскохозяйственных животных исчезать с места.Эффект скремблирования работает по тем же принципам, которые делают самолеты-невидимки «невидимыми» для радаров.

Майк Уильямс — страстный приверженец науки, страстно любящий необъяснимое или необычное. Его писательские интересы включают загадки и более загадочные аспекты естествознания.

Три странных квантовых явления, которые вы не осознавали, используя

За последнюю неделю, предшествовавшую сегодняшнему выпуску американского издания «Завтрак с Эйнштейном », я выделил некоторые повседневные явления, которые зависят от квантовой физики.Сегодня я хочу перевернуть все вокруг и сначала поговорить о некоторых квантовых явлениях и о том, как вы можете найти их проиллюстрированными в удивительно обычных действиях.

Абстрактный цвет размытия на каркасном сетевом фоне.

Гетти

Квантовое туннелирование : Одно из самых удивительных предсказаний квантовой физики с точки зрения нашей обычной интуиции о том, как должна работать физика, — это явление, известное как «туннелирование», при котором квантовые частицы имеют некоторую вероятность появиться в местах, которые , классически говоря, у них просто не хватает энергии, чтобы дотянуться.Мы говорим об этом с точки зрения прохождения энергетического барьера: частица, которая движется с некоторой полной энергией (кинетическая плюс потенциал), подходит к краю области, где взаимодействия с другими веществами могут создать потенциальную энергию, превышающую общую энергию, которую она имеет. имеется в наличии. Это должно заставить его развернуться, точно так же, как мяч, брошенный в воздух, не может подняться выше той высоты, где его потенциальная энергия из-за гравитации Земли равна кинетической энергии, с которой он был брошен. Но если на дальней стороне барьера есть еще одна свободная область, квантовая механика говорит нам, что у нее есть некоторая (крошечная) вероятность оказаться там, как если бы она прошла через какой-то магический туннель с одной стороны на другую.

Странно созерцать это с повседневными предметами — собака не собирается проходить квантовый туннель через забор во двор соседей (хотя плохая собака могла бы классически прокладывать туннель через грязь под забором …). Однако это имеет удивительно прямое приложение к повседневной технологии в виде детектора дыма. Один из двух основных процессов, используемых для создания современных дымовых извещателей, использует небольшое количество радиоактивного америция для ионизации молекул воздуха, создавая постоянный поток тока между двумя пластинами внутри извещателя.Когда тяжелые частицы дыма попадают в область между пластинами, они также ионизируются излучением, но слишком тяжелы, чтобы отразиться на пластинах, и ток падает, вызывая тревогу.

Конкретный канал распада, который делает америций полезным для этого приложения, — это «альфа-распад», в котором очень тяжелое ядро ​​распадается, выплевывая ядро ​​гелия: два протона и два нейтрона, тесно связанных друг с другом. Сначала этот процесс казался загадочным, потому что энергия испускаемой альфа-частицы намного ниже, чем энергия, необходимая для выстрела альфа-частицы в ядро ​​.Тем не менее колоритный русский теоретик Георгий Гамов понял, что это именно то, что вы ожидаете от квантового туннелирования: вы можете думать о ядре как о совокупности альфа-частиц, удерживаемых внутри ядра без достаточной энергии для побега, но благодаря квантовому туннелированию у них есть крошечный шанс на побег.

Вероятность действительно крошечная — период полураспада америция составляет несколько сотен лет, и оценка того, сколько раз альфа внутри ядра столкнется с барьером в попытке покинуть его, составляет примерно 10 ²⁰ в секунду. .Однако процесс работает, и поэтому квантовая физика играет важную роль в защите ваших вещей.

Желтые линзы бликов

Гетти

Фотоны : Частичная природа света, которая, как было убедительно доказано, имеет волновую природу в начале 1800-х годов, была одной из самых спорных особенностей квантовой физики после того, как ее представили Макс Планк и Альберт Эйнштейн. Даже Нильс Бор, чья квантовая модель атома стала революционным прорывом в классической физике, неохотно принимал «кванты света» и пытался заставить чисто волновую модель света хорошо работать в квантовую эру.Однако в наши дни квантовая картина света как частицы не только принята, но и важна для технологии, позволяющей просматривать фотографии кошек в Интернете.

Частица света играет важную роль в процессе фотосъемки, подобно фотоэлектрическому эффекту, явлению, которое Эйнштейн предложил решить с помощью модели частиц. Энергия, содержащаяся в одной частице света, используется для вывода электрона из энергетического состояния, в котором он связан внутри чипа детектора, до состояния, в котором он может свободно перемещаться.Эти свободные электроны собираются внутри датчика, и количество электронов в каждом пикселе позволяет измерить количество света, попадающего на этот пиксель. Таким образом, фотографирование кошек — это квантовый процесс.

Волоконная оптика синего цвета, крупный план на фоне Ethernet и клавиатуры, тёплые блики от линз

Гетти

, отправляющий из этих изображений, также полагается на природу частиц света, потому что современные телекоммуникационные сети полагаются на световые импульсы, посылаемые через оптические волокна.Эти импульсы производятся лазерами, работа которых была бы невозможна без квантового взаимодействия между светом и веществом. Слово «лазер» начало свою жизнь как аббревиатура от «Усиление света за счет вынужденного излучения излучения», а «стимулированное излучение» — это процесс, впервые описанный Эйнштейном, когда одиночный фотон света, сталкивающийся с атомом в высокоэнергетическом состоянии, будет побудить этот атом испустить второй идентичный фотон. Повторите этот процесс достаточно раз, и вы получите лазер: огромное количество фотонов (дешевая лазерная указка, вероятно, излучает что-то вроде 10 ¹⁵ фотонов в секунду) с одинаковой длиной волны, движущихся в одном направлении.Это именно то, что вам нужно, чтобы объединить свет в оптическое волокно и посылать цифровые сигналы по всему миру.

Каждый раз, когда вы открываете браузер и просматриваете последние фотографии домашних животных с ваших любимых сайтов по повышению морального духа (или читаете сообщение в блоге о физике), вы дважды используете квантовую природу света.

Взаимодействие абстрактных фрактальных форм на предмет ядерной физики. Столкновение элементарных … [+] частиц. Взаимодействие физических частиц.Колебания квантового вакуума.

Гетти

Принцип неопределенности : В сообщении о спине электрона я упомянул, что продолжающееся существование твердых объектов в конечном итоге связано с принципами исключения Паули, странным явлением, связанным со спином, которое не позволяет нескольким электронам занимать одно и то же состояние. Это вынуждает их перейти в состояние с несколько более высокой энергией, чем они могли бы занимать в противном случае, и предотвращает взрыв твердых объектов в бесконечно малые точки с бесконечной отрицательной потенциальной энергией.

Эффект вращения — это то, что заставляет энергию перебарщивать, но основная часть работы выполняется более простым квантовым эффектом, одним из немногих, получивших известность за пределами физики: принципом неопределенности Гейзенберга. Это говорит о том, что существует предел того, насколько хорошо мы можем знать дополнительные пары свойств квантовых объектов, наиболее известные из которых — положение и импульс. Если мы уменьшаем неопределенность положения некоторой частицы, мы должны иметь соответствующее увеличение неопределенности ее импульса, и наоборот.

Этот компромисс означает, что ограничение некоторой частицы в небольшой области пространства (таким образом уменьшая неопределенность ее положения) обязательно увеличит ее энергию (поскольку неопределенность импульса возрастает, и в среднем она будет иметь более высокий импульс и, следовательно, более высокую энергию. ). Эта повышающая энергию взаимосвязь неопределенности составляет большую часть (но не всю!) Энергии, необходимой для предотвращения взрыва твердых объектов.

Авторские копии американского издания ЗАВТРАКА С ЭЙНШТЕЙНОМ.

Чад Орзел

Эти идеи — туннелирование, фотоны и квантовая неопределенность — являются характерными «странными» явлениями из квантовой физики и занимают важное место среди пунктов, которые люди, плохо знакомые с теорией, пытаются понять, потому что они кажутся далекими от повседневного мира. Однако оказывается, что все они необходимы для процессов, которые являются частью обычной жизни, показывая, что квантовая физика окружает вас, если вы знаете, где искать.

(Если вы хотите увидеть эти и другие явления, обсуждаемые более подробно, возьмите копию Завтрак с Эйнштейном , доступную сейчас везде, где вы покупаете книги…)

Явление экзотической физики наблюдается впервые

Кредит: CC0 Public Domain

Экзотический физический феномен, связанный с оптическими волнами, синтетическими магнитными полями и обращением времени, был впервые непосредственно обнаружен после десятилетий попыток. По словам исследователей, новое открытие может привести к реализации так называемых топологических фаз и, в конечном итоге, к созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров.

Новое открытие связано с неабелевым эффектом Ааронова-Бома, о чем сообщается сегодня в журнале Science аспирант Массачусетского технологического института Йи Ян, приглашенный научный сотрудник Массачусетского технологического института Чао Пэн (профессор Пекинского университета), аспирант Массачусетского технологического института Ди Чжу, Профессор Хрвое Бульян из Загребского университета в Хорватии, профессор физики Фрэнсис Райт Дэвис из Массачусетского технологического института Джон Джоаннопулос, профессор Бо Жен из Пенсильванского университета и профессор физики Массачусетского технологического института Марин Солячич.

Открытие относится к калибровочным полям, которые описывают преобразования, которым подвергаются частицы. Калибровочные поля делятся на два класса: абелевы и неабелевы. Эффект Ааронова-Бома, названный в честь теоретиков, предсказавших его в 1959 году, подтвердил, что калибровочные поля — помимо чисто математической помощи — имеют физические последствия.

Но наблюдения работали только в абелевых системах или тех, в которых калибровочные поля коммутативны, то есть они происходят одинаково как вперед, так и назад во времени.В 1975 году Тай-Цун Ву и Чен-Нин Ян обобщили эффект на неабелев режим в виде мысленного эксперимента. Тем не менее оставалось неясным, возможно ли вообще когда-либо наблюдать этот эффект в неабелевой системе. У физиков не было способов создать эффект в лаборатории, а также не было способов обнаружить эффект, даже если он мог быть произведен. Теперь обе эти загадки решены, и наблюдения выполнены успешно.

Эффект связан с одним из странных и парадоксальных аспектов современной физики, с тем фактом, что практически все фундаментальные физические явления не зависят от времени.Это означает, что детали того, как взаимодействуют частицы и силы, могут двигаться вперед или назад во времени, а фильм о том, как разворачиваются события, может быть запущен в любом направлении, поэтому нет никакого способа сказать, какая из них настоящая. Но несколько экзотических явлений нарушают симметрию этого времени.

Создание абелевой версии эффектов Ааронова-Бома требует нарушения симметрии обращения времени, что само по себе является сложной задачей, говорит Солячич. Но для достижения неабелевой версии эффекта требуется несколько раз и разными способами ломать это обращение времени, что делает его еще более сложной задачей.

Для создания эффекта исследователи используют поляризацию фотона. Затем они произвели два разных типа взлома с обращением времени. Они использовали волоконную оптику для создания двух типов калибровочных полей, которые влияли на геометрические фазы оптических волн, во-первых, отправляя их через кристалл, смещенный мощными магнитными полями, а во-вторых, модулируя их изменяющимися во времени электрическими сигналами, оба из которых ломаются. симметрия относительно обращения времени.Затем они смогли создать интерференционные картины, которые выявили различия в влиянии света на свет, проходящий через оптоволоконную систему в противоположных направлениях, по или против часовой стрелки. Без нарушения инвариантности к обращению времени лучи должны были быть идентичными, но вместо этого их интерференционные картины выявили определенные наборы различий, как и предсказывалось, демонстрируя детали неуловимого эффекта.

Первоначальная абелева версия эффекта Ааронова-Бома «наблюдалась с помощью ряда экспериментальных усилий, но неабелев эффект до сих пор не наблюдался», — говорит Ян.Открытие «позволяет нам делать много вещей», — говорит он, открывая дверь для широкого спектра потенциальных экспериментов, включая классические и квантовые физические режимы, для изучения вариаций эффекта.

Экспериментальный подход, разработанный этой командой, «может вдохновить на реализацию экзотических топологических фаз в квантовом моделировании с использованием фотонов, поляритонов, квантовых газов и сверхпроводящих кубитов», — говорит Солячич. По его словам, для самой фотоники это может быть полезно во множестве оптоэлектронных приложений.Кроме того, неабелевы калибровочные поля, которые группа смогла синтезировать, вызвали неабелеву фазу Берри, и «в сочетании с взаимодействиями она потенциально может однажды послужить платформой для отказоустойчивых топологических квантовых вычислений», — говорит он. .

На данный момент эксперимент представляет в первую очередь интерес для фундаментальных физических исследований с целью лучшего понимания некоторых основных основ современной физической теории. Многочисленные возможные практические применения «потребуют дополнительных прорывов в будущем», — говорит Солячич.

Во-первых, для квантовых вычислений эксперимент нужно было бы масштабировать от одного-единственного устройства до, вероятно, целой их решетки. И вместо лучей лазерного света, использованных в их эксперименте, потребовалось бы работать с источником одиночных отдельных фотонов. Но даже в нынешнем виде систему можно использовать для изучения вопросов топологической физики, которая является очень активной областью текущих исследований, говорит Солячич.

---

Исследования показывают экзотические квантовые состояния в двухслойном графене

---

Доп. Информация: «Синтез и наблюдение неабелевых калибровочных полей в реальном пространстве» Science (2019).science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.aay3183 Предоставлено Массачусетский Институт Технологий

Ссылка : Феномен экзотической физики наблюдается впервые (5 сентября 2019 г.) получено 22 апреля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-09-экзотика-физика-феномен.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

2 Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? | Физика конденсированного состояния и материалов: наука о мире вокруг нас

Ниже приведен неисправленный машинно-читаемый текст этой главы, предназначенный для предоставления нашим собственным поисковым системам и сторонним системам богатого, репрезентативного для каждой главы текста каждой книги с возможностью поиска.Поскольку это НЕПРАВИЛЬНЫЙ материал, пожалуйста, рассматривайте следующий текст как полезный, но недостаточный прокси для авторитетных страниц книги.

2 Как сделать комплекс Явления возникают из Простые ингредиенты? Большинство материалов состоит из простых и понятных компонентов, но все же аг- Gregate поведение материалов потрясающе разнообразно и часто глубоко загадочно — прямой результат сложности больших систем.Подобно тому, как толпа может действовать не- характерные для любого человека в нем, удивительные возникающие явления также можно увидеть в скоплениях электронов, молекул и даже в знакомых объектах, таких как зерна песка. Например, песок можно наливать, как воду из ведра, но в отличие от любого жидкость, она также выдерживает вес человека, идущего по пляжу. В дробном квантовое состояние Холла, причудливое жидкое состояние электронов, добавленный электрон сломается в новые частицы, каждая из которых несет точную долю заряда оригинальный электрон.В сверхпроводнике электрический ток может течь бесконечно без разложения. Это невозможно для отдельных песчинок или индивидов. визуальные электроны. Взаимосвязь между свойствами индивида и поведение в целом очень тонкое и трудноразличимое, и оно лежит в основе физика конденсированных сред и материалов (CMMP). Задача состоит в том, чтобы понять как возникают коллективные явления, открывать новые и определять, какие микроскопические детали не важны, а существенны.Эмерджентные явления: красивые и полезные Физики двадцатого века создали поразительно успешное понимание структуры атомов и молекул, взаимодействия субатомных частиц со светом и единым описанием всех фундаментальных сил в природе, кроме гравитации. Квантовая механика и квантовая электродинамика, наиболее успешные количественные 30

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 31 год Теории, разработанные человечеством, позволяют проводить чрезвычайно точные расчеты. зависимости свойств отдельных и малых совокупностей частиц.Однако природа сталкивает нас с материалами, состоящими из невообразимо больших размеров. количество частиц. Например, в меди намного больше электронов. копейки, чем звезд в известной вселенной. Поэтому неудивительно, что физики конденсированных сред и материалов регулярно обнаруживают явления, которые не они были ни предвидены, ни легко поняты. Эти явления возникают как коллективные аспекты имеющегося материала. Эмерджентные явления — это свойства системы многие взаимодействующие части, не являющиеся свойствами отдельного микроскопа. элементы.Часто бывает трудно понять такие коллективные свойства. с точки зрения движения отдельных составляющих частиц. Возникающие явления происходят во всех масштабах, от микроскопических до повседневных и астрономических, и из пределов квантовой механики в мир, известный Ньютону и Максвелл. Бесконечное разнообразие возникающих явлений гарантирует, что красота, азарт и глубокая практическая польза от физики конденсированных сред и материалов составляют неиссякаемый ресурс.Возникающие явления — это не просто академические курьезы. Некоторые, как возникновение жизни из биомолекул, определяет само наше существование. Другие, как регулярное расположение атомов в кристаллах просто настолько знакомо, что мы редко даже сделать паузу, чтобы больше не удивляться им. Таких примеров бесчисленное множество. В то же время открытие и изучение возникающих явлений часто приводит к чрезвычайно важные практические приложения. Сверхпроводимость, обнаруженная почти 100 лет назад — хороший пример.В то время как голландский физик Камерлинг-Оннес сделал предусмотреть создание магнитных полей с помощью соленоидов, намотанных из сверхпроводника. Используя провод, он никогда не мог предвидеть сверхпроводящие магниты, достаточно большие, чтобы окружают человека, ни то, что такой магнит был бы сердцем технологического чудо (магнитно-резонансная томография; см. рис. 1.1 в главе 1), что произвести революцию в медицине. Забегая вперед, можно представить, что недавно обнаруженные создали высокотемпературные сверхпроводники, которые до сих пор находят ограниченное применение. может в конечном итоге сыграть важную роль в сокращении мирового потребления энергии. позволяя передавать электроэнергию без потерь на большие расстояния.в отличие сверхпроводников, которым потребовалось много десятилетий, чтобы найти широкомасштабное применение, существует самый недавний драматический пример гигантских магниторезистивных материалов, который появился доминировать над хранением данных на жестком диске всего за несколько лет. Жидкокристаллические материалы, в котором большое количество асимметричных молекул в растворе демонстрирует головокружительную множество возникающих фаз, которые используются в повседневной электронике, например, в сотовых телефонах. и портативные компьютеры. Застревание сыпучих материалов (обсуждается ниже), возможно незнакомый среднему гражданину, это возникающее явление с реальными экономическими последствия в горнодобывающей, фармацевтической и других отраслях.И список продолжается. Эмерджентные явления настолько распространены, что всесторонний обзор — это одновременно

32 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s невозможно и неуместно. Комитет по CMMP 2010 полностью ожидает, что большая часть наиболее значительных исследований в ближайшее десятилетие, как и в прошлом десятилетия, будут вызваны открытием новых возникающих явлений, которые вряд ли можно ожидать в каком-либо существующем списке «наиболее важных» проблем.Здесь обсуждается несколько примеров, чтобы проиллюстрировать поиски, лежащие в основе большей части CMMP, чтобы понять взаимосвязь между свойствами «микроскопических» компонентов материи и макроскопического поведения в целом. Сверхпроводимость, явление многовековой давности, обсуждается в первую очередь, потому что это одновременно необычайно драматический пример возникновения и один из самых ярких примеров. Сегодняшние области исследований в CMMP. За этим примером следует более общий обсуждение текущих тенденций в исследованиях ферми- и неферми-жидкостей, на системы квантового эффекта Холла, а также критические явления и универсальность в классах. физические и квантово-фазовые переходы.Появление в ультрахолодных атомарных газах и в подробные сведения завершают список тематических исследований. (Дальнейшее обсуждение важных эмерджентные явления в CMMP можно найти в другом месте в этом отчете, особенно в главе 4 о физике жизни и главе 5 о системах, далеких от равновесия.) После примеров приведены несколько кратких замечаний о том, как полностью реализовать потенциал. появления. Сверхпроводимость: иллюстративный Пример и рубеж исследований Во многих материалах экзотические и неожиданные явления возникают из-за сильной взаимодействия между составляющими частицами на микроскопическом уровне.Квантовый механика часто играет ключевую роль и делает явления особенно загадочными. и нелогично. Сверхпроводимость, свойство некоторых материалов нести электрические токи без какой-либо диссипации энергии, является типичным примером такого квантового возникающего явления. Впервые обнаружен в ртути в 1911 г. Камерлинг-Оннес и его аспирант Холст в своих новаторских экспериментах на свойствах вещества вблизи абсолютного нуля температуры, сверхпроводимости Это было совершенно неожиданно и сопротивлялось объяснению в течение почти 50 лет.Настоящее время, Исследователи CMMP хорошо понимают феномен ртути и другие аналогичные металлы, где переход в сверхпроводящее состояние происходит при очень низкая температура. Но природа гораздо изобретательнее, и это комфортно. ситуация была радикально нарушена всего 20 лет назад с открытием нового класса сверхпроводники, имеющие гораздо более высокие температуры перехода. Нет общепринятой теории высокотемпературной сверхпроводимости, несмотря на огромные усилия и применение самых сложных инструментов теоретической физики большое количество исследователей по всему миру.В отличие от низкотемпературного металлического сверхпроводников, эти новые материалы не совсем понятны даже в их нормальные, несверхпроводящие состояния. Действительно, высокотемпературные сверхпроводники

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 33 выделить одну из самых широких и наиболее важных текущих проблем во всей физике, сильно взаимодействующая квантовая проблема многих тел. Все материалы в той или иной степени проводят электрический ток, но сила которые должны применяться для поддержания тока, сильно различаются от материала к материалу.Сопротивление материала определяет, насколько большое напряжение должно быть приложено, чтобы сохранить заданное количество тока. Другими словами, чтобы поддерживать заданную сумму тока потребляет мощность пропорционально сопротивлению. В сверхпроводнике сопротивление точно равно нулю, поэтому постоянный ток может вечно течь вокруг сверхпроводящее кольцо без батареи или генератора! Пытаясь количественно оценить значение слова «навсегда», измерения были проведены, чтобы попытаться обнаружить скорость затухания постоянных токов в сверхпроводящие кольца.В этих экспериментах ток в кольце измеряется очень сильно. точно в начальное время, а затем снова спустя долгое время. Несмотря на крайнюю точность этих измерений, снижения тока не обнаружено. Даже если ток затухал с максимально возможной скоростью, совместимой с точностью измерения, ток не исчезнет с возрастом Вселенной. Сверхпроводимость возникает при понижении температуры ниже критической. значение. Это означает, что сопротивление металла, такого как ртутный стержень, — По словам Камерлинг-Оннеса, имеет ненулевое значение при температуре всего лишь доли на градус выше критической температуры.Однако при любой температуре ниже критическая температура, сопротивление равно нулю. Это один и тот же кусок металла. выше и ниже критической температуры, и одни и те же электроны несут Текущий. При критической температуре в организация огромного количества электронов в металле, которая заставляет их образуют сверхпроводящее состояние. Обычно ученые думают о квантовой механике как о совокупности физических принципов. правила, управляющие движением небольшого числа микроскопических частиц — атомов и электроны и ядерное вещество.Квантовая механика обычно только косвенно проявляется в свойствах макроскопической материи — объектов, достаточно больших, чтобы удерживаться в одна рука. Однако сверхпроводники обладают множеством нелогичных свойств, которые отражают лежащую в их основе квантовую природу. Наличие постоянного тока — это конкретная демонстрация квантовой механики в макроскопическом масштабе. Поскольку текущий рента производит магнитные поля, возможно, неудивительно, что магнитный винт Свойства сверхпроводников также беспрецедентны.Действительно, в 1933 году Мейснер и Ошенфельд обнаружили, что сверхпроводники полностью вытесняют (небольшие) магнитные поля из их интерьера. Фактически, в сверхпроводящем устройстве квантовой интерференции (СКВИД) существует связь между частотой колебаний тока и величиной приложенное напряжение, которое включает только заряд электрона и фундаментальную постоянная квантовой механики, постоянная Планка. Эта связь была обнаружена экспериментально, чтобы быть универсальным с точностью лучше, чем 3 части из 1019, что означает, что часы, основанные на двух независимых джозефсоновских переходах, держались на одном и том же

34 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s напряжения будут отличаться друг от друга не более чем на одну десятую секунды выше временной интервал, равный возрасту Вселенной! Невозможно представить, чтобы какой-либо из основатели квантовой механики могли предвидеть, что измерение мак- микроскопические величины напрямую и с такой точностью зависели бы от законов квантовая механика.Наконец, макроскопические квантовые явления, безусловно, не ограничивается сверхпроводниками. Обычный магнит с запиской на кухне Холодильник представляет собой драматический повседневный пример: присутствует постоянное магнитное поле. без батареи, чтобы токи текли. Этот макроскопический квантовый феномен — Энон столь же впечатляющ, как и постоянные токи в сверхпроводнике. Одним из величайших достижений CMMP 20-го века является микроскопическая теория сверхпроводимость в обычных металлах, теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).Неудивительно, поскольку сверхпроводимость предполагает лишь тонкую низкотемпературную изменение свойств электронов в металле, теория БКШ основана на Не менее успешна ферми-жидкостная теория свойств нормальных металлов. (Ферми Теория жидкости и ее разрушение обсуждаются ниже.) Более того, сотни различных Некоторые металлы, которые являются сверхпроводниками БКШ, были идентифицированы, хотя в основном с температурами сверхпроводящего перехода менее 10 К.Хотя теория редко приводил к предсказанию новых сверхпроводников, он давал качественные руководство по поиску новых низкотемпературных сверхпроводников. Начиная с открытия в 1986 г. сверхпроводимости при 30 К в La2 – xBaxCuO4 Беднорца и Мюллера, новый класс материалов, теперь известный как высокотемпературный сверхпроводники, стали объектом интенсивных исследований. Высший суперкон- Температура перехода воздуховодов, обнаруженная на сегодняшний день в этих материалах, составляет приблизительно 150 K в HgBa2Ca2Cu3O8 + x под давлением — примерно в 10 раз выше, чем у любого другого ранее известный сверхпроводник.Микроскопические взаимодействия, ответственные за переход в сверхпроводящее состояние отличается от таковых в сверхпроводящем БКШ. проводники. Причем так называемое нормальное состояние наблюдается при температурах выше сверхпроводящий переход сильно отличается от перехода нормального металла и не совсем понятно. Высокотемпературные сверхпроводники относятся к большому классу синтетических материалы (т.е. они не появляются в природе), известные как высококоррелированные электронные материалы (см. рисунок 2.1). Исследования в этой области за последние два десятилетия были богаты открытиями и бросают вызов всей квантовой теории твердые тела. Эти новые материалы демонстрируют поразительное множество новых явлений: фер- ромагнетизм и антиферромагнетизм, орбитальное упорядочение и долгопериодический заряд упорядочение, гигантское и колоссальное магнитосопротивление, новые типы сверхпроводимости с новыми формами нарушенной симметрии и всевозможными флуктуационными явлениями над беспрецедентно широкий диапазон температурных и материальных параметров.Получение обоснованное качественное понимание нормального состояния на уровне Ферми-жидкостная теория простых металлов — одна из самых сложных и наиболее сложных. серьезные проблемы, с которыми сталкивается CMMP. Понятно, что понимание механизма высокого

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 35 год РИСУНОК 2.1– Локальная электронная структура высококоррелированного электронного твердого тела, визуализированная с помощью суб- разрешение в атомном масштабе с использованием сканирующего туннельного микроскопа.Это не абстрактный импрессионист картина. Это самоорганизованная структура, «видимая» на гладкой сколотой поверхности кристалла высокотемпературный сверхпроводник Bi2Sr2CaCu2O8 + δ. Шаблоны представляют изменения в электронном структуры, которые закреплены в высокоорганизованном, но в конечном итоге случайном («стеклянном») образце. Подробный информация об организованной структуре электронов в твердых телах, которую этот вид эксперимента обеспечивает открылись беспрецедентные возможности для изучения окончательных связей между микро- объемная физика и эмерджентные свойства материалов.ИСТОЧНИК: Y. Kohsaka, C. Taylor, K. Fujita, A. Шмидт, К. Лупиен, Т. Ханагури, М. Адзума, М. Такано, Х. Эйсаки, Х. Такаги, С. Учида и Дж. К. Дэвис, «Внутреннее электронное стекло с центром на связях и однонаправленными доменами в недодопированных купратах», Science 315, 1380-1385 (2007). Перепечатано с разрешения Американской ассоциации Развитие науки. температурная сверхпроводимость на уровне, который может дать качественное руководство для поиск других, возможно, даже более высокотемпературных сверхпроводников является проблемой лем огромной важности.Несомненно, не случайно, что так много других видов эмерджентных состояний (упорядоченных фаз) возникают в этом классе материалов — понимание соотношение между различными типами упорядоченных фаз этих материалов и понимание того, как они соотносятся со свойствами нормалей неферми-жидкости

36 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s фазы — это проблемы, которые будут занимать большую часть внимания CMMP в ближайшем будущем. десятилетие.Ферми-жидкости и неферми-жидкости Если бы можно было игнорировать взаимодействия между электронами в твердом теле, правильное связи материала могут быть выведены из теории, которая рассматривает только один электрон вовремя. Хотя это может показаться абсурдным предположением, поскольку электроны заряжены и сильно отталкиваются друг от друга, такие одноэлектронные теории часто работают замечательно хорошо. Квантовая механика необходима для понимания того, почему это так. так. Все электроны по сути идентичны друг другу, как и все протоны, все нейтроны и так далее.Квантовая механика устанавливает очень строгие правила для поведение систем, содержащих много одинаковых частиц. Если позиции двух одинаковые частицы меняются местами, квантовая механика, естественно, настаивает на том, что не быть заметными последствиями. За исключением некоторых редких случаев, описанных ниже, есть только два способа, которыми квантовая волновая функция материала может удовлетворяют этому требованию: либо (1) с волновой функцией вообще ничего не происходит при обмене двумя частицами или (2) меняет знак.Частицы, для которых волновая функция меняет знак, называются фермионами, а те, у которых знак сохраняющиеся при обмене известны как бозоны. Электроны являются фермионами, поэтому многоэлектронная волновая функция меняет знак. когда двое меняются местами. Это свойство лежит в основе принципа исключения Паули, что обычно говорят школьникам-химикам, означает, что нет двух электронов. могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. Точнее, два электрона запрещены — den из того же квантового состояния.Несмотря на свою расплывчатость, эти Эти оценки позволяют легко понять, почему принцип Паули имеет такое огромное значение для теория материалов. Если никакие два электрона не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время, они редко сближаются так близко, что их взаимное отталкивание становится чрезвычайно сильным. Если никакие двое не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, тогда при низких температурах многие электроны в материале вынуждены последовательно занимать все более и более высокую энергию уровней, образуя «море Ферми».â € В некоторых случаях взаимодействия между электронами недостаточно сильны, чтобы потревожить какие-либо, кроме относительно небольшого количества уровней, которые находятся рядом с поверхность этого моря. По сути, принцип Паули преобразует то, что на первый взгляд кажется безнадежно сильно взаимодействующая система в более слабовзаимодействующую. В Короче говоря, именно поэтому ученые понимают свойства простых металлов. как они это делают. Примечательно, что более изощренная версия изображения «Fermi liquid» просто описанное часто работает очень хорошо, даже когда отталкивающие взаимодействия между электроны довольно сильны (по сравнению со средней кинетической энергией электронов).В этих случаях свойства материала могут быть описаны в терминах новых сущностей. связи, известные как квазичастицы, которые ведут себя так же, как и исходные

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 37 частиц, то есть электронов, за исключением того, что они не сильно взаимодействуют с одним другой (см. рисунок 2.2). Эти квазичастицы можно представить как состоящие из электрон плюс возмущение среди других электронов вокруг него.В некоторых случаях, квазичастицы ведут себя так похоже на исходные электроны, что трудно помните, что это разные объекты. В других случаях квазичастица ведет себя как электрон с сильно измененными свойствами — например, в «тяжелом» фермионные материалы, â € металлические сплавы, содержащие тяжелые элементы, такие как уран и церия, квазичастица может быть в тысячу раз тяжелее, чем электрон. Система, в которой свойства плотной электронной жидкости могут быть связаны к газу слабо взаимодействующих квазичастиц называется ферми-жидкостью.В очень успешная теория нормальных металлов, а также столь же успешная теория простые полупроводники, основана на теории ферми-жидкости. Однако во многих твердых телах, представляющих интерес с электронной точки зрения, в широком диапазоне температур В зависимости от температур, давлений и составов описание ферми-жидкости совершенно не соответствует действительности. Этот класс включает в себя многие из самых интересных материалов, которые были обнаружены а б 4 * 1/3 Амплитуда (нм) 2 0.2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Температура (K) 0 2 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 1 / B (Т 1) ФИГУРА 2.2– Сигнатуры состояния ферми-жидкости в Sr2RhO4, сильно коррелированном материале. (Слева) А карта поверхности Ферми (поверхность с постоянной энергией на уровне Ферми) в обратном пространстве, выявленная фотоэмиссионные эксперименты с высоким разрешением и угловым разрешением. (Справа) Сопротивление как функция магнитное поле при температурах, близких к абсолютному нулю; эти «квантовые колебания» отражают форму поверхность Ферми. Несмотря на то, что этот материал конструктивно чрезвычайно похож на купрат высоко- 2-2 а, б температурные сверхпроводники (такие как La2CuO4 + δ), эти эксперименты однозначно демонстрируют что при достаточно низких энергиях электронные свойства Sr2RhO4 прекрасно представлены газом по существу невзаимодействующих, электроноподобных «квазичастиц».â € ИСТОЧНИК: Печатается с разрешения от Ф. Баумбергера, штат Нью-Джерси. Ингл, В. Меевасана, К. Шен, Д.Х. Лу, Р.С. Перри, А.П. Маккензи, З. Хуссейн, Д.Дж. Сингх и З.-Х. Шен, «Поверхность Ферми и квазичастичные возбуждения Sr 2RhO4», Phys. Rev. Lett. 96, 246402 (2006). Авторское право 2006 г. Американского физического общества.

38 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s и изучали в последние два десятилетия, среди них высокотемпературные супер- проводники и системы квантового эффекта Холла.Есть много понятных качественные причины, по которым теория ферми-жидкости менее успешна в этих новых материалах. Что еще более важно, экспериментальные доказательства того, что поведение этих систем несовместимая с ферми-жидкостной теорией ясна и неопровержима. Это свидетельство варьируется от прямых проверок гипотезы квазичастиц, например, с угловым разрешением фотоэмиссионные измерения, которые могут напрямую «видеть» квазичастицу, если она существует, косвенные испытания, такие как измеренное удельное сопротивление металла, превышающее максимальное что согласуется с квантовым движением независимых квазичастиц.Недостаток- Сегодня это концептуально ясная и вычислительно управляемая структура для понимание свойств «неферми-жидкости» электронов. Некоторые из основных ингредиентов в понимании неферми-жидкости ясны. Основные движущиеся объекты — это уже не электроны, а, скорее всего, большие скопления электронов движутся согласованно. Строительные блоки теории такое состояние, таким образом, сильно отличается от квазичастиц теории ферми-жидкости.Лучшая интуитивная картина может быть получена, если представить жидкость, состоящую из частей. расплавленных электронных кристаллов, или магнитов, или сверхпроводников, а не только отдельных квазичастицы. Соответственно, свойства такой системы нелегко определить. выводится из свойств отдельных электронов. Например, жидкость пар- По существу упорядоченные магниты могут иметь промежуточные магнитные свойства магнита и нормального металла (см. рисунок 2.3). Такое поведение легче всего рассматриваются в непосредственной близости от «квантовой критической точки», разделяющей два различных фазы, как описано ниже.Однако это только верхушка айсберга. Широкое распространение нефермиевских жидкие явления предполагают, что это связано с новыми квантовыми фазами или, по крайней мере, с чрезвычайно новые режимы материи. Коррелированное движение многих частиц затруднено охарактеризовать и еще труднее понять. Однако нефермиевские жидкий характер проявляется в быстро растущем количестве интересных материалов придает проблеме непосредственность и неотразимость.Более того, различные новые теоретические идеи, новые экспериментальные открытия и методологические достижения в теории и эксперименте (некоторые из которых обсуждаются в главе 11) вселяют надежду на то, что в понимании дела происходят существенные сдвиги. Один набор новых идей связан с существованием кванта нарушенной симметрии. фазы, обладающие «скрытыми» (т.е. трудно обнаруживаемыми) типами порядка. Например, интерес недавно сосредоточился на классе состояний со сложными паттернами спонтанных генерируются постоянные токи.Такого состояния пока однозначно не выявлено. в реальном материале; наоборот, даже если такое состояние произойдет, было бы очень трудно для обнаружения с помощью самых обычных измерений. Еще один интересный класс состояний со скрытым порядком — электронные аналоги. классических жидкокристаллических состояний, которые встречаются в сложных жидкостях. В простом жидкость, частицы могут перетекать из одной точки в другую, все точки в пространстве

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 39 а б ФИГУРА 2.3 — Расчетный магнитный структурный фактор для «полосатоупорядоченного» антиферромагнетика. Сильный взаимодействия между электронами могут привести к сложным упорядоченным состояниям с возбуждением, подобным частицам, которые не похожи на электронные. Одно из таких состояний, которое было непосредственно идентифицировано в нейтроне 2-3 а, б эксперименты по рассеянию на ряде оксидов переходных металлов, в том числе на некоторых высокотемпературных сверхвысоких температурах. перпроводники (такие как La2CuO4 + δ), представляет собой однонаправленный несоразмерный антиферромагнетик, или «полосатый фаза, схематически изображена (правая панель).Возникающие частицоподобные возбуждения, возникающие в таких состояния являются зарядово-нейтральными «спиновыми волнами», спектр которых рассчитывается здесь (левые панели) и которые действительны глубоко в упорядоченной фазе. ИСТОЧНИК: (Слева) Печатается с разрешения D.X. Яо, Э. Карлсон, Д. Кэмпбелл, «Магнитное возбуждение полос и шахматных досок в купратах», Phys. Ред. B 73, 224525 (2006). Авторское право 2006 г. Американского физического общества. (Справа) Стивен А. Кивельсон, Стэнфордский университет. эквивалентны, и все направления одинаковы.В кристалле есть решетка, на которой атомы или молекулы локализованы в узоре, который периодически повторяется через пространство, так что разные точки в элементарной ячейке отличаются друг от друга, и различных направлениях относительно осей симметрии, определяемых кристаллом порядок строк, отличаются друг от друга. Жидкокристаллические состояния демонстрируют образцы нарушение симметрии является промежуточным звеном между простыми жидкостью и кристаллом.

40 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s Например, «нематика» — это однородное жидкое состояние, в котором одно пространственное направление отличается от двух других.Традиционно нематик описывается как состоящий из жидкость из сигарообразных молекул, в которой молекулы могут течь, но они предпочтительно ориентированы в одном направлении. На первый взгляд нематический электрон жидкость кажется невероятной, поскольку электроны имеют точечную форму, а не сигарообразную форму. Тем не мение, в некоторых обстоятельствах можно думать о сильно коррелированном электроне. жидкость как состоящая из расплавленных фрагментов соответствующего электронного кристалла; эти фрагменты, в свою очередь, могут играть роль сигарообразных молекул в классическом нематический.Электронную нематическую фазу также трудно обнаружить для различных технических целей. причины, в том числе тот факт, что кристаллические дефекты могут маскировать его возникновение на макроскопических шкалах и что его трудно отличить от более привычных изменение кристаллической структуры материала-хозяина под действием деформации. Однако, как обсуждается ниже, недавно были получены убедительные доказательства наличия электронной нематической фазы. обнаружены в квантовых устройствах Холла с чрезвычайно высокой подвижностью Более того, свидетельства существование таких фаз недавно было обнаружено в ряде интересных весьма коррелированные материалы, включая Sr3Ru2O7 и некоторые высокотемпературные сверхвысокие температуры. проводники (например,г., La2 – xBaxCuO4). Еще более революционный круг идей, построенный на понятии «фракционного» ized ”фазы, в последние годы привлекает все большее внимание. Ключевая идея здесь могут существовать резкие различия между отдельными квантовыми фазами материи. которые не имеют ничего общего с четкими схемами нарушения симметрии. Скорее эти фазы характеризуются абстрактной формой порядка — так называемым топологическим порядком. Поскольку порядок такой тонкий, трудно экспериментально установить, где именно фазы встречаются в природе.Наиболее непосредственно экспериментально доступная характеристика этих фаз заключается в существовании новых типов квазичастиц, которые ведут себя как «доля» электрона. Например, в одном из лучших теоретически охарактеризованных из этих фаз нет квазичастиц, несущих как заряд, так и спин обычные электроны. Вместо этого появляются два новых и очень странных вида частиц: одна. из которых несет только вращение, а другой — только заряд. В другой системе Таким образом, квазичастицы несут определенную долю — например, одну треть — заряд электрона.При некоторых обстоятельствах эти квазичастицы также считаются обладать «дробной» квантовой статистикой. Другими словами, волновая функция двух такие идентичные частицы не сохраняют и не меняют своего знака, когда частицы заменяется местами, но вместо этого умножается на комплексное число (например, кубический корень №1!). Такие частицы не являются ни бозонами, ни фермионами; они называются анйонами. В настоящее время фракционирование является установленным экспериментальным фактом только в дробное квантовое состояние Холла, как объясняется в следующем разделе.Доказательства наводящие на размышления о существовании фракционированных фаз сообщалось в последние несколько лет в ряд сильно коррелированных материалов, которые демонстрируют особенно необычные свойства — галстуки. Более того, поиск дробных состояний получил дополнительный импульс благодаря осознание, обсуждавшееся в главе 7, что такие фазы могут производить однозначно

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 41 год благоприятные структуры для построения квантового компьютера.Однако это проблема ближайшего десятилетия, чтобы выяснить, какие из этих фаз на самом деле существуют в природа и где (т. е. из каких материалов). Квантовые системы Холла и открытие новых квантовых состояний материи Концепции фракционирования и неферми-жидкостей уходят корнями в электрические электронные материалы, размер которых меньше трехмерного. Например, это было с 1960-х годов известно, что безупорядоченная одномерная электронная система может не быть ферми-жидкостью.В отличие от электронов в двух и трех измерениях, распределение движение в импульсном пространстве одномерных электронов не имеет разрыва. по импульсу Ферми даже при нулевой температуре. Экспериментальные доказательства такие «жидкости Латтинжера» накопились в последние годы в результате исследований электрических проводимость в углеродных нанотрубках и по краям двумерных электронных системы в сильном магнитном поле, а также из более сложных экспериментов (например, как фотоэмиссия с угловым разрешением и оптическая проводимость), выполненные на различных другие «квазиодномерные» материалы, в которых электроны могут легко перемещаться только в одном направлении.Фракционализация уже хорошо известна в двумерных электронных системах. (см. рисунок 2.4). Большое магнитное поле, перпендикулярное двумерной плоскости. разбивает непрерывное в противном случае распределение энергии электронов на лестницу дискретных состояний, известных как уровни Ландау. Поскольку энергия электрона в кругообороте Величина орбиты циклотрона не зависит от того, где находится орбита, каждая Ландау уровень может содержать много электронов, общее количество пропорционально магнитуре. сетевое поле.Следовательно, при достаточно сильных магнитных полях все двумерные электроны в данном образце могут поместиться на самый нижний уровень Ландау и иметь точно та же кинетическая энергия. Без изменения кинетической энергии кулоновский взаимодействие между электронами полностью доминирует в физике чистых образцов. В реальном смысле это самая сильно взаимодействующая квантовая система, которую только можно вообразить. Это именно в этом режиме Цуй, Штормер и Госсард открыли знаменитый дробный квантовый эффект Холла (FQHE) в 1982 г.Они заметили, что когда самый низкий Ландау уровень заполнен на одну треть, совершенно неожиданное квантованное плато в холловом сопротивлении. Возникает сопротивление, сигнализирующее об открытии энергетической щели. Вскоре после этого Лафлин объяснил эффект появлением нового состояния материи, которое полностью сильными кулоновскими корреляциями между электронами. Теория Лафлина была â € ŠD.C. Цуй, Х.Л. Штормер и А.К. Госсард, «Двумерный магнитотранспорт в экстремальных условиях. Квантовый предел, Phys. Ред.Lett. 48, 1559 (1982). â € ŠR.B. Лафлин, «Аномальный квантовый эффект Холла: несжимаемая квантовая жидкость с фракционированием». Заряженные возбуждения // ФММ. Rev. Lett. 50, 1395 (1983).

42 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h y s i c s РИСУНОК 2.4– Квантовые фазы и фазовые переходы в двухподзонном квантовом устройстве Холла. Показано вот контурная карта удельного сопротивления двумерного электронного газа, который был захвачен на интерфейс между двумя полупроводниками.По оси ординат отложено напряжение затвора, приложенное к образцу. (который изменяет плотность электронов), а по оси абсцисс отложена сила приложенного магнитного поля. Темные области, где удельное сопротивление становится исчезающе малым по мере того, как температура стремится к абсолютный ноль, представляют собой различные состояния квантового эффекта Холла, где целые числа обозначают значение квантовой измеренная холловская проводимость в единицах кванта проводимости. Яркими областями отмечены точки при котором происходят квантовые фазовые переходы между различными фазами.Дело в том, что сопротивление не обращается в нуль и не расходится при стремлении температуры к нулю вдоль квантовых критических линий. ощутимое отражение существования квантовых флуктуаций на всех масштабах длины. ИСТОЧНИК: перепечатано с разрешения X.C. Чжан, Д. Фаулхабер и Х. Цзян, «Несколько фаз с одним и тем же Квантованная холловская проводимость в двухподзонной системе // ФММ. Rev. Lett. 95, 216801 (2005). Авторские права 2005 г. Американским физическим обществом. первым подразумевать существование фракционированных элементарных частиц внутри сильно коррелированная электронная система.Эти новые частицы, несущие ровно одну треть заряд обычного электрона, не являются ни бозонами, ни фермионами, а вместо этого обладают упомянутую выше причудливую статистику биржевого обмена. Очень сильный экспериментальный доказательства дробного заряда этих частиц теперь существуют, и экспериментальные Доказательство дробной статистики в настоящее время активно ведется. FQHE при заполнении на треть нижнего уровня Ландау оказался только один из членов большого семейства подобных коррелированных фаз двумерных электрических

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 43 год тронов.За последние 25 лет было проведено множество впечатляющих экспериментальных наблюдений. сделал, а также сложное и единое теоретическое понимание большей части FQHE развита феноменология. Поле остается ярким, с темпом новые открытия, параллельные постоянно растущему качеству полупроводниковых гетеро- образцы эроструктуры, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Совсем недавно интерес сфокусирована на ДКЭХ, возникающем при половинном заполнении первого возбужденного уровня Ландау (так называемое 5/2-состояние).Ожидается, что это хрупкое государство будет обладать еще более странным форма биржевой статистики, в которой результат множественных обменов пар частиц зависит от порядка, в котором происходят обмены. Наблюдение за такая «неабелева» статистика имела бы глубокое фундаментальное значение для физических и возможное влияние на схемы квантовых вычислений, поскольку неабелева ожидается, что системы будут особенно нечувствительны к видам помех, которые обычно нарушают квантовую когерентность.Постоянное повышение качества образцов также привело к недавнему открытию новых электронные фазы вне парадигмы FQHE. В умеренных магнитных полях, где заняты несколько уровней Ландау, возникают коллективные состояния, напоминающие как классических жидких кристаллов, так и закрепленных волн зарядовой плотности. Например, около половины заполнения высоковозбужденных уровней Ландау, электропроводность в двумерная система самопроизвольно становится крайне анизотропной при очень низкая температура (ниже примерно 150 мК).Поразительно, что эта анизотропия исчезает на немного отходит от половинного заполнения и отсутствует в обоих очень слабые и очень сильные магнитные поля. Считается, что этот эффект отражает полосу — как образец модуляции плотности заряда в двумерной системе. Пока квантовые и тепловые флуктуации разрушают дальний порядок полос, местный порядок сохраняется. По сути, двумерная электронная система распадается. в набор полосатых доменов. Выше примерно 150 мК эти домены считаются изначально ориентированы случайным образом, а суммарное удельное сопротивление системы изотропно.В при более низких температурах устанавливается ориентационный порядок, и сопротивление быстро становится равным анизотропный. Как обсуждалось выше, эта ситуация очень похожа на изотропный фазовый переход в нематик в классических жидких кристаллах (см. рис. 2.5). В таком случае, локальные полосковые домены электронов играют роль молекул причудливой формы в жидком кристалле. Что система точечных электронов будет имитировать жидкость кристалл — один из самых ярких примеров появления за последние годы.Интересно, что квантовый эффект Холла недавно был обнаружен в графене. (одиночные атомные слои графита). Это особенно интересно, поскольку графен полуметалл, низкоэнергетическая зонная структура которого точно имитирует динамику безмассовые релятивистские частицы, так называемые фермионы Дирака, знакомые специалистам в области высоких энергий. физики. Другими словами, кинетическая энергия электронов (или дырок) в графене прямо пропорциональна их импульсу, а не квадрату. Этот аспект (и др.) зонной структуры графена создает спектр квантового холловского состояний, отличных от того, что можно найти в обычных двумерных электронных

44 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s ФИГУРА 2.5â € ‚Квантовые и классические нематические жидкие кристаллы. Фоновое изображение представляет собой поляризацию микроскопическое изображение классического нематического жидкого кристалла, похожего на те, что встречаются в сотовых телефонах, компьютерные дисплеи или наручные часы. График и вставки описывают развитие квантовой жидкокристаллическое поведение в совокупности электронов, движущихся по плоской поверхности нематической жидкости кристалл в присутствии перпендикулярного магнитного поля. Красные и синие кривые показывают, как электрически сопротивление системы, измеренное в двух взаимно перпендикулярных направлениях, становится чрезвычайно анизотропный при температурах, близких к абсолютному нулю.Считается, что эта анизотропия возникает из-за спонтанного танное ориентационное упорядочение небольших вытянутых сгустков электронов, как это предполагается черными стержнями. в нижних вставках. ИСТОЧНИКИ: (График) Дж. П. Эйзенштейн, «Двумерные электроны в возбужденном Ландау. Уровни: свидетельства новых коллективных состояний, Solid State Commun. 117, 123-131 (2001). (Задний план image) Фотография Олега Д. Лаврентовича, Институт жидких кристаллов Кентского государственного университета. материалы (например, в кремниевых инверсионных слоях или квантовых ямах арсенида галлия).На сегодняшний день только целочисленные, в отличие от дробных, квантованные состояния Холла. обнаружен в графене. Это говорит о том, что качество текущих образцов невысокое. достаточно высокий, чтобы тонкие, многочастичные корреляции FQHE сохраняли свое влияние

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 45 над эффектами разупорядочения примесей. Интенсивность исследований графена составляет теперь огромный. Есть все основания полагать, что значительный прогресс, в том числе открытие новых возникающих явлений и разработка более эффективных средства для создания, манипулирования и использования чистых графеновых пленок. в ближайшее десятилетие.Ясно, что коррелированное движение сильно взаимодействующих частиц имеет характер концептуально глубокая проблема с широкими последствиями в областях конденсированных сред и физика материалов, а также в других областях физики. Стремление понять Эмерджентное поведение, вызванное этими корреляциями, является одной из центральных проблем в физике сегодня. Более того, с духом прошлого в качестве пролога каждый причина полагать, что некоторые из этих новых возникающих явлений станут основой технологии будущего имеют огромное значение.Критические явления и универсальность Как правило, фазы материи хорошо определены в том смысле, что многие из свойства данного материала зависят в первую очередь от состояния материала (например, твердое, жидкое или газообразное), и не столько на самом веществе. Все жидкости ведут себя в много знакомых способов; как учатся ученики начальной школы, жидкость имеет фиксированный объем но принимает форму своего сосуда; он течет; звук может распространяться через него; а также так далее. Эти и многие другие особенности присущи жидкой воде, бензину и др. cohol и жидкий гелий.Металл — будь то медь, серебро или органический металл. в основном состоит из углерода и водорода — блестит и легко проводит электричество. Действительно, органический металл и органический изолятор, даже если они могут быть сделаны из По сути, одни и те же составные элементы обладают физическими свойствами, которые разделяют многие меньше возможностей, чем у органического металла и меди. Этот универсальный характер фазы вещества обычно держатся от нанометра до сантиметра масштаб и не только. Фазовые переходы могут происходить в зависимости от температуры, давления или магнитное поле или состав и т. д.Когда вода замерзает, вода температуры чуть ниже точки замерзания представляет собой твердое тело (лед), которое ведет себя довольно почти так же, как лед, который намного холоднее. Вода чуть выше точки замерзания точка является жидкостью и похожа на жидкую воду при более высоких температурах. Изменение в поведение очень прерывистое через точку замерзания. Это пример перехода первого рода. Некоторые другие переходы, такие как переход от парамагнетика к фер- ромагнитной фазы, происходят гораздо более таинственным образом, благодаря «непрерывному переход.â € Близко к критической температуре становится все труднее чтобы сказать, на какой стороне перехода находится система. На шкалах длины, которые получают становится все больше в непосредственной близости от перехода, система не может решить, какой фазовое поведение, и поэтому оно демонстрирует новое, промежуточное поведение — критическое

46 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s б Поведение — это отличается от поведения любой из фаз.В критической точке наблюдаются колебания на всех масштабах длины от микроскопического к макроскопическому. Широкое распределение масштабов длины в критической точке — или технически масштабная инвариантность — впечатляющее явление. Большинство явлений в природе характерный размер. Все атомы (с точностью до двух) — пара ангстрем. в диаметре, а рост людей обычно от 5 до 6 футов. В куске льда, когда атомы перестраиваться (т.е. течь в микроскопическом масштабе), обычно только несколько атомов движутся со скоростью время.Однако вблизи ферромагнитной критической точки происходят коллективные движения с участием переориентация магнитных диполей малых групп из нескольких электронов и огромные пятна из миллионов или миллиардов электронов. «Ренормгрупповая» теория критических явлений в классических системах претерпевает непрерывный фазовый переход, который развивался на протяжении последних трех десятилетий 20-го века, является одним из самых значительных вкладов CMMP в науку.Это дает понимание того, как масштабная инвариантность критическая точка возникает из-за простых микроскопических взаимодействий. Потому что физика рядом с критическая точка возникает в таком широком диапазоне масштабов длины, большая часть подробных информация о микроскопических составляющих материала усредняется. В в количественном смысле поведение систем вблизи критической точки является «универсальным», т.е. является одинаковым для разных систем. Мало того, что намагниченность растет при понижении температуры точно так же в ферромагнетиках из чистое железо или сплавы неодима, но растет точно так же, как разница концентраций растет вблизи критической точки фазового расслоения смесь воды и масла.В самом деле, теория ренормализационной группы предлагает нисходящую перспективу для не- понимание конденсированного состояния, противоположное обычному восходящему редукционизму подход, который фокусируется на выявлении небольшого количества элементарных строительные блоки. Поскольку поведение системы не зависит от того, какой материал изучается, не существует единственного пути от микроскопического понимания законов квантовой механики к макроскопическим свойствам системы вблизи его критическая точка.Скорее, «ответ» в значительной степени не зависит от «вопроса». мощно понятие универсальности, что решение даже значительно упрощенного проблема абстрактной математической модели, если она соблюдает определенные симметрии и ограничения реального мира, можно использовать для получения точных и количественных понимание экспериментальных наблюдений в сложном реальном мире! Это наиболее точно понимаемая реализация более общего понятия эмерджентности.Как и в случае любого революционного изменения, все последствия перенормировки групповой подход продолжают сказываться. Когда происходят непрерывные фазовые переходы при нулевой температуре квантовая механика в макроскопическом масштабе становится важной. тант. Здесь квантовая механика переплетает динамику и термодинамику в единое целое. Таким образом, они никогда не находятся в фазовых переходах конечной температуры («классические»). В

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 47 Наивное развитие успешной теории классических фазовых переходов уже получило было показано, что они дают результаты, которые противоречат эксперименту по квантовой фазовые переходы.Остается неясным, могут ли незначительные модификации классического подход или гораздо более фундаментальные изменения необходимы для решения этих трудностей. галстуки. Переходы также происходят в неравновесных, «управляемых» динамическими системами наиболее известным из которых является переход от ламинарного потока к турбулентности. Многие ездили динамические системы демонстрируют явления в широком диапазоне масштабов — демонстрируя приближенная форма масштабной инвариантности. Уже проделано много красивой работы. применение идей ренормгруппы к этому широкому классу систем, но это явно это лишь верхушка айсберга, о чем говорилось в главе 5. Еще одна обширная территория, в которой существует много связанных открытых проблем — это системы с подавленным беспорядком, в которых есть степени свободы, такие как расположение примесных атомов, которые не в тепловом равновесии. Фазовые переходы — даже классические фазовые переходы — в наличие подавленного беспорядка полностью не изучено, и где подавленный беспорядок беспорядок и квантовые фазовые переходы пересекаются, растет понимание что необходимы совершенно новые концептуальные инструменты. Появление в ультрахолодных атомных газах Быстро растворяющаяся граница между традиционной атомной физикой и CMMP сфокусировала еще одно внимание на феномене эмерджентности.В сближение этих двух полей началось около 10 лет назад, когда при охлаждении разбавленные газы атомов (например, 87Rb), захваченные в магнитных баллонах, при температуре нанокельвина в диапазоне температур, физикам-атомщикам удалось непосредственно засвидетельствовать это явление. конденсации Бозе-Эйнштейна (БЭК). В BEC квантовая неопределенность скрывает идентичность отдельных атомов и вместо этого наделяет весь ансамбль единственная когерентная волновая функция. В то время как конденсация Бозе-Эйнштейна была долгой Известно, что физики CMMP ответственны за явление сверхтекучести. в жидком гелии, его однозначное наблюдение в самых разных высококонтрольных Исследование атомных систем стало переломным моментом в физике.С момента первых наблюдений БЭК поле ультрахолодных атомарных газов изменилось. динамически расширялся как в эксперименте, так и в теории. Особенно драматично среди много захватывающих событий было наблюдение за спариванием Купера на холоде фермионные системы и обнаружение перехода из сверхтекучей среды в изолятор среди холодных бозонных атомов, удерживаемых в оптическом потенциале решетки. Эти два примера проиллюстрировать силу ультрахолодного атомного поля для изучения классической конденсированной материи явления чрезвычайно контролируемым образом.Более того, ультрахолодные атомы в спе- специально подобранные оптические решетки, как описано в главе 8, могут использоваться для моделирования • Национальный исследовательский совет, Controlling the Quantum World: The Science of Atom, Molecules, and Фотоны, Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press, 2007.

48 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s модели некоторых из наиболее важных нерешенных проблем в конденсированных средах. физика, включая высокотемпературную сверхпроводимость и связанные с ней сильные корреляции. ции явления.Эти системы на основе оптических решеток, действующие как «аналоговые квантовые системы». компьютеры, â € могут предоставить решения проблем, которые были признаны необходимыми практически невозможно решить с помощью обычных цифровых компьютеров. Самое главное, ультрахолодный атомы открывают перспективу открытия совершенно новых и весьма экзотических состояний конденсированные вещества, не имеющие корней в традиционных материальных системах. Появление в классических системах конденсированного состояния Ряд примеров возникновения в классических системах конденсированного состояния проиллюстрировать масштаб и единство концепций, лежащих в основе изучения эмерджентности, где ни квантовая механика, ни даже обычная теплофизика не играют никакой роли прямая роль в определении эмерджентного поведения (см. рисунок 2.6). Несколько примеров описаны ниже. Гранулированное вещество, как и другие формы конденсированного вещества, состоит из огромного количества чрезвычайно большое количество простых компонентов — например, отдельных зерен из песка или пшеницы. Однако разница в том, что сами зерна очень большие по сравнению с атомами и маленькими молекулами, из которых они состоят. Поскольку РИСУНОК 2.6 — Большое разнообразие регулярных паттернов спонтанно возникает во многих системах, от которых отказываются от равновесия.Растет понимание разнообразия и сложности паттернов в условия нелинейного взаимодействия и конкуренции между пространственными модами, которые становятся неустойчивыми потоками. к оттеснению от равновесия. Три панели на этом рисунке показывают результаты моделирования простое дифференциальное уравнение в частных производных, которое фиксирует эти эффекты — различные закономерности задаются следующим образом: изменение параметров. Образцы, удивительно похожие на эти, наблюдаются в экспериментальных системах, таких как кипящая вода, вертикально встряхиваемые жидкости и гранулированные потоки.ИСТОЧНИК: Рон Лифшиц, Тель-Авивский университет. По материалам Р. Лифшица и Д. Петрич, Теоретическая модель многочастотных волн Фарадея. Форсирование, Phys. Rev. Lett. 79, 1261-1264 (1997).

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 49 характерная шкала энергии, которая характеризует квантовое движение коллекции частиц быстро уменьшается с увеличением размера частицы, даже при Квантовые эффекты самых низких доступных температур в гранулированных системах пренебрежимо малы.И наоборот, даже при комнатной температуре или выше тепловые эффекты также незначительны: энергия взаимодействия между парами зерен увеличивается с размером (примерно в про- часть к площади поверхности) и поэтому всегда велика по сравнению с температурой. Иными словами, соотношение энтропийного и взаимодействия вкладов в свободную энергия при любой фиксированной температуре быстро уменьшается с размером зерен. Таким образом, гранулированное вещество эффективно ставит ученых перед проблемой, в которой температура также можно игнорировать, поэтому коллективные явления обычно связаны с неравновесным физика, как обсуждалось в главе 5.Тем не менее, эмерджентные явления происходят в гранулированное вещество почти так же, как и в обычных жидкостях и твердые тела, хотя часто с новыми и интересными морщинами. Когда гранулированный материал псевдоожижается, его энергично встряхивают или продувают. газа через него, результирующее неравновесное состояние имеет много общих черт с простым газом — например, отдельные зерна демонстрируют распределение скорости, которые очень похожи на скорости молекул в газе при «эффективной температуре», что зависит от того, насколько сильно встряхивается гранулированный материал.Плотный гранулированный материал, как песок на пляже, имеет много общих свойств с твердым телом, в том числе его умение поддержать человека. Однако, в отличие от простого твердого тела, в котором деформация достаточно высока. равномерно распределяется по материалу, в сжатой гранулированной системе деформации могут быть очень неравномерно распределены вдоль силовых линий (рис. 2.7). В принципы, которые управляют распределением деформации в плотном гранулированном веществе и которые функции универсальны (т. е. не зависят от природы [размера, формы, твердости] отдельные зерна), в настоящее время являются областью активных исследований.Точно так же не полностью понять, в какой степени движение более широких классов приводных гранулированных системы могут быть связаны со свойствами связанной равновесной системы при эффективном температура. Заклинивание — это явление в гранулированных материалах, которое, если его лучше понять, может пролить свет на широкий класс явлений в системах конденсированного состояния. В низкая плотность, очевидно, что гранулированный материал легко течет — каждое зерно просто движется в общем направлении потока и иногда рассеивается при столкновении с другим зерном.Это классический аналог движения квазичастиц в ферми-жидкость. Однако, когда твердые зерна, такие как песчинки, достигают критического плотности, зернам просто некуда течь. Каждое зерно застряло клетка из других зерен, из которой он не может выбраться. Здесь сильные корреляции между зернами полностью подавляют свободное движение отдельных зерен. С нет баланса квантовой и классической энергий, нет конкурирующих тенденций энергии и энтропии, этот глухой переход может быть в некотором смысле простейшим модельная задача в физике сильных корреляций.Джемминг в некотором смысле геометрическое явление.

50 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s РИСУНОК 2.7– Разрушающийся силос для зерна является ярким примером неожиданного поведения гранулированного материала. лар материалы. Если зерно течет в одних регионах и застревает в других в силосе, это может могут быть большие колебания нагрузки на стенки силоса, что может привести к катастрофе.ИСТОЧНИК: Дж. М. Роттер, Университет. Эдинбурга и Дж. Карсон, Дженик и Йохансон, Inc.

Как сложные явления возникают из простых ингредиентов? 51 Осознавая весь потенциал появления Возникающие явления в конденсированных средах часто обнаруживаются случайно. Точно. Открытие сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом в 1911 году было конечно случайно. Открытие дробного квантового эффекта Холла Цуй, Штормер и Госсард в 1982 г. также были неожиданными.Эти два великих открытия эры, разделенные во времени на десятилетия, имеют некоторые важные сходства, которые позволяют проникнуть в суть как увеличить шансы на открытие новых явлений. Например, оба эксперимента были частью программы исследования «голубого неба», движимого любопытством, и оба фундаментально изменили ландшафт CMMP. При этом оба открытия тесно связаны с технологической стороной CMMP. С су- проводимость, эта связь лежит в будущих приложениях явления сам.Наоборот, открытие дробного квантового эффекта Холла позволило за счет технических достижений в выращивании кристаллов полупроводников, имеющих решающее значение для развития быстродействующих транзисторов для телекоммуникаций. Эти два открытия прекрасны- полностью иллюстрируют неразделимость прикладной и фундаментальной сторон CMMP. Они также демонстрируют необходимость поддерживать прочную базу финансирования для достижения исследование CMMP на основе любопытства и доступность экзотических материалов которые делают возможными такие великие открытия.Обе эти проблемы занимают видное место в рекомендации этого отчета. Открыты сверхпроводимость и дробный квантовый эффект Холла. исследуя свойства материи в экстремальных условиях. Камерлинг Оннес, которому недавно удалось сжижить гелий, изучал удельное сопротивление металлов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Цуй, Штормер и Госсард, также исследующие электропроводности, подвергали свои сверхчистые полупроводниковые образцы максимально доступные магнитные поля.Плодотворность сильных магнитных полей и низких температура, конечно, остается в полной мере оцененной с помощью Национального института высоких магнитных Полевая лаборатория в Таллахасси, Флорида, самое наглядное свидетельство. За пределами высокого магнитные поля и низкие температуры, исследователи CMMP регулярно подвергают образцы к высоким давлениям, интенсивным электромагнитным полям, пространственным ограничениям мент, и другие экстремальные условия в поисках понимания и, что лучше всего, сюрпризы. Открытия новых явлений иногда выглядят просто удача в случайном блуждании.Это не более верно для сверхпроводимости или дробного квантового эффекта Холла, чем открытие Эдисоном правильной нити. Материал для ламп накаливания. Камерлинг-Оннес, естественно, пытался понять проводимость электричества в металлах в контексте Друде теория продвинулась всего за несколько лет до этого. Точно так же Цуй, Штормер и Госсард были частично руководствуясь теоретическими предсказаниями, что электронные газы будут замерзать напрямую в кристаллическое твердое тело при достаточно высоком магнитном поле.Оба примера иллюстрируют

52 C o n d e n s e d — M at t e r и M at e r i a l s P h ys i c s тесное взаимодействие теории и эксперимента, характеризующее CMMP; каждый информирует и направляет другого. Выводы К новым явлениям в физике конденсированных сред и материалов относятся те это невозможно понять с помощью моделей, которые учитывают движения человека частицы в материале независимо.Вместо этого сущность эмерджентного фен- явления заключаются в сложных взаимодействиях между многими частицами, которые приводят к разнообразное поведение и часто непредсказуемое коллективное движение многих частиц. Это замечательно и захватывающе, что колодец таких явлений бесконечно глубок; Исследователи CMMP никогда не останутся без загадок, которые нужно разгадать, и явлений, которые предстоит решить. эксплуатировать — они существуют для любознательных. Возникающие явления прекрасно иллюстрируют неразделимость фундаментальных факторов. Таллиннные и прикладные исследования в CMMP.В некоторых случаях применение эмерджентного явление почти мгновенное; в других случаях на это уходят десятилетия; И в в третьих, это может никогда не произойти. В то же время технический прогресс в одной области CMMP может позволить обнаружить экзотическое явление в, казалось бы, отдаленном площадь поля. Национальное сообщество CMMP исторически было чрезвычайно успешным — полны в обнаружении, понимании и применении возникающих явлений. С точки зрения возможностей, будущее очень яркое.Все более сложные материалы синтезируются и разрабатываются все более сложные инструменты для их изучение. Бурный рост исследований наноразмерных систем и быстро растворяющихся границы между CMMP и другими научными дисциплинами обязательно приведут к новым перспективы в возникающих явлениях. Задача состоит в том, чтобы убедиться, что исследования США: у сотрудников есть доступ к лучшим новым материалам и инструментам, а также время и ресурсы для максимально использовать их. Пути между открытием, пониманием и применением научных исследования неясны и непредсказуемы.Они полны крутых поворотов, тупиков, и неожиданные развилки на дороге. Но они также могут привести к красивым местам, которые никто не знал о существовании. Роберт Фрост был прав: важно меньше ездить по дороге путешествовал, потому что это будет иметь значение.

Физика: Введение | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните разницу между принципом и законом.
• Объясните разницу между моделью и теорией.

Рис. 1. Формы полета перелетных птиц, таких как канадские казарки, регулируются законами физики. (кредит: Дэвид Меррет)

Физическая вселенная чрезвычайно сложна в деталях. Каждый день каждый из нас наблюдает за самыми разными предметами и явлениями. На протяжении веков любопытство человечества побуждало нас коллективно исследовать и каталогизировать огромное количество информации.От полета птиц до цветов цветов, от молнии до гравитации, от кварков до скоплений галактик, от течения времени до тайны создания Вселенной — мы задавали вопросы и собирали огромные массивы фактов. Учитывая все эти детали, мы обнаружили, что удивительно небольшой и унифицированный набор физических законов может объяснить то, что мы наблюдаем. Как люди, мы делаем обобщения и стремимся к порядку. Мы обнаружили, что природа удивительно кооперативна — она ​​демонстрирует лежащий в основе порядок и простоту , которую мы так ценим.

Это лежащий в основе порядок природы, который делает науку в целом и физику в частности такими приятными для изучения. Например, что общего между пакетом микросхем и автомобильным аккумулятором? Оба содержат энергию, которая может быть преобразована в другие формы. Закон сохранения энергии (который гласит, что энергия может менять форму, но никогда не теряется) связывает воедино такие темы, как пищевые калории, батарейки, тепло, свет и часовые пружины. Понимание этого закона позволяет легче узнать о различных формах, которые принимает энергия, и о том, как они соотносятся друг с другом.Очевидно несвязанные темы связаны через широко применимые физические законы, позволяющие понимание, выходящее за рамки простого запоминания списков фактов.

Объединяющий аспект физических законов и простота природы составляют основные темы этого текста. Научившись применять эти законы, вы, конечно же, изучите самые важные темы физики. Что еще более важно, вы приобретете аналитические способности, которые позволят вам применять эти законы далеко за пределами того, что можно включить в одну книгу.Эти аналитические навыки помогут вам преуспеть в учебе, а также помогут критически мыслить в любой профессиональной карьере, которую вы выберете. В этом модуле обсуждается область физики (чтобы определить, что такое физика), некоторые приложения физики (чтобы проиллюстрировать ее отношение к другим дисциплинам) и, более точно, что составляет физический закон (чтобы осветить важность экспериментов для теории).

Наука и сфера физики

Наука состоит из теорий и законов, которые являются общими истинами природы, а также совокупности знаний, которые они охватывают.Ученые постоянно пытаются расширить эту совокупность знаний и усовершенствовать выражение описывающих ее законов. Physics занимается описанием взаимодействий энергии, материи, пространства и времени, и особенно его интересует, какие фундаментальные механизмы лежат в основе каждого явления. Забота об описании основных явлений в природе по существу определяет область физики .

Физика стремится описать функции всего, что нас окружает, от движения крошечных заряженных частиц до движения людей, автомобилей и космических кораблей.На самом деле, практически все, что вас окружает, можно довольно точно описать законами физики. Рассмотрим смартфон (рисунок 2). Физика описывает, как электричество взаимодействует с различными цепями внутри устройства. Эти знания помогают инженерам выбрать подходящие материалы и схему схемы при сборке смартфона. Затем рассмотрим систему GPS. Физика описывает взаимосвязь между скоростью объекта, расстоянием, на которое он проходит, и временем, которое требуется, чтобы пройти это расстояние.Когда вы используете устройство GPS в транспортном средстве, оно использует эти физические уравнения для определения времени в пути из одного места в другое.

Чтобы использовать физику, не нужно быть ученым. Напротив, знание физики полезно в повседневных ситуациях, а также в ненаучных профессиях. Это может помочь вам понять, как работают микроволновые печи, почему в них нельзя добавлять металлы и почему они могут повлиять на кардиостимуляторы. (См. Рис. 3.) Физика позволяет вам понять опасности излучения и более легко рационально оценить эти опасности.Физика также объясняет причину, по которой черный автомобильный радиатор помогает отводить тепло в двигателе автомобиля, и объясняет, почему белая крыша помогает сохранять прохладу внутри дома. Точно так же работу системы зажигания автомобиля, а также передачу электрических сигналов через нервную систему нашего тела гораздо легче понять, если подумать о них с точки зрения фундаментальной физики.

Физика является основой многих важных дисциплин и вносит непосредственный вклад в развитие других. Например, химия, поскольку она занимается взаимодействием атомов и молекул, уходит корнями в атомную и молекулярную физику.Большинство областей техники — это прикладная физика. В архитектуре физика лежит в основе структурной устойчивости и участвует в акустике, обогреве, освещении и охлаждении зданий. Части геологии в значительной степени полагаются на физику, например, радиоактивное датирование горных пород, анализ землетрясений и теплопередачу на Земле. Некоторые дисциплины, такие как биофизика и геофизика, представляют собой гибриды физики и других дисциплин.

Физика имеет множество приложений в биологических науках. На микроскопическом уровне это помогает описать свойства клеточных стенок и клеточных мембран (рис. 4 и рис. 5).На макроскопическом уровне это может объяснить тепло, работу и энергию, связанные с человеческим телом. Физика занимается медицинской диагностикой, такой как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковые измерения кровотока. Медикаментозная терапия иногда напрямую связана с физикой; например, радиотерапия рака использует ионизирующее излучение. Физика также может объяснить сенсорные явления, например, как музыкальные инструменты издают звук, как глаз определяет цвет и как лазеры могут передавать информацию.

Необязательно формально изучать все приложения физики.Что наиболее полезно, так это знание основных законов физики и умение использовать аналитические методы их применения. Изучение физики также может улучшить ваши навыки решения проблем. Более того, физика сохранила самые основные аспекты науки, поэтому она используется всеми науками, а изучение физики облегчает понимание других наук.

Модели, теории и законы; Роль экспериментов

Законы природы — это краткие описания вселенной вокруг нас; это человеческие утверждения основных законов или правил, которым следуют все естественные процессы.Такие законы присущи Вселенной; люди не создавали их и поэтому не могут их изменить. Мы можем только их открыть и понять. Их открытие — очень человеческое усилие, со всеми элементами тайны, воображения, борьбы, триумфа и разочарования, присущего любому творческому усилию. (См. Рисунок 6 и рисунок 7.) Краеугольным камнем открытия законов природы является наблюдение; наука должна описывать Вселенную такой, какая она есть, а не такой, какой мы можем ее себе представить.

Все мы в некоторой степени любопытны.Мы оглядываемся, делаем обобщения и пытаемся понять то, что видим — например, мы смотрим вверх и задаемся вопросом, сигнализирует ли один тип облаков о надвигающемся шторме. По мере того, как мы серьезно относимся к изучению природы, мы становимся более организованными и формальными в сборе и анализе данных. Мы стремимся к большей точности, проводим контролируемые эксперименты (если можем) и записываем идеи о том, как данные могут быть организованы и объединены. Затем мы формулируем модели, теории и законы на основе данных, которые мы собрали и проанализировали, чтобы обобщить и сообщить результаты этих экспериментов.

Модель представляет собой представление того, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую. Хотя модель подтверждается экспериментальным доказательством, она точна только в ограниченных ситуациях. Примером может служить планетарная модель атома, в которой электроны изображаются вращающимися вокруг ядра, аналогично тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. (См. Рис. 8.) Мы не можем наблюдать электронные орбиты напрямую, но мысленный образ помогает объяснить наблюдения, которые мы можем сделать, например, излучение света горячими газами (атомные спектры).Физики используют модели для самых разных целей. Например, модели могут помочь физикам анализировать сценарий и выполнять вычисления, или их можно использовать для представления ситуации в форме компьютерного моделирования. Теория — это объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей. Некоторые теории включают модели, помогающие визуализировать явления, а другие — нет. Теория гравитации Ньютона, например, не требует модели или мысленного образа, потому что мы можем наблюдать объекты непосредственно нашими собственными чувствами.С другой стороны, кинетическая теория газов — это модель, в которой газ рассматривается как состоящий из атомов и молекул. Атомы и молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно нашими чувствами, поэтому мы мысленно представляем их, чтобы понять, что наши инструменты говорят нам о поведении газов.

Закон использует краткий язык для описания обобщенной закономерности в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами. Часто закон можно выразить в виде одного математического уравнения.Законы и теории похожи в том, что они являются научными утверждениями, которые являются результатом проверенной гипотезы и поддерживаются научными доказательствами. Однако обозначение закон зарезервировано для краткого и очень общего утверждения, которое описывает явления в природе, например, закон сохранения энергии во время любого процесса или второй закон движения Ньютона, который связывает силу, массу и ускорение по простому уравнению F = м a .Теория, напротив, представляет собой менее сжатое изложение наблюдаемых явлений. Например, теорию эволюции и теорию относительности нельзя выразить достаточно кратко, чтобы их можно было считать законом. Самая большая разница между законом и теорией состоит в том, что теория намного сложнее и динамичнее. Закон описывает одно действие, а теория объясняет целую группу связанных явлений. И если закон — это постулат, лежащий в основе научного метода, теория — это конечный результат этого процесса.

Менее широко применимые утверждения обычно называют принципами (например, принцип Паскаля, который применим только к жидкостям), но различие между законами и принципами часто проводится нечетко.

Модели, теории и законы

Модели, теории и законы используются, чтобы помочь ученым анализировать данные, которые они уже собрали. Однако часто после того, как модель, теория или закон были разработаны, они указывают ученым на новые открытия, которые они иначе не сделали бы.

Модели, теории и законы, которые мы иногда придумываем, подразумевают существование объектов или явлений, которые еще не наблюдаются. Эти предсказания — замечательные триумфы и дань уважения силе науки. Это основной порядок во Вселенной, который позволяет ученым делать такие впечатляющие прогнозы. Однако, если эксперимент не подтверждает наши прогнозы, то теория или закон неверны, независимо от того, насколько они элегантны или удобны. Законы никогда нельзя узнать с абсолютной уверенностью, потому что невозможно провести все мыслимые эксперименты, чтобы подтвердить закон во всех возможных сценариях.Физики исходят из предположения, что все научные законы и теории действительны до тех пор, пока не будет обнаружен контрпример. Если качественный, поддающийся проверке эксперимент противоречит устоявшемуся закону, то закон должен быть изменен или полностью отменен.

Изучение науки в целом и физики в частности — это приключение, во многом напоминающее исследование неизведанного океана. Сделаны открытия; формулируются модели, теории и законы; и красота физической вселенной становится более возвышенной благодаря полученным знаниям.

Научный метод

Когда ученые исследуют и собирают информацию о мире, они следуют процессу, называемому научным методом . Этот процесс обычно начинается с наблюдения и вопроса, который исследует ученый. Затем ученый обычно проводит некоторое исследование по теме, а затем разрабатывает гипотезу. Затем ученый проверит гипотезу, проведя эксперимент. Наконец, ученый анализирует результаты эксперимента и делает вывод.Обратите внимание, что научный метод может применяться во многих ситуациях, которые не ограничиваются наукой, и этот метод можно модифицировать в зависимости от ситуации.

Рассмотрим пример. Допустим, вы пытаетесь включить машину, но она не заводится. Вы, несомненно, задаетесь вопросом: почему машина не заводится? Чтобы ответить на этот вопрос, вы можете воспользоваться научным методом. Во-первых, вы можете провести небольшое исследование, чтобы определить различные причины, по которым автомобиль не заводится. Далее вы сформулируете гипотезу.Например, вы можете подумать, что автомобиль не заводится, потому что в нем нет моторного масла. Чтобы проверить это, вы открываете капот автомобиля и проверяете уровень масла. Вы замечаете, что уровень масла находится на приемлемом уровне, и, таким образом, делаете вывод, что уровень масла не способствует возникновению проблемы с вашим автомобилем. Для дальнейшего устранения проблемы вы можете придумать новую гипотезу для проверки, а затем повторить процесс снова.

Эволюция естественной философии в современную физику

Физика не всегда была отдельной дисциплиной.Он по сей день связан с другими науками. Слово физика происходит от греческого языка, что означает природа. Изучение природы стало называться «натурфилософией». С древних времен до эпохи Возрождения натурфилософия охватывала множество областей, включая астрономию, биологию, химию, физику, математику и медицину. За последние несколько столетий рост знаний привел к постоянно растущей специализации и разветвлению натурфилософии на отдельные области, при этом физика сохранила самые основные аспекты.(См. Рисунок 9, рисунок 10 и рисунок 11.) Физика в том виде, в котором она развивалась с эпохи Возрождения до конца XIX века, называется классической физикой . Революционные открытия, сделанные в начале 20 века, превратили ее в современную физику.

Классическая физика не является точным описанием Вселенной, но это отличное приближение при следующих условиях: Материя должна двигаться со скоростью менее 1% скорости света, объекты, с которыми приходится иметь дело, должны быть достаточно большими, чтобы быть При наблюдении под микроскопом могут быть задействованы только слабые гравитационные поля, такие как поле, создаваемое Землей.Поскольку люди живут в таких условиях, классическая физика кажется интуитивно разумной, в то время как многие аспекты современной физики кажутся странными. Вот почему модели так полезны в современной физике — они позволяют нам концептуализировать явления, которые мы обычно не испытываем. Мы можем относиться к моделям в человеческих терминах и визуализировать, что происходит, когда объекты движутся с высокой скоростью, или представлять себе, на что могут быть похожи объекты, слишком маленькие для наблюдения нашими чувствами. Например, мы можем понять свойства атома, потому что можем представить его в уме, хотя мы никогда не видели атом своими глазами.Новые инструменты, конечно же, позволяют нам лучше представить явления, которые мы не видим. Фактически, новые приборы позволили нам в последние годы фактически «изобразить» атом.

Пределы законов классической физики

Для применения законов классической физики должны быть соблюдены следующие критерии: материя должна двигаться со скоростью менее 1% скорости света, объекты, с которыми приходится иметь дело, должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть в микроскоп, и могут быть задействованы только слабые гравитационные поля (такие как поле, создаваемое Землей).

Некоторые из самых выдающихся достижений науки были сделаны в современной физике. Многие законы классической физики были изменены или отвергнуты, что привело к революционным изменениям в технологиях, обществе и нашем взгляде на Вселенную. Как и научная фантастика, современная физика наполнена увлекательными объектами, выходящими за рамки нашего обычного опыта, но у нее есть преимущество перед научной фантастикой в ​​том, что она очень реальна. Почему же тогда большая часть этого текста посвящена темам классической физики? Есть две основные причины: классическая физика дает чрезвычайно точное описание Вселенной в широком диапазоне повседневных обстоятельств, а знание классической физики необходимо для понимания современной физики.

Современная физика сама по себе состоит из двух революционных теорий, теории относительности и квантовой механики. Эти теории имеют дело с очень быстрым и очень маленьким соответственно. Относительность необходимо использовать всякий раз, когда объект движется со скоростью более 1% от скорости света или испытывает сильное гравитационное поле, например, около Солнца. Квантовая механика должна использоваться для объектов меньшего размера, чем можно увидеть в микроскоп. Комбинация этих двух теорий составляет релятивистской квантовой механики, и описывает поведение малых объектов, движущихся с высокими скоростями или испытывающих сильное гравитационное поле.Релятивистская квантовая механика — лучшая универсально применимая теория, которая у нас есть. Из-за своей математической сложности она используется только при необходимости, а другие теории используются всякий раз, когда они дадут достаточно точные результаты. Однако мы обнаружим, что можем многое сделать в современной физике с помощью алгебры и тригонометрии, используемых в этом тексте.

Проверьте свое понимание

Друг рассказал вам, что узнал о новом законе природы. Что вы можете узнать об этой информации еще до того, как ваш друг опишет закон? Чем изменилась бы информация, если бы ваш друг сказал вам, что он изучил научную теорию, а не закон?

Решение

Не зная подробностей закона, вы все равно можете сделать вывод, что информация, которую узнал ваш друг, соответствует требованиям всех законов природы: это будет краткое описание вселенной вокруг нас; изложение основных правил, которым следуют все естественные процессы.Если бы информация была теорией, вы могли бы сделать вывод, что информация будет крупномасштабным, широко применимым обобщением.

Исследования PhET: Уравнение

Узнайте о графических полиномах. Форма кривой изменяется по мере настройки констант. Просмотрите кривые для отдельных членов (например, y = bx ), чтобы увидеть, как они складываются для создания полиномиальной кривой.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

• Наука стремится открыть и описать лежащие в основе порядок и простоту в природе.
• Физика — самая фундаментальная из наук, занимающаяся энергией, материей, пространством и временем, а также их взаимодействием.
• Научные законы и теории выражают общие истины природы и совокупность знаний, которые они охватывают. Эти законы природы — правила, которым, кажется, следуют все естественные процессы.

Концептуальные вопросы

1. особенно полезны в теории относительности и квантовой механике, где условия выходят за рамки тех, с которыми обычно сталкиваются люди.Что такое модель?

2. Чем модель отличается от теории?

3. Если две разные теории одинаково хорошо описывают экспериментальные наблюдения, можно ли сказать, что одна более достоверна, чем другая (при условии, что обе используют принятые правила логики)?

4. Что определяет обоснованность теории?

5. Чтобы верить измерению или наблюдению, необходимо выполнить определенные критерии. Обязательно ли критерии будут такими же строгими для ожидаемого результата, как и для неожиданного результата?

6.Может ли срок действия модели быть ограниченным или он должен быть универсальным? Как это соотносится с требуемой обоснованностью теории или закона?

7. При определенных обстоятельствах классическая физика является хорошим приближением к современной физике. Кто они такие?

8. Когда необходимо для использования релятивистской квантовой механики?

9. Можно ли с помощью классической физики точно описать спутник, движущийся со скоростью 7500 м / с? Объясните, почему да или почему нет.

Глоссарий

классическая физика:

физика, которая развивалась с эпохи Возрождения до конца 19 века

физика:

наука, занимающаяся описанием взаимодействий энергии, материи, пространства и времени; его особенно интересует, какие фундаментальные механизмы лежат в основе каждого явления

модель:

представление чего-то, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую

теория:

объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей

закон:

описание, используя краткий язык или математическую формулу, обобщенную закономерность в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами

научный метод:

метод, который обычно начинается с наблюдения и вопроса, который исследует ученый; затем ученый обычно проводит некоторое исследование по теме, а затем разрабатывает гипотезу; затем ученый проверит гипотезу, проведя эксперимент; наконец, ученый анализирует результаты эксперимента и делает вывод

современная физика:

изучение теории относительности, квантовой механики или того и другого

относительность:

изучение объектов, движущихся со скоростью, превышающей примерно 1% скорости света, или объектов, находящихся под воздействием сильного гравитационного поля

квантовая механика:

исследование объектов меньшего размера, чем можно увидеть в микроскоп

Необъяснимое явление — Физика — RMCybernetics

Каждый день вокруг нас происходят тысячи необъяснимых событий.От сложных явлений в физике до таких обычных явлений, как молния. Эта страница охватывает несколько интересных тем и позволяет вам добавлять свои предложения или возможные объяснения ниже.

Эффект Хатчинсона

Джон Хатчинсон — канадец, случайно обнаруживший весьма необычное физическое явление. Необъяснимое явление, известное как эффект Хатчинсона, на самом деле представляет собой серию различных эффектов из разных экспериментов. Он мог поднимать предметы, превращать металлы в жидкость при комнатной температуре и объединять материалы.Эти эффекты были созданы путем комбинирования полей с высоким градиентом от катушек Тесла и электростатических машин, таких как генераторы Ван Де Граффа . Его собственная квартира была забита старым оборудованием, которое он спас с кораблей ВМФ. Хатчинсон не является квалифицированным ученым и проводил свои эксперименты исключительно из интереса. Отсутствие стандартного научного образования, вероятно, и позволило ему сделать свои открытия, потому что использованная им установка не имела никакого смысла для стандартной науки, и эффекты были предположительно невозможны.Эффекты, которые он произвел, теперь получили название «эффект Хатчинсона», но все еще мало объяснений, что именно они собой представляют. Эксперименты Хатчинсона проводились совершенно случайно, и им руководила лишь интуиция. Подобные эксперименты могут быть очень опасными, и любители не должны пытаться их проводить.

v Blaze Labs Article v
Мы знаем, что состояние вещества может быть изменено с одного на другое из четырех состояний в следующем порядке: твердое тело — жидкость — газ — плазма, посредством увеличения или уменьшения внешней энергии, подводимой к структуре. .Самый распространенный пример — вода, которая при нагревании превращается из жидкости в газ, а при охлаждении превращается в твердую глыбу льда. Но нагрев и охлаждение — самые неэффективные способы изменить состояние материи. Сдвиг состояния вещества, происходящий с изменением температуры, кажется только побочным продуктом нагрева, а это означает, что только часть энергии, накопленной в системе, используется на ослабление молекулярных связей, большая часть которой идет. к броуновской кинетической энергии в атомах и молекулах как больших телах.Следовательно, обнаружение резонансной частоты (или гармоник) молекулярных связей было бы действительно гораздо более эффективным способом изменения состояния вещества.

Эффект Хатчинсона — это совокупность явлений, которые были случайно обнаружены Джоном Хатчинсоном во время попыток изучения продольных волн Теслы еще в 1979 году. Эффект Хатчинсона возникает в результате интерференции радиоволн в трехмерном пространстве зоны, излучаемой двумя или несколько источников высокого напряжения, обычно генератор Ван де Граффа и две или более катушки Тесла.Результатом являются левитация тяжелых предметов, сплавление разнородных материалов, таких как металл и дерево (как показано в правом верхнем углу фотографии), аномальное плавление (без нагрева) металлов без горения соседнего материала, самопроизвольное разрушение металлов (которое разделены путем скольжения вбок), а также как временные, так и постоянные изменения кристаллической структуры и физических свойств металлов, как показано выше. Чрезвычайно примечательное слияние разнородных материалов ясно указывает на то, что эффект Хатчинсона оказывает сильное влияние на межмолекулярные силы.Разные вещества, такие как сталь, медь или дерево, могут просто «соединиться», но отдельные вещества не диссоциируют. Деревянный брусок может просто «утонуть» в металлическом бруске, но ни металлический брусок, ни брусок не рассыпаются и не карбонизируются. В нижнем левом углу фотографии вы можете увидеть отпечаток, оставленный монетами, которые лежали на стальном стержне во время эффекта.

Аномальное плавление металла без каких-либо признаков нагрева, горения или опаления соседних материалов (обычно дерева) можно легко объяснить, если учесть, что внешний источник высокого напряжения промежуточной частоты резонирует с молекулярной структурой металла.В таком случае резонанс будет эффективно использовать внешнюю энергию для изменения структуры металла на структуру следующего более высокого энергетического уровня, которая является жидким состоянием. Таким образом, металлическая конструкция приобретет жидкие свойства, и любой посторонний твердый материал, такой как дерево или другой металл, будет «погружаться» в нее. Как только колебание отключено, посторонний материал будет постоянно удерживаться внутри твердой конструкции. Помехи радиоволн, вызывающие эти эффекты, создаются как минимум двумя радиоисточниками с правильной разностью частот, оба работают на малой мощности.

Нерешенные задачи физики

В науке много необъяснимых явлений. Здесь вы можете найти лишь некоторые из них. Если у вас есть собственные идеи или идеи по поводу любого из них, оставьте сообщение внизу страницы. Часто наука становится настолько интересной из-за необъяснимого явления!

Из Википедии

Это неполный список некоторых нерешенных проблем физики. Некоторые из этих проблем являются теоретическими, а это означает, что существующие теории кажутся неспособными объяснить какое-либо наблюдаемое явление или экспериментальный результат.Другие являются экспериментальными, что означает, что создать эксперимент для проверки предложенной теории или более детального исследования явления сложно.

Есть ответ на любую из этих нерешенных проблем? Оставьте сообщение ниже.

Джеты аккреционного диска : Почему аккреционные диски, окружающие определенные астрономические объекты, такие как ядра активных галактик, испускают релятивистские струи вдоль своих полярных осей?

Ускоряющаяся Вселенная : Почему, как мы наблюдали, расширение Вселенной ускоряется? Какова природа темной энергии, вызывающей это ускорение? Если это связано с космологической постоянной, почему она такая мала, но не равна нулю? Почему он не огромен, как предсказывают большинство квантовых теорий поля, или не равен нулю по какой-то пока неизвестной причине симметрии? Какова конечная судьба Вселенной?

Аморфные твердые вещества : Какова природа перехода между жидкой или регулярной твердой фазой и стеклообразной фазой? Какие физические процессы определяют общие свойства стекол?

Стрелка времени : Почему у Вселенной была такая низкая энтропия в прошлом, что привело к различию между прошлым и будущим и второму закону термодинамики?

Черные дыры : существуют ли они на самом деле? Если нет, то какие именно сверхкомпактные сверхмассивные объекты наблюдались и какая физика ими управляет?

Барионная асимметрия : Почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества?

Космическая инфляция : Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробности этой эпохи? Что такое гипотетическое поле инфлатона, вызывающее инфляцию?

Темная материя : Какова природа вещества, наблюдаемого только через его гравитационные эффекты (например, в задаче о вращении Галактики)? Или такая материя вообще существует? (Альтернативное объяснение может заключаться в том, что уравнения общей теории относительности слегка неверны, например, в модифицированной ньютоновской динамике).

Термоядерная энергия : Можно ли построить практический ядерный реактор, работающий на ядерном синтезе, а не на ядерном делении?

Гамма-всплески : Какова природа этих необычайно энергичных астрономических объектов?

Гравитационные волны : Наша Вселенная заполнена гравитационным излучением Большого взрыва? Из астрофизических источников, таких как вдохновляющие нейтронные звезды? Что это может сказать нам о квантовой гравитации и общей теории относительности?

GZK paradox : Почему некоторые космические лучи обладают невероятно высокой энергией, учитывая, что вблизи Земли нет достаточно энергичных источников космических лучей, а космические лучи, испускаемые удаленными источниками, должны были быть поглощены космическими лучами. микроволновое фоновое излучение?

Высокотемпературные сверхпроводники : Почему некоторые материалы проявляют сверхпроводимость при температурах намного выше 50 кельвинов?

Магнитные монополи : Существуют ли частицы, которые несут «магнитный заряд», и если да, то почему их так трудно обнаружить?
Аномалия Pioneer: что вызывает видимое остаточное ускорение космического корабля Pioneer по направлению к Солнцу?

Распад протона : Распадаются ли протоны? Если да, то каков их период полураспада?

Квантовая хромодинамика (КХД) в непертурбативном режиме : Уравнения КХД остаются нерешенными на энергетических масштабах, соответствующих описанию атомных ядер.Как КХД дает начало физике ядер и ядерных составляющих?

Квантовые компьютеры : Можно ли построить практический компьютер, который выполняет вычисления с кубитами (квантовыми битами)?

Квантовая гравитация: Как можно объединить теорию квантовой механики с общей теорией относительности, чтобы создать так называемую «теорию всего»? Остается ли правильным наше нынешнее понимание гравитационной силы на микроскопических масштабах длины? Какие поддающиеся проверке предсказания делает любая теория квантовой гравитации?

Квантовая механика в пределе соответствия : Есть ли предпочтительная интерпретация квантовой механики? Как квантовое описание реальности, включающее такие элементы, как суперпозиция состояний и коллапс волновой функции, порождает реальность, которую мы воспринимаем?

Параметры стандартной модели : Что дает начало Стандартной модели физики элементарных частиц? Почему массы его частиц и константы взаимодействия имеют измеренные нами значения? Действительно ли существует предсказанный моделью бозон Хиггса? Почему в Стандартной модели есть 3 класса частиц? Является ли стандартная модель реальностью, хорошим приближением к реальности или фатально ошибочной?

Теория струн : Теория струн, или теория суперструн, или М-теория, или какой-либо другой вариант по этой теме, окончательная «теория всего», шаг на пути или тупик?

Суперсимметрия: Суперсимметрия — это симметрия природы? Если да, то как и почему нарушается суперсимметрия? Можно ли обнаружить новые частицы, предсказанные суперсимметрией?

Турбулентность : Можно ли создать теоретическую модель для описания поведения турбулентной жидкости (в частности, ее внутренних структур)?

Следующая страница: Рисунки и формулы
Предыдущая страница: Астрофизика и космический феномен

.