Примеры физических явлений

☰

Все физические тела состоят из вещества, и со всеми физическими телами происходят различные физические явления. Физические явления бывают: механическими, тепловыми, звуковыми, оптическими, электрическими и магнитными. Бывают и другие физические явления.

К механическим физическим явлениям относятся различные движения и взаимодействия тел. Человек может идти, мяч сталкиваться с поверхностью Земли и отскакивать, планеты двигаться по орбитам вокруг своих звезд, автомобили набирать скорость (ускоряться), лифт подниматься и опускаться.

Тепловые явления связаны с изменением температуры тел и возникающими в следствие этого изменениями их физического состояния. Так тела способны нагреваться и охлаждаться. Некоторые при этом плавятся (как железо на заводе или воск свечи при ее горении), другие испаряются (вода при нагревании), третьи переходят из газа в жидкое состояние или из жидкого в твердое (кислород при сильном охлаждении может сжижаться, вода превращается в лед).

К звуковым относят явления, связанные с распространением звука в различных средах (где быстрее распространяется звук, в воде или воздухе?), поведением звуковых волн при столкновении с препятствиями (что такое эхо?) и другие явления, связанные со звуком.

Оптические явления связаны со светом. Способность видеть у животных (в том числе и человека) возникла благодаря тому, что в природе есть свет. Под воздействием света растения синтезируют органические вещества (однако это не оптическое явление!). Такой раздел физики как оптика изучает, как свет распространяется, отражается от предметов, преломляются, проходя через различные среды.

Электрические и магнитные явления связаны друг с другом, поэтому изучаются совместно. Мы привыкли к электричеству и часто даже не задумываемся, с чем связано это явление. Оно связано с существованием электрически заряженных частиц. Открытие и изучение электрических явлений в недалеком прошлом позволили нам уже сейчас пользоваться электрическим освещением, превращать электричество в движение тел, изобрести телевидение и компьютеры. Магнитные явления можно наблюдать, когда постоянные магниты взаимодействуют между собой (Земля и компас) или притягивают железные предметы.

Механические и тепловые явления | Природоведение. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Механические явления (рис. 33) происходят с телами в процессе их движения. Движением на­зывают перемещение тел относительно друг дру­га. Перемещаются стрелки и маятник часов, течёт вода в реке, летит самолёт, с горы спускается лыж­ник, Земля вращается вокруг Солнца — всё это примеры механических явлений. При этом каждое тело перемещается по-разному: одно — быстрее, другое — медленнее, одно на большое расстояние, другое — на короткое. Да и продолжительность движения каждого тела разная.

Рис. 33. Механические явления

Механические явления — явления, связанные с движением тел. К движению применяют такие ха­рактеристики, как скорость, путь, время.

Животные движутся с разной скоростью

Одной из характеристик механических явлений является скорость движения тела. Чтобы вычис­лить скорость движения тела, надо пройденный телом путь разделить на время, в течение которого оно двигалось. Подобные задачи вы неоднократно решали на уроках математики в начальной школе.

Неподвижных тел не бывает. Даже здания, горы, камни перемещаются вместе с Землёй вокруг Солн­ца и участвуют в суточном вращении Земли.

Тепловыми явлениями называют явления, кото­рые сопровождаются нагреванием либо охлажде­нием тел. Таяние или образование льда, испарение воды, нагревание чайника — примеры тепловых яв­лений (рис. 34). При нагревании температура тела повышается, а при охлаждении — понижается. Материал с сайта //iEssay.ru

Рис. 34. Тепловые явления

Тепло всегда передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Например, если в холодную чашку налить горячий чай, то она нагреется.

Воздух — надёжная защита Земли от чрезмер­ного нагревания Солнцем. Благодаря воздуху на Земле не бывает больших различий между днев­ной и ночной температурой. Чего не скажешь о Луне, у которой нет «воздушного одеяла». По­этому днём на Луне температура может быть +130 °С, а ночью -160 °С.

На этой странице материал по темам:

• реферат по теме теловые явления

Особенности протекания физических явлений на Земле и в Космосе

• Участник: Терехова Екатерина Александровна
• Руководитель: Андреева Юлия Вячеславовна

Цель работы: сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

Введение

У многих стран есть долгосрочные программы по освоению космоса. В них центральное место занимает создание орбитальных станций, так как именно с них начинается цепочка наиболее крупных этапов овладения человечеством космического пространства. Уже осуществлен полет на Луну, успешно проходят многомесячные полеты на борту межпланетных станций, автоматические аппараты побывали на Марсе и Венере, с пролетных траекторий исследовали Меркурий, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. За последующие 20—30 лет возможности космонавтики еще более возрастут.

Многие из нас в детстве мечтали стать космонавтами, но потом задумались о более земных профессиях. Неужели отправиться в космос — это несбыточное желание? Ведь уже появились космические туристы, возможно, когда-нибудь в космос сможет полететь любой, и детской мечте суждено будет сбыться?

Но если мы полетим в космический полет, то столкнемся с тем, что длительное время придется находиться в состоянии невесомости. Известно, что для человека, привыкшего к земной тяжести, пребывание в этом состоянии становится тяжелым испытанием, и не только физическим, ведь многое в невесомости происходит совсем не так, как на Земле. В космосе проводятся уникальные астрономические и астрофизические наблюдения. Находящиеся на орбите спутники, космические автоматические станции, аппараты требуют специального обслуживания или ремонта, а некоторые отработавшие свой срок спутники необходимо ликвидировать или возвращать с орбиты на Землю для переделки.

Пишет ли в невесомости перьевая ручка? Можно ли в кабине космического корабля измерить вес с помощью пружинных или рычажных весов? Вытекает ли там вода из чайника, если его наклонить? Горит ли в невесомости свеча?

Ответы на подобные вопросы содержатся во многих разделах, изучаемых в школьном курсе физики. Выбирая тему проекта, я решила свести воедино материал по данной теме, который содержится в разных учебниках, и дать сравнительную характеристику протекания физических явлений на Земле и в космосе.

Цель работы: сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

Задачи:

• Составить список физических явлений, ход течения которых может отличаться.
• Изучить источники (книги, интернет)
• Составить таблицу явлений

Актуальность работы: некоторые физические явления протекают по разному на Земле и в космосе, а некоторые физические явления лучше проявляются в космосе, где нет гравитации. Знание особенностей процессов может быть полезно для уроков физики.

Новизна: подобные исследования не проводились, но в 90-х на станции «Мир» был снят учебные фильм о механических явлениях

Объект: физические явления.

Предмет: сравнение физических явлений на Земле и в космосе.

1. Основные термины

Механические явления — это явления, происходящие с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, качание маятника).

Тепловые явления — это явления, связанные с нагреванием и охлаждением физических тел (кипение чайника, образование тумана, превращение воды в лед).

Электрические явления — это явления, возникающие при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, молния). [1]

Показать, как происходят явления на Земле — легко, но как можно продемонстрировать те же явления в невесомости? Для этого я решила использовать фрагменты из серии фильмов «Уроки из космоса». Это очень интересные фильмы, отснятые в свое время еще на орбитальной станции «Мир». Настоящие уроки из космоса ведет летчик-космонавт, герой России Александр Серебров.

Но, к сожалению, мало кто знает про эти фильмы, поэтому еще одной из задач создания проекта была популяризация «Уроков из космоса», созданных при участии ВАКО «Союз», РКК «Энергия», РНПО «Росучприбор».

В невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести. Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется. И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной.

Состояние полного отсутствия веса называется невесомостью. Невесомость, или отсутствие веса у предмета наблюдается в том случае, когда в силу каких-либо причин исчезает сила притяжения между этим предметом и опорой, или когда исчезает сама опора. простейший пример возникновения невесомости — свободное падение внутри замкнутого пространства, то есть в отсутствии воздействия силы сопротивления воздуха. Скажем падающий самолет сам по себе притягивается землей, но вот в его салоне возникает состояние невесомости, все тела тоже падают с ускорение в одну g, но это не ощущается — ведь сопротивления воздуха нет. Невесомость наблюдается в космосе, когда тело движется по орбите вокруг какого-нибудь массивного тела, планеты. Такое круговое движение можно рассматривать как постоянное падение на планету, которое не происходит благодаря круговому вращению по орбите, а сопротивление атмосферы также отсутствует. Мало того, сама Земля постоянно вращаясь по орбите падает и никак не может упасть на солнце и если бы мы не ощущали притяжение от самой планеты, мы оказались бы в невесомости относительно притяжения солнца.

Часть явлений в космосе протекает точно так же как и на Земле. Для современных технологий невесомость и вакуум не являются помехой… и даже наоборот — это предпочтительно. На Земле нельзя достичь таких высоких степеней вакуума, как в межзвездном пространстве. Вакуум нужен для защиты обрабатываемых металлов от окисления, а металлы не расплавляются, вакуум не вызывает помех движению тел.

2. Сравнение явлений и процессов

Земля	Космос
1.Измерение масс
А. Рычажные весы	Использовать нельзя
Б. Пружинные весы	Использовать нельзя
В. Электронные весы	Использовать нельзя
2.Можно ли натянуть верёвку горизонтально?
Верёвка всегда провисает из-за силы тяжести.	Верёвка всегда свободна
3. Закон Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.
На Земле все капли немного сплющены из-за гравитационной силы.	Выполняется хорошо на коротких промежутках времени, либо в подвижном состоянии.
4.Воздушный шарик
летит вверх	Не полетит
5. Звуковые явления
	В открытом космосе звуки музыки не будут слышны т.к. для распространения звука нужна среда (твёрдая, жидкая, газообразная).
6.Горение свечи
	Пламя свечи будет круглым т.к. нет конвекционных потоков
7. Использование часов
А. Солнечные часы	Да, работают, если известны скорость и направление космической станции. На других планетах тоже работают
Б. Песочные часы	Использовать нельзя
В. Механические часы маятниковые	Использовать нельзя. Можно использовать часы с заводом, с батарейкой
Г. Электронные часы	Можно использовать
8. Можно ли набить шишку
Можно	Можно
9. Термометр работает	работает
Тело съезжает по горке из-за силы тяжести	Предмет останется на месте. Если толкнуть, то можно будет прокатиться до бесконечности, даже если горка закончилась
10. Можно ли вскипятить чайник?
Да	Т.к. нет конвекционных потоков, то нагреется только дно чайника и вода около него. Вывод: необходимо использовать микроволновку
12. Распростронение дыма
	Дым не может распространяться, т.к. нет конвекционных потоков, распределение не будет происходить из-за диффузии
Манометр работает	Работает
Растяжение пружины. Да, растягивается	Нет, не растягивается
Ручка шариковая пишет	Ручка не пишет. Пишет карандаш

Вывод

Я сопоставила протекания физических механических явлений на Земле и в космосе. Данная работа может использоваться для составления викторин и конкурсов, для уроков физики при изучении некоторых явлений.

В ходе работы над проектом я убедилась, что в невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести. Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется. И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной. Это стало главным выводом нашей работы и таблицы, которая у меня в итоге получилась.

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

Код и классификация направлений подготовки	Код группы образовательной программы	Наименование групп образовательных программ	Количество мест
8D01 Педагогические науки
8D011 Педагогика и психология	D001	Педагогика и психология	45
8D012 Педагогика дошкольного воспитания и обучения	D002	Дошкольное обучение и воспитание	5
8D013 Подготовка педагогов без предметной специализации	D003	Подготовка педагогов без предметной специализации	22
8D014 Подготовка педагогов с предметной специализацией общего развития	D005	Подготовка педагогов физической культуры	7
8D015 Подготовка педагогов по естественнонаучным предметам	D010	Подготовка педагогов математики	30
	D011	Подготовка педагогов физики (казахский, русский, английский языки)	23
	D012	Подготовка педагогов информатики (казахский, русский, английский языки)	35
	D013	Подготовка педагогов химии (казахский, русский, английский языки)	22
	D014	Подготовка педагогов биологии (казахский, русский, английский языки)	18
	D015	Подготовка педагогов географии	18
8D016 Подготовка педагогов по гуманитарным предметам	D016	Подготовка педагогов истории	17
8D017 Подготовка педагогов по языкам и литературе	D017	Подготовка педагогов казахского языка и литературы	37
	D018	Подготовка педагогов русского языка и литературы	24
	D019	Подготовка педагогов иностранного языка	37
8D018 Подготовка специалистов по социальной педагогике и самопознанию	D020	Подготовка кадров по социальной педагогике и самопознанию	10
8D019 Cпециальная педагогика	D021	Cпециальная педагогика	20
		Всего	370
8D02 Искусство и гуманитарные науки
8D022 Гуманитарные науки	D050	Философия и этика	20
	D051	Религия и теология	11
	D052	Исламоведение	6
	D053	История и археология	33
	D054	Тюркология	7
	D055	Востоковедение	10
8D023 Языки и литература	D056	Переводческое дело, синхронный перевод	16
	D057	Лингвистика	15
	D058	Литература	26
	D059	Иностранная филология	19
	D060	Филология	42
		Всего	205
8D03 Социальные науки, журналистика и информация
8D031 Социальные науки	D061	Социология	20
	D062	Культурология	12
	D063	Политология и конфликтология	25
	D064	Международные отношения	13
	D065	Регионоведение	16
	D066	Психология	17
8D032 Журналистика и информация	D067	Журналистика и репортерское дело	12
	D069	Библиотечное дело, обработка информации и архивное дело	3
		Всего	118
8D04 Бизнес, управление и право
8D041 Бизнес и управление	D070	Экономика	39
	D071	Государственное и местное управление	28
	D072	Менеджмент и управление	12
	D073	Аудит и налогообложение	8
	D074	Финансы, банковское и страховое дело	21
	D075	Маркетинг и реклама	7
8D042 Право	D078	Право	30
		Всего	145
8D05 Естественные науки, математика и статистика
8D051 Биологические и смежные науки	D080	Биология	40
	D081	Генетика	4
	D082	Биотехнология	19
	D083	Геоботаника	10
8D052 Окружающая среда	D084	География	10
	D085	Гидрология	8
	D086	Метеорология	5
	D087	Технология охраны окружающей среды	15
	D088	Гидрогеология и инженерная геология	7
8D053 Физические и химические науки	D089	Химия	50
	D090	Физика	70
8D054 Математика и статистика	D092	Математика и статистика	50
	D093	Механика	4
		Всего	292
8D06 Информационно-коммуникационные технологии
8D061 Информационно-коммуникационные технологии	D094	Информационные технологии	80
8D062 Телекоммуникации	D096	Коммуникации и коммуникационные технологии	14
8D063 Информационная безопасность	D095	Информационная безопасность	26
		Всего	120
8D07 Инженерные, обрабатывающие и строительные отрасли
8D071 Инженерия и инженерное дело	D097	Химическая инженерия и процессы	46
	D098	Теплоэнергетика	22
	D099	Энергетика и электротехника	28
	D100	Автоматизация и управление	32
	D101	Материаловедение и технология новых материалов	10
	D102	Робототехника и мехатроника	13
	D103	Механика и металлообработка	35
	D104	Транспорт, транспортная техника и технологии	18
	D105	Авиационная техника и технологии	3
	D107	Космическая инженерия	6
	D108	Наноматериалы и нанотехнологии	21
	D109	Нефтяная и рудная геофизика	6
8D072 Производственные и обрабатывающие отрасли	D111	Производство продуктов питания	20
	D114	Текстиль: одежда, обувь и кожаные изделия	9
	D115	Нефтяная инженерия	15
	D116	Горная инженерия	19
	D117	Металлургическая инженерия	20
	D119	Технология фармацевтического производства	13
	D121	Геология	24
8D073 Архитектура и строительство	D122	Архитектура	15
	D123	Геодезия	16
	D124	Строительство	12
	D125	Производство строительных материалов, изделий и конструкций	13
	D128	Землеустройство	14
8D074 Водное хозяйство	D129	Гидротехническое строительство	5
8D075 Стандартизация, сертификация и метрология (по отраслям)	D130	Стандартизация, сертификация и метрология (по отраслям)	11
		Всего	446
8D08 Сельское хозяйство и биоресурсы
8D081 Агрономия	D131	Растениеводство	22
8D082 Животноводство	D132	Животноводство	12
8D083 Лесное хозяйство	D133	Лесное хозяйство	6
8D084 Рыбное хозяйство	D134	Рыбное хозяйство	4
8D087 Агроинженерия	D135	Энергообеспечение сельского хозяйства	5
	D136	Автотранспортные средства	3
8D086 Водные ресурсы и водопользование	D137	Водные ресурсы и водопользования	11
		Всего	63
8D09 Ветеринария
8D091 Ветеринария	D138	Ветеринария	21
		Всего	21
8D11 Услуги
8D111 Сфера обслуживания	D143	Туризм	11
8D112 Гигиена и охрана труда на производстве	D146	Санитарно-профилактические мероприятия	5
8D113 Транспортные услуги	D147	Транспортные услуги	5
	D148	Логистика (по отраслям)	4
8D114 Социальное обеспечение	D142	Социальная работа	10
		Всего	35
		Итого	1815
		АОО «Назарбаев Университет»	65
		Стипендиальная программа на обучение иностранных граждан, в том числе лиц казахской национальности, не являющихся гражданами Республики Казахстан	10
		Всего	1890

Модель урока физики «Методы научного познания в физике». 8-й класс

Цель: знакомство со средствами описания природы, формирование у школьников представления о методах научного познания, усвоение логики научного познания.

План урока

Этапы урока	Время (мин.)	Приемы и методы
1. Организационный момент	1
2. Мотивация	3	Сообщение учителя. Рассказ, беседа. Постановка проблемы.
3. Актуализация	7	Выполнение задания для самостоятельной работы, фронтальная беседа: выделение явления.
4. Изучение явление	15	Работа в группах: описание явления. Работа с текстом учебной статьи.
5. Закрепление	15	Решение задачи. Выполнение эксперимента: применение явления.
6.Подведение итогов урока. Домашнее задание.	4	Фронтальная беседа. Записи в тетради. Домашнее задание: описать тепловое явление согласно логике научного познания

2. Мотивация

В основе естественных наук утверждение о существовании природы, материального мира. Мы можем привести немало примеров познаваемости физических объектов и явлений, опираясь на изученный материал. Природа развивается, формы её усложняются. Меняются и методы исследования.

Физика раньше других наук вышла на уровень теорию. Здесь язык описания настолько строг, что позволяет получить максимально точное, количественное знание. Математика как язык именно в физике нашла наиболее последовательное применение при описании явлений природы. Именно такое знание “создает” материальные основы нашей цивилизации. Без развития таких знаний человечеству сейчас не выжить

Наука – это не только знания, но и деятельность. Деятельность – это методы, приемы. Физики имеют дело, как с объектами природы, так и с идеализированными объектами духовного мира человека – моделями. Всё физическое знание можно разделить на теорию, которая описывает все физические явления и технические устройства. Получение физического знания – процесс длительный. Он имеет свои этапы, которые соответствуют циклу научного творчества.

Познание любого явления начинается с выделения фактов в результате наблюдений и размышлений. Далее выдвигается гипотеза (предположение) о природе, причине явления. Эта гипотеза позволяет предсказать другие факты, которые ранее не были известны (следствия). Справедливость гипотезы проверяется экспериментом. Если предсказание экспериментально подтверждается, то модель (гипотеза) правильно отражает изучаемое свойство явления. Если же эксперимент не подтверждает гипотезу, то она не верна. Надо выдвигать новые гипотезы вновь и вновь. (Учитель обращает внимание учащихся на таблицу 1 на доске.) Таким образом, при изучении явления можно использовать логическую схему.

Таблица 1

Логика научного познания

Истина – это то,
что выдерживает проверку опытом.

Альберт Эйнштейн. (1879-1955)

Перед классом ставится учебная проблема: как исследовать механические явления согласно логике научного познания?

3. Актуализация

Учащиеся получают задание на карточках и лист опроса (см. Приложение). Рекомендуется провести анализ выполненного задания 1 (пунктов а-д).

Подведение учащихся к формулировке определения механического явления.

Задание 1. Прочитайте предложенный список физических объектов и явлений: звёзды мерцают, катиться шар, снежный ком тает, облака движутся, летит голубь, горит лампа, гроза, маятник часов колеблется, автомобиль тормозит, северное сияние.

Выполните следующие задания:

1. Выделите из перечисленных явлений только механические явления. Выпишите их в первый столбик таблицы 2.
2. Попробуйте определить в каждом механическом явлении физический объект. Выпишите их во второй столбик таблицы.
3. Выделите физические объекты из других физических явлений. Выпишите их во второй столбик таблицы.
4. Придумайте механическое явление, происходящее с этим объектом. Выпишите в первый столбик.
5. Выделите из списка другие физические явления и выпишите их в третий столбик таблицы.
6. Дайте определение механических явлений.

Механическими явлениями называются физические явления, при которых тела совершают …; или … механические явления – это … явления … взаимодействия тел друг с другом; или … явления – это…

4. Изучение явления

Прочитайте внимательно текст. Заполните таблицы 2-4 (см. Приложение).

Задание 2. Выделите средства механических явлений.

Как вы убедились, механические явления происходят с разными физическими объектами, они по-разному проявляются. Конкретных примеров механических явлений бесконечное множество, и даже простое их перечисление невозможно. Для научного описания механических явлений учёные выделяют в них общие черты (свойства), характеризуют их физическими величинами, и затем с их помощью описывают любое механическое явление. К средствам описания физических явлений относятся, кроме того, модели, законы, принципы. Физические модели – это идеальные научные представления физических объектов и явлений. Запомните, что во всех физических законах речь идёт не о конкретных физических телах, а об их упрощённых представлениях – моделях.

А) Приведите примеры явлений, в которых тела можно описать моделями “материальная точка” и “твёрдое тело”. (Материальная точка и твёрдое тело являются двумя важнейшими моделями при изучении механических явлений.)

Материальная точка – это модель тела, размеры которого не важны для описания происходящих с ним механических явлений, а потому могут не учитываться.

Твёрдое тело – это модель тела, размеры которого важны для описания происходящих с ним механических явлений. Изучать физическое тело гораздо сложнее, чем материальную точку.

Примеры механических движений, для которых тело можно моделировать материальной точкой, твердым телом.

Материальная точка	Твердое тело
Космическая станция при изучении её движения по околозёмной орбите под действием тяготения, автомобиль при определений его скорости по оставленному тормозному следу	Автомобиль при изучении удара и последствий удара для водителя

Б) Назовите математические средства описания механических явлений и запишите их условные обозначения.

Примеры: скорость — , сила — , потенциальная энергия – Е_р.

В) Запишите формулы, связывающие названные физические величины.

Примеры: Ucp = , S = U•t, Ep = mgh.

Г) Изобразите физическую модель явления: а) учебник лежит на столе, б) прямолинейное равномерное движение автомобиля.

5. Закрепление

Задание 3

А. Почитайте внимательно текст задачи.

Дядя Фёдор катался на лыжах. Участок длиной 120 м он прошёл за 2 минуты, а второй – длиной 27 м – он прошёл за 1,5 минут. Найдите среднюю скорость движения дяди Фёдора на всём пути.

Самостоятельно попробуйте определить: а) физическое явление, б) объект, в) модель объекта, г) рисунок явления, д) средства описания (физическое величины, законы).

Б. Экспериментальное изучение.

С помощью учебного оборудования, находящегося у вас на столе, предложите вариантов демонстрации механических явлений.

Оборудование: карандаш, ручка, линейка, учебник, динамометр, набор грузов, деревянные бруски, деревянная дощечка.

Сделайте пояснительный рисунок в таблице.

6. Подведение итогов

Современное научное познание опирается на эксперимент и теорию. Под экспериментом мы будем понимать некую практическую деятельность: целенаправленные наблюдения, эксперимент, измерения. Сейчас уже очевидно, что эксперимент прочно связан с теорией. Все так называемые теоретические методы познания в физике, несмотря на свою самостоятельность, несомненно, являются частью экспериментирования. Разве при проведении опытов нет выдвижения гипотез, моделирования? Можно говорить об условности деления методов в современной физике . К тому материалу мы будем периодически возвращаться по мере изучения курса физики средней школы.

Работа с таблицей (см. табл. 1). (Таблица выдаётся каждому ученику и остаётся в тетради). Проводится фронтальная беседа. Примерные вопросы: Какие методы научного познания в физике выделяют учёные? Что обозначает стрелка? Для чего нужна модель? Почему теоретические методы познания разделены на группы? Какие из методов научного познания вы применили на уроке?

Домашнее задание. На уроке исследовали механическое явление, используя схему (см. табл. 1). А все ли физические явления можно исследовать таким образом? Мы начинаем изучение темы “ Тепловые явления”. Попробуйте дома описать согласно логике научного познания тепловое явление “нагревание воды”.

Приложение

Mechanical Phenomenon — обзор

6 Наименьшее, лучшее и другие варианты

Одним из важнейших принципов классической механики является PLA. Это часть долгой истории поиска основных принципов и их соответствующей математической формулировки. ¹³ Как уже подчеркивал Планк, его применимость не ограничивается только механическими явлениями, но применима также к тепловым и электродинамическим событиям (см. [9]).

Самая популярная математическая формулировка PLA была найдена сэром Уильямом Роуэном Гамильтоном с помощью вариационного исчисления.

Он поднял вопрос, как отличить оптимальную траекторию движущегося тела от бесконечного множества (виртуальных) других, и решил эту проблему, оптимизируя интеграл по лагранжиану тела

(18) ∫t1t2L (r˙ (t), undefinedr (t)) dt → opt.!

с лагранжианом L , определяемым как разность между кинетической энергией и потенциалом объемных сил или — в терминах, используемых здесь — как преобразование Лежандра функции Гамильтона H

(19) L = H −v⋅P.

На языке вариационного исчисления это читается как

(20) δ∫t1t2L (r˙ (t), r (t)) dt = ∫t1t2δL (r˙ (t), r (t)) dt = undefined0,

и называется принципом Гамильтона (см. [10]).

В свете соображений предыдущих разделов и с учетом замечания Планка кажется необходимым вернуться к вопросу о том, какое количество должно быть оптимизировано.

Анализ уравнения. (19) можно понять, что лагранжиан L является разницей между H и произведением сохраняющейся величины P и его сопряженной интенсивной переменной v .Другими словами: H уменьшается из-за формы энергии величины P , для которой существует условие зацепления (то есть уравнение (17) ₁ . В классической механике, где существуют только материальные точки и силы H обозначает полную энергию системы n -многих частиц.

Теперь рассмотрим систему тело-поле из раздела 5 и ее преобразованную по Лежандру энергию E с соответствующим полным дифференциалом

(21) dE = v⋅dP − F⋅dr + Ω⋅dL − M⋅dα + T * dS − p * dV + μk * dNk + UdQ − I * dΞ.

По аналогии с лагранжианом (19) очевидно, что энергия E должна быть уменьшена формами энергии P , L и Q , для которых существуют условия зацепления, т.е. и угловой момент, а также заряд. Это делается с помощью соответствующего трехкратного преобразования Лежандра

(22) E [P, L, Q]: = E − ∂E∂P⋅P − ∂E∂L⋅L − ∂E∂QQ = E − v ⋅P − Ω⋅L − UQ.

Очевидно, E ^{[ P , L , Q ]} является расширением классического лагранжиана.[P, L, Q] (r, r˙, α, α˙, Ξ, Ξ˙, S, V, Nk).

Эта функция намного сложнее лагранжиана L и включает переменные, необходимые для описания необратимых явлений реальных процессов. Из его списка переменных ясно, что мы должны учитывать не только вектор положения и скорость, но и угловое положение и скорость, а также магнитный поток и его производную по времени, энтропию, объем и количество частиц.

Использование энергоподобной функции (24) гарантирует совместимость пространства Гиббса и пространства параметров, которое впервые было вызвано использованием условий зацепления (9) и (10).

Следует сделать несколько замечаний относительно природы E ^{[ P , L , Q ]} : Его полный дифференциал (23) содержит последние три формы энергии, составляющие общую энергию E * рассматриваемой системы — (3) — родовыми моделями S , V и N _k . Все остальные изначальные формы энергии исчезли в результате преобразований Лежандра. Две из этих последних трех форм энергии, относящиеся к родовым моделям S и N _k вместе с их сопряженными T _* и μ _* , могут быть представлены соответствующими балансами, каждая из которых приводит к плотности потока. и термин «плотность производства».Оба типа членов проявляют чистые эффекты диссипации. Кроме того, другие условия продукта уравнения. (23) обозначают диссипативные эффекты, которые могут быть собраны вместе с помощью алгебраических манипуляций таким образом, что они возникают как части двух балансов импульса системы для линейного и углового момента. Остальные электромагнитные воздействия, описанные U и Ξ — местная электрическая сила и магнитный поток — вместе с их сопряженными Q и I — зарядом тела и электрическим током соответственно — также оказываются чисто диссипативными.Громоздкий анализ показывает, как связать эти различные электромагнитные эффекты необратимости с условиями плотности потока и плотности производства, а также с упомянутыми выше балансами импульса. [P, L, Q] (r , r˙, α, α˙, Ξ, Ξ˙, S, V, Nk) dt = 0.

Это приводит к новой далеко идущей интерпретации физического смысла PLA:

«Без дополнительных ограничений любой необратимый процесс в природе протекает таким образом, что диссипация во время процесса сводится к минимуму». ¹⁵

Исходя из этого вывода, знаменитый тезис Лейбница может быть переведен с чисто механистической картины мира на реалистичную: поскольку необратимость и диссипация неизбежны в реальных процессах, лучший способ — это запустить их с наименьшими затратами. диссипация.Поскольку эта интерпретация не ограничивается стационарными процессами, она обобщает утверждение Пригожина о том, что для стационарных необратимых процессов производство энтропии минимально (см. [11]).

Следуя классической цепочке мысли, будут исследованы характеристики преобразования этого интеграла действия, чтобы найти симметрии и их свойства. С этой целью координаты пространства, времени, углового положения и магнитного потока теперь могут подвергаться непрерывным преобразованиям с r -многими параметрами вида

(27) t¯: = Y ^ t (r, α, , T, ϖ), r¯i: = Y ^ ri (r, α, Ξ, t, ϖ), α¯i: = Y ^ αi (r, α, Ξ, t, ϖ), Ξ¯: = Y ^ Ξ (r, α, Ξ, t, ϖ),

где вектор ϖ содержит r — множество параметров преобразования.[P, L, Q] (r, r˙, α, α˙, Ξ, Ξ˙, S, V, Nk) = ϖvdϑvdt (r, α, Ξ, S, V, Nk) + O (ϖ).

Для дальнейшего изучения функции преобразования разложены в ряды около ϖ = 0

(30) t¯ = t + ϖvτv (r, α, Ξ, t, ϖ) + HOT (ϖ), r¯i (t¯) = ri (t) + ϖvξvi (r, α, Ξ, t, ϖ) + HOT (ϖ), α¯i (t¯) = αi (t) + ϖvλvi (r, α,, t , ϖ) + HOT (ϖ), Ξ¯ (t¯) = Ξ (t) + ϖvηv (r, α, Ξ, t, ϖ) + HOT (ϖ),

с бесконечно малыми генераторами, определенными как

( 31) τv (r, α, Ξ, t, ϖ): = ∂Yt∂ϖv (r, α, Ξ, t, ϖ) | ϖ = 0ξvi (r, α, Ξ, t, ϖ): = ∂Yri ∂ϖv (r, α, Ξ, t, ϖ) | ϖ = 0λvi (r, α, Ξ, t, ϖ): = ∂Yαi∂ϖv (r, α, Ξ, t, ϖ) | ϖ = 0ηv ( r, α, Ξ, t, ϖ): = ∂Yt∂ϖv (r, α, Ξ, t, ϖ) | ϖ = 0.

Следующие шаги соответствуют стандартной процедуре вывода знаменитой теоремы Эмми Нётер:

•

Условие инвариантности (29) будет дифференцировано относительно параметров преобразования для получения соотношений, обеспечивающих инвариантность; разведки на ϖ = 0 будет достаточно.

•

Выведение необходимых дифференциалов, включение в условие инвариантности и

•

Исследование необходимого условия минимума интеграла действия.

После долгих алгебраических манипуляций мы приходим к расширенному фундаментальному тождеству инвариантности

(32) [∂E [P, L, Q] ∂ri − ddt∂E [P, L, Q] ∂r˙ i + T * ∂S∂ri − p * ∂V∂ri + μ * ∂Nk∂ri] ξvi + [∂E [P, L, Q] ∂αi − ddt∂E [P, L, Q] ∂α˙ i + T * ∂S∂αi − p * ∂V∂αi + μ * ∂Nk∂αi] λvi + [∂E [P, L, Q] ∂Ξi − ddt∂E [P, L, Q] ∂Ξ˙ i + T * ∂S∂Ξi − p * ∂V∂Ξi + μ * ∂Nk∂Ξi] ηvi− [∂E [P, L, Q] ∂ri − ddt∂E [P, L, Q] ∂r ˙i + T * ∂S∂ri − p * ∂V∂ri + μ * ∂Nk∂ri] r˙iτv− [∂E [P, L, Q] ∂αi − ddt∂E [P, L, Q ] ∂α˙i + T * ∂S∂αi − p * ∂V∂αi + μ * ∂Nk∂αi] α˙iτv− [∂E [P, L, Q] ∂Ξi − ddt∂E [P, L, Q] ∂Ξ˙i + T * ∂S∂Ξi − p * ∂V∂Ξi + μ * ∂Nk∂Ξi] Ξ˙τv + ddt {[E [P, L, Q] −∂E [P , L, Q] ∂r˙ir˙i − ∂E [P, L, Q] ∂α˙iα˙i − ∂E [P, L, Q] ∂Ξ˙iΞ˙] τv + ∂E [P, L , Q] ∂r˙iξvi + ∂E [P, L, Q] ∂α˙iλvi + ∂E [P, L, Q] ∂Ξ˙ηv − ϑv} = 0.

Вместе с сокращением

(33) ∂E [P, L, Q] ∂z − ddt∂E [P, L, Q] ∂z˙ + T * ∂S∂z − p * ∂V∂z + μ * ∂Nk∂z =: EEL, z, z∈ {ri, αi, Ξ},

и обратное преобразование (22) окончательно инвариантность Нётер получается

(34) EEL, ri (ξvi − r ˙iτv) + EEL, αi (λvi − α˙iτv) + EEL, Ξ (ηi − Ξ˙τv) + ddt (Eτv − Piξvi − Liλvi − Qηv − ϑv) = 0.

Чтобы выполнить необходимые условия ПЛА для минимума интеграла действия, уравнения Эйлера – Лагранжа соответствующей вариационной задачи должны тождественно обращаться в нуль.Как можно легко рассчитать из уравнения. (26) выражения E _{EL , z} из сокращения (33) дают рассматриваемые уравнения

(35) EEL, z =! 0; z∈ {ri, αi, Ξ}.

Это приводит к расширенной версии знаменитой теоремы, которую немецкий математик Эмми Нётер дал в 1918 году.

(36) Eτv − Piξvi − Liλvi − Qηv − ϑv = const.

Для вывода окончательных законов сохранения имеет смысл распределить скалярные калибровочные функции согласно

(37) ϑvP + ϑvL + ϑvQ = ϑv.

Затем, переупорядочивая уравнение. (36) приводит к тождеству

(38) Eτv — (- Piξvi − ϑvP) + (- Liλvi − ϑvL) + (- Qηv − ϑvQ) −const. = 0.

Для получения законов сохранения сначала задается роль калибровочных функций путем отнесения их к соответствующим генерикам полей

(39) ϑvP: = Pifieldξvi, ϑvL: = Lifieldλvi, ϑvQ: = Qem − fieldηv,

которые эквивалентны утверждению, что соответствующие «поля» существуют.

Поскольку P , L и Q независимы, как и генераторы бесконечно малых, четыре скобки можно рассматривать независимо; это достигается установкой трех из четырех бесконечно малых генераторов на ноль за один раз.Тогда получаем четыре уравнения

(40) Eτv = const.

(41) −ξvi (Pi + Pifield) = const. − λvi (Li + Lifield) = const.i = 1,2,3. − ηv (Q + Qem − field) = const.

Первый закон сохранения теперь под рукой. Для τ _v = 1, т.е. аффинного преобразования временной координаты,

(42) E = const.

сразу следует. Уравнение (42) дает поразительный результат:

(1)

Даже для необратимых процессов можно показать сохранение трехкратной преобразованной по Лежандру энергии E .

(2)

Сохраняемое свойство напрямую связано с использованием аффинной временной координаты, то есть с координатой, начало которой может быть сдвинуто произвольно.

Утверждение 1 указывает на определенное ограничение: сохранение энергии в этом контексте является только локальным свойством и не может быть обобщено безоговорочно. Таким образом, произвольность происхождения времени препятствует использованию закона сохранения энергии (в этой локальной форме) в связи с нелокальными явлениями. ¹⁶

Из ур. (43) получаем три дополнительных закона сохранения

(43) Pi + Pifield = const.Li + Lifield = const.i = 1,2,3,

Q + Qem − field = const.

, если соответствующий инфинитезимальный генератор является константой, т.е. соответствующее преобразование является аффинным.

Интерпретация уравнения. (43) совершенно ясно: линейный момент и угловой момент являются сохраняющимися типами системы, вложенной в заданное поле инерции. Другими словами: сохранение осуществляется через поле инерции . Любое изменение линейного и углового момента тела должно быть компенсировано соответствующим изменением инерционного поля. То же самое касается сохранения заряда. Здесь электромагнитное поле — двойник тела. Сохранение количества движения связано с аффинными пространственными координатами; сохранение углового момента требует аффинной угловой ориентации системы координат. Для сохранения заряда нулевую точку магнитного потока можно выбрать произвольно.

Относительно этих результатов требуется важный комментарий: с помощью преобразования Лежандра была построена обобщенная функция Лагранжа L путем вычитания из (сохраненной) энергии энергетических форм некоторых обобщений, которые считаются подходящими для построения сети адекватные координаты пространства параметров. Путем длительной математической процедуры была получена теорема, доказывающая сохранение именно тех генериков, которые использовались для построения.

Подтверждено только то, что было вставлено в качестве предположения?

Ответ на этот вопрос становится довольно ясным, если внимательно посмотреть на результат PLA в связи с расширенной версией теоремы Нётер: отправная точка, функция L , определяется с помощью GFD и AT, соответственно.По этой причине никакие консервативные количества не использовались для определения L априори.

PLA, наряду с теоремой Нётер, является инструментом, позволяющим сделать некоторые обобщения консервативными, вытекающими из принципа оптимизации путем математического построения. Таким образом, можно избежать обычного введения консервативных качеств традиционной метафизики. Кроме того, математическая процедура предоставляет инструкции, как выбрать правильные параметры проекции, то есть координаты для пространства и времени и другие.Это основной результат PLA в связи с альтернативной теорией.

Пространство и время являются результатом выбора назначенных родовых типов и полного набора расширенных переменных. Последние являются настоящими примитивами, т. Е. Неприводимыми элементами теории. Принцип Каллена открывает возможность определить этот набор и идентифицировать сохраняемые количества. На втором этапе правильные координаты проекции могут быть вычислены с помощью PLA и теоремы Нётер. Таким образом, в отличие от опыта и исторического развития, экстенсивные переменные являются первичными категориями, в то время как пространство и время — просто условности, вытекающие из расчетов.

Самый быстрый словарь в мире: Vocabulary.com

механическое явление физическое явление, связанное с равновесием или движением объектов

химическое явление любое природное явление, связанное с химией

геологическое явление природное явление, связанное со структурой или составом земли

физическое явление природное явление, связанное с физическими свойствами материи и энергии

оптическое явление физическое явление, связанное со светом или с его участием

органическое явление природное явление с участием живых растений и животных

электрическое явление физическое явление, связанное с электричеством

инженер-механик человек, обученный проектированию и изготовлению машин

машиностроение отрасль машиностроения, занимающаяся проектированием, изготовлением и эксплуатацией машинного оборудования

психический феномен Явления, которые кажутся противоречащими физическим законам и предполагают возможность причинной связи психическими процессами

механическое преимущество отношение силы, прилагаемой к машине, к приложенной к ней силе

механический человек автомат, похожий на человека

механическая энергия энергия в механической форме

природные явления Все неискусственные явления

Явление Тарчанова изменение электрических свойств кожи в ответ на стресс или тревогу; можно измерить либо путем регистрации электрического сопротивления кожи, либо путем регистрации слабых токов, генерируемых телом

явление Любое состояние или процесс, известный через органы чувств

цинично верящий в худшее из человеческой натуры и побуждений

механическое пианино пианино с механическим управлением, в котором для активации клавиш используется рулон перфорированной бумаги

механическая система Система элементов, взаимодействующих на механических принципах

акустическое явление физическое явление, связанное с производством или передачей звука

3 Возникающие явления в системах от нескольких тел к многим | Управление квантовыми системами: оценка атомной, молекулярной и оптической физики в США

сложных атомов и молекул имеют решающее значение для дальнейших разработок в этих областях.

Находка: Благодаря недавним теоретическим и экспериментальным открытиям, ультрахолодные молекулы теперь представляют собой очень многообещающую исследовательскую платформу, способную заниматься различными явлениями, связанными с множеством тел, и исследованиями фундаментальных реактивных процессов, при этом определенные молекулы представляют собой жизнеспособные цели для науки о точных измерениях.

Находка: Системы захваченных ионов, нейтральные атомы, системы с дальнодействующими взаимодействиями (например, на основе молекул и ридберговских атомов) и ионно-нейтральные гибридные системы являются ведущими кандидатами для обработки квантовой информации и моделирования, а также для изучения химической динамики. процессы.

Рекомендация: Сообщество ученых, занимающихся атомной, молекулярной и оптической наукой, должно активно преследовать, а федеральные агентства должны поддерживать разработку усиленного контроля над холодными атомами и молекулами, что является фундаментальной работой для будущих достижений в квантовой обработке информации, прецизионных измерениях и т. Д. и физика многих тел.

Находка: Квантовые газы атомов и молекул позволяют контролируемым образом исследовать равновесную и неравновесную физику многих тел, а также создавать и манипулировать запутанными состояниями, применимыми к квантовой обработке информации и квантовой метрологии, а также к дальнейшему развитию нашего понимания глубоких вопросов, таких как как характер термализации, локализации многих тел и стабильной квантовой материи вдали от равновесия.

Рекомендация: Федеральным финансовым агентствам следует инициировать новые программы для поддержки междисциплинарных исследований как сильно коррелированных фаз равновесия, так и неравновесных систем многих тел и новых приложений.

Вывод: Квантовые симуляторы на основе AMO способны в краткосрочной перспективе продемонстрировать подлинное квантовое преимущество над классическими вычислительными устройствами, не требуя владения сложными квантовыми вентилями, необходимыми для универсального цифрового квантового компьютера.Эти системы могут обеспечить уникальное понимание сложных моделей из физики конденсированных сред и высоких энергий, а также привести к разработке и тестированию полезных квантовых алгоритмов.

Рекомендация: Федеральным финансовым агентствам следует инициировать новые программы, включающие разработку, проектирование и развертывание самых передовых платформ программируемых квантовых симуляторов, и сделать эти системы доступными для более широкого сообщества ученых и инженеров.

Пять практических применений «жуткой» квантовой механики | Наука

Квантовая механика странная.Известно, что теория, описывающая действие крошечных частиц и сил, вызывала у Альберта Эйнштейна такое беспокойство, что в 1935 году он и его коллеги заявили, что она, должно быть, неполная — слишком «жуткая», чтобы быть реальной.

Проблема в том, что квантовая физика, кажется, бросает вызов здравым понятиям причинности, локальности и реализма. Например, вы знаете, что луна существует, даже когда не смотрите на нее — это реализм.Причинно-следственная связь говорит нам, что если вы щелкнете выключателем, лампочка загорится. И благодаря жесткому ограничению скорости света, если вы щелкнете выключателем сейчас, соответствующий эффект не может произойти мгновенно за миллион световых лет в зависимости от местности. Однако в квантовой сфере эти принципы не работают. Возможно, самый известный пример — квантовая запутанность, которая гласит, что частицы на противоположных сторонах Вселенной могут быть внутренне связаны, так что они мгновенно обмениваются информацией — идея, которая заставила Эйнштейна насмехаться.

Но в 1964 году физик Джон Стюарт Белл доказал, что квантовая физика на самом деле является законченной и работоспособной теорией. Его результаты, которые теперь называются теоремой Белла, эффективно доказали, что квантовые свойства, такие как запутанность, столь же реальны, как луна, и сегодня странное поведение квантовых систем используется для использования во множестве реальных приложений. Вот пять самых интригующих:

Стронциевые часы, представленные NIST и JILA в январе, будут показывать точное время в течение следующих 5 миллиардов лет.(Группа Йе и Брэд Бэксли, JILA)

Сверхточные часы

Надежное хронометрирование — это больше, чем просто утренний будильник. Часы синхронизируют наш технологический мир, поддерживая такие вещи, как фондовые рынки и системы GPS. Стандартные часы используют регулярные колебания физических объектов, таких как маятники или кристаллы кварца, для создания своих «тиков» и «тактов». Сегодня самые точные часы в мире, атомные часы, могут использовать принципы квантовой теории для измерения времени.Они контролируют определенную частоту излучения, необходимую для того, чтобы электроны перепрыгивали между уровнями энергии. Квантово-логические часы в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) в Колорадо теряют или выигрывают только секунду каждые 3,7 миллиарда лет. А стронциевые часы NIST, представленные ранее в этом году, будут иметь такую ​​точность в течение 5 миллиардов лет — больше, чем текущий возраст Земли. Такие сверхчувствительные атомные часы помогают в GPS-навигации, телекоммуникациях и геодезии.

Точность атомных часов частично зависит от количества используемых атомов.Находясь в вакуумной камере, каждый атом независимо измеряет время и следит за случайными локальными различиями между собой и своими соседями. Если ученые втиснут в атомные часы в 100 раз больше атомов, они станут в 10 раз более точными, но есть предел на то, сколько атомов вы можете втиснуть. Следующая большая цель исследователей — успешно использовать запутанность для повышения точности. Запутанные атомы не будут озабочены локальными различиями, а вместо этого будут измерять только течение времени, эффективно объединяя их как единый маятник.Это означает, что добавление в запутанные часы в 100 раз большего количества атомов сделает их в 100 раз более точными. Запутанные часы можно было бы даже связать, чтобы сформировать всемирную сеть, которая будет измерять время независимо от местоположения.

Наблюдателям будет нелегко взломать квантовую корреспонденцию. (ФОЛЬКЕР СТЕГЕР / Библиотека научных фотографий / Корбис)

Коды, не поддающиеся взлому

Традиционная криптография работает с использованием ключей: отправитель использует один ключ для кодирования информации, а получатель использует другой для декодирования сообщения.Однако риск подслушивания трудно исключить, и ключи могут быть скомпрометированы. Это можно исправить с помощью потенциально неразрывного квантового распределения ключей (QKD). В QKD информация о ключе отправляется через фотоны, поляризованные случайным образом. Это ограничивает фотон так, что он колеблется только в одной плоскости — например, вверх и вниз или слева направо. Получатель может использовать поляризованные фильтры для расшифровки ключа, а затем использовать выбранный алгоритм для надежного шифрования сообщения. Секретные данные по-прежнему отправляются по обычным каналам связи, но никто не может расшифровать сообщение, если у него нет точного квантового ключа.Это сложно, потому что квантовые правила диктуют, что «считывание» поляризованных фотонов всегда будет изменять их состояние, и любая попытка подслушивания предупредит коммуникаторов о нарушении безопасности.

Сегодня такие компании, как BBN Technologies, Toshiba и ID Quantique, используют QKD для создания сверхзащищенных сетей. В 2007 году Швейцария опробовала продукт ID Quantique для обеспечения системы голосования с защитой от несанкционированного доступа во время выборов. А первый банковский перевод с использованием запутанных QKD был осуществлен в Австрии в 2004 году.Эта система обещает быть очень безопасной, потому что, если фотоны запутаны, любые изменения их квантовых состояний, сделанные вторгшимися, будут немедленно очевидны любому, кто наблюдает за частицами, несущими ключи. Но эта система пока не работает на больших расстояниях. До сих пор запутанные фотоны передавались на максимальное расстояние около 88 миль.

Крупный план компьютерного чипа D-Wave One.(D-Wave Systems, Inc.)

Сверхмощные компьютеры

Стандартный компьютер кодирует информацию как строку двоичных цифр или битов. Квантовые компьютеры увеличивают вычислительную мощность, потому что они используют квантовые биты или кубиты, которые существуют в суперпозиции состояний — пока они не будут измерены, кубиты могут быть как «1», так и «0» одновременно.

Эта область все еще находится в стадии разработки, но шаги в правильном направлении были сделаны.В 2011 году D-Wave Systems представила D-Wave One, 128-кубитный процессор, а годом позже — 512-кубитный D-Wave Two. Компания заявляет, что это первые в мире коммерчески доступные квантовые компьютеры. Однако это утверждение было встречено скептически, отчасти потому, что до сих пор неясно, запутаны ли кубиты D-Wave. Исследования, опубликованные в мае, обнаружили доказательства запутанности, но только в небольшом подмножестве кубитов компьютера. Также есть неуверенность в том, демонстрируют ли чипы какое-либо надежное квантовое ускорение.Тем не менее, НАСА и Google объединились для создания Лаборатории квантового искусственного интеллекта на основе D-Wave Two. А ученые из Бристольского университета в прошлом году подключили один из своих традиционных квантовых чипов к Интернету, чтобы любой, у кого есть веб-браузер, мог изучить квантовое кодирование.

Внимательно следите за запутыванием. (Оно и др., Arxiv.org)

Улучшенные микроскопы

В феврале группа исследователей из японского университета Хоккайдо разработала первый в мире микроскоп с усилением запутывания, используя метод, известный как микроскопия с дифференциальным интерференционным контрастом.Этот тип микроскопа направляет два луча фотонов на вещество и измеряет интерференционную картину, создаваемую отраженными лучами — картина меняется в зависимости от того, попадают ли они на плоскую или неровную поверхность. Использование запутанных фотонов значительно увеличивает количество информации, которую может собрать микроскоп, поскольку измерение одного запутанного фотона дает информацию о его партнере.

Команде Хоккайдо удалось с беспрецедентной четкостью изобразить выгравированную букву Q, которая возвышается всего на 17 нанометров над фоном.Подобные методы можно использовать для улучшения разрешения астрономических инструментов, называемых интерферометрами, которые накладывают различные световые волны, чтобы лучше анализировать их свойства. Интерферометры используются в поисках внесолнечных планет, для исследования близлежащих звезд и для поиска ряби в пространстве-времени, называемой гравитационными волнами.

Европейская малиновка может быть квантово-естественной. (Эндрю Паркинсон / Корбис)

Биологические компасы

Не только люди используют квантовую механику.Одна ведущая теория предполагает, что такие птицы, как малиновка, используют жуткие действия, чтобы не отставать от миграции. В методе используется светочувствительный белок, называемый криптохромом, который может содержать запутанные электроны. Когда фотоны попадают в глаз, они попадают в молекулы криптохрома и могут доставить достаточно энергии, чтобы разрушить их, образуя две реактивные молекулы или радикалы с неспаренными, но все еще запутанными электронами. Магнитное поле, окружающее птицу, влияет на продолжительность жизни этих радикалов криптохрома.Считается, что клетки сетчатки глаза птицы очень чувствительны к присутствию запутанных радикалов, что позволяет животным эффективно «видеть» магнитную карту, основанную на молекулах.

Однако этот процесс не совсем понятен, и есть еще один вариант: магнитная чувствительность птиц может быть связана с небольшими кристаллами магнитных минералов в их клювах. Тем не менее, если запутанность действительно имеет место, эксперименты показывают, что деликатное состояние должно длиться с высоты птичьего полета намного дольше, чем даже в лучших искусственных системах.Магнитный компас также может быть применим к некоторым ящерицам, ракообразным, насекомым и даже некоторым млекопитающим. Например, форма криптохрома, используемая для магнитной навигации у мух, также была обнаружена в человеческом глазу, хотя неясно, был ли он полезен или когда-то использовался для аналогичной цели.

Что такое квантовая механика? Квантовая физика: определение, объяснение

Квантовая механика — это раздел физики, относящийся к очень малому.

Это приводит к очень странным выводам о физическом мире.В масштабе атомов и электронов многие уравнения классической механики, описывающие движение вещей с повседневными размерами и скоростями, перестают быть полезными. В классической механике объекты существуют в определенном месте в определенное время. Однако в квантовой механике объекты вместо этого существуют в тумане вероятностей; у них есть определенный шанс оказаться в точке A, другой шанс оказаться в точке B и так далее.

Три революционных принципа

Квантовая механика (КМ) развивалась на протяжении многих десятилетий, начиная с набора спорных математических объяснений экспериментов, которые математика классической механики не могла объяснить.Это началось на рубеже 20-го века, примерно в то же время, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, отдельную математическую революцию в физике, описывающую движение вещей на высоких скоростях. Однако, в отличие от теории относительности, происхождение КМ нельзя приписать одному ученому. Скорее, несколько ученых внесли свой вклад в создание трех революционных принципов, которые постепенно получили признание и экспериментальную проверку в период с 1900 по 1930 год. Это:

Квантованные свойства : Некоторые свойства, такие как положение, скорость и цвет, могут иногда встречаться только в конкретные, установленные суммы, очень похожие на циферблат, который «щелкает» от номера к номеру.Это поставило под сомнение фундаментальное предположение классической механики, согласно которому такие свойства должны существовать в гладком непрерывном спектре. Чтобы описать идею о том, что некоторые свойства «щелкают», как циферблат с определенными настройками, ученые придумали слово «квантованный».

Частицы света : Свет иногда может вести себя как частица. Первоначально это было встречено резкой критикой, поскольку противоречило 200-летним экспериментам, показавшим, что свет ведет себя как волна; очень похоже на рябь на поверхности спокойного озера.Свет ведет себя аналогичным образом в том смысле, что он отражается от стен и изгибается по углам, а гребни и впадины волны могут складываться или сокращаться. Добавленные гребни волн приводят к более яркому свету, а волны, которые нейтрализуют, создают темноту. Источник света можно представить себе как шар на палке, который ритмично опускают в центр озера. Излучаемый цвет соответствует расстоянию между гребнями, которое определяется скоростью ритма мяча.

Волны материи : Материя также может вести себя как волна.Это противоречит примерно 30-летним экспериментам, показывающим, что материя (например, электроны) существует в виде частиц.

Квантованные свойства?

В 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался объяснить распределение цветов, излучаемых по спектру при свечении раскаленных докрасна и раскаленных добела объектов, таких как нити лампочек. Придумывая физический смысл уравнения, которое он вывел для описания этого распределения, Планк понял, что оно подразумевает, что испускаются комбинации только определенных цветов (хотя и большого количества), в частности тех, которые являются целыми числами, кратными некоторому базовому значению.Каким-то образом цвета были квантованы! Это было неожиданно, поскольку считалось, что свет действует как волна, а это означает, что значения цвета должны быть непрерывным спектром. Что может запрещать атомам создавать цвета между этими кратными целыми числами? Это казалось настолько странным, что Планк считал квантование не более чем математическим трюком. Согласно Хельге Крагу в своей статье 2000 года в журнале Physics World «Макс Планк, упорный революционер», «Если в декабре 1900 года в физике произошла революция, казалось, никто этого не заметил.Планк не был исключением… »

Уравнение Планка также содержало число, которое позже станет очень важным для будущего развития КМ; сегодня оно известно как« Постоянная Планка ».

Квантование помогло объяснить другие загадки физики. Эйнштейн использовал гипотезу квантования Планка, чтобы объяснить, почему температура твердого тела изменилась на разные величины, если вы поместили такое же количество тепла в материал, но изменили начальную температуру.

С начала 1800-х годов наука о спектроскопии показала, что разные элементы излучают и поглощают свет определенных цветов, называемых «спектральными линиями».«Хотя спектроскопия была надежным методом определения элементов, содержащихся в объектах, таких как далекие звезды, ученые были озадачены тем, что каждый элемент вообще дает эти определенные линии. В 1888 году Йоханнес Ридберг вывел уравнение, описывающее спектральную линии, испускаемые водородом, хотя никто не мог объяснить, почему это уравнение работает. Это изменилось в 1913 году, когда Нильс Бор применил гипотезу Планка о квантовании к «планетарной» модели атома Эрнеста Резерфорда 1911 года, которая постулировала, что электроны вращаются вокруг ядра так же, как и планеты вращается вокруг Солнца.Согласно Physics 2000 (сайт Университета Колорадо), Бор предположил, что электроны ограничены «особыми» орбитами вокруг ядра атома. Они могли «прыгать» между специальными орбитами, и энергия, производимая прыжком, вызвала свет определенных цветов, наблюдаемых в виде спектральных линий. Хотя квантованные свойства были изобретены как простой математический трюк, они объяснили так много, что стали основополагающим принципом QM.

Частицы света?

В 1905 году Эйнштейн опубликовал статью «Об эвристической точке зрения на излучение и преобразование света», в которой он представлял свет, движущийся не как волну, а как своего рода «кванты энергии».Эйнштейн предположил, что этот пакет энергии может «поглощаться или генерироваться только целиком», в частности, когда атом «прыгает» между квантованными частотами колебаний. Это также применимо, как будет показано несколько лет спустя, когда электрон «скачки» между квантованными орбитами. Согласно этой модели, «кванты энергии» Эйнштейна содержали разность энергий скачка; при делении на постоянную Планка эта разность энергий определяла цвет света, переносимого этими квантами. Представляя свет, Эйнштейн предложил взглянуть на поведение девяти различных явлений, включая определенные цвета, которые, по описанию Планка, испускаются нитью накаливания лампочки.Он также объяснил, как определенные цвета света могут выбрасывать электроны с металлических поверхностей — явление, известное как «фотоэлектрический эффект». Тем не менее, Эйнштейн не был полностью оправдан в своем шаге, сказал Стивен Классен, доцент физики в Университете Виннипега. В статье 2008 года «Фотоэлектрический эффект: реабилитация истории для физического класса» Классен утверждает, что кванты энергии Эйнштейна не являются необходимыми для объяснения всех этих девяти явлений. Некоторые математические трактовки света как волны по-прежнему способны описывать как определенные цвета, которые, как описал Планк, излучаются нитью накаливания лампочки, так и фотоэлектрический эффект.Действительно, в спорном присуждении Эйнштейну Нобелевской премии 1921 года Нобелевский комитет только признал «его открытие закона фотоэлектрического эффекта», которое конкретно не основывалось на понятии квантов энергии.

Примерно через два десятилетия после статьи Эйнштейна термин «фотон» получил широкое распространение для описания квантов энергии благодаря работе Артура Комптона 1923 года, который показал, что свет, рассеянный электронным лучом, меняет цвет. Это показало, что частицы света (фотоны) действительно сталкивались с частицами материи (электронами), что подтвердило гипотезу Эйнштейна.К настоящему времени стало ясно, что свет может вести себя и как волна, и как частица, что положило «дуальность волна-частица» света в основу КМ.

Волны материи?

С момента открытия электрона в 1896 году постепенно накапливались доказательства того, что вся материя существовала в форме частиц. Тем не менее, демонстрация дуальности света волна-частица заставила ученых задаться вопросом, может ли материя действовать только только как частицы. Возможно, дуализм волна-частица может звучать справедливо и для материи? Первым ученым, добившимся существенного прогресса в этом рассуждении, был французский физик Луи де Бройль.В 1924 году де Бройль использовал уравнения специальной теории относительности Эйнштейна, чтобы показать, что частицы могут иметь волновые характеристики и что волны могут проявлять характеристики, подобные частицам. Затем, в 1925 году, два ученых, работая независимо и используя разные направления математического мышления, применили рассуждения де Бройля, чтобы объяснить, как электроны вращаются в атомах (явление, которое было необъяснимо с помощью уравнений классической механики). В Германии физик Вернер Гейзенберг (вместе с Максом Борном и Паскуалем Джорданом) добился этого, разработав «матричную механику».Австрийский физик Эрвин Шредингер разработал аналогичную теорию, называемую «волновой механикой». В 1926 году Шредингер показал, что эти два подхода эквивалентны (хотя швейцарский физик Вольфганг Паули отправил Джордану неопубликованный результат, показывающий, что матричная механика является более полной). -Модель Шредингера атома, в которой каждый электрон действует как волна (иногда называемая «облаком») вокруг ядра атома, заменила модель Резерфорда-Бора. Одним из условий новой модели было то, что концы волна, которая образует электрон, должна встретиться.В «Квантовой механике в химии, 3-е изд.» (W.A. Benjamin, 1981) Мелвин Ханна пишет: «Введение граничных условий ограничило энергию дискретными значениями». Следствием этого условия является то, что разрешено только целое количество гребней и впадин, что объясняет, почему некоторые свойства квантованы. В модели атома Гейзенберга-Шредингера электроны подчиняются «волновой функции» и занимают «орбитали», а не орбиты. В отличие от круговых орбит модели Резерфорда-Бора, атомные орбитали имеют множество форм — от сфер до гантелей и ромашек.

В 1927 году Уолтер Хайтлер и Фриц Лондон продолжили развитие волновой механики, чтобы показать, как атомные орбитали могут объединяться с образованием молекулярных орбиталей, эффективно показывая, почему атомы связываются друг с другом, образуя молекулы. Это была еще одна проблема, которую нельзя было решить с помощью математики классической механики. Эти открытия дали начало области «квантовой химии».

Принцип неопределенности

Также в 1927 году Гейзенберг внес еще один важный вклад в квантовую физику.Он рассудил, что, поскольку материя действует как волны, некоторые свойства, такие как положение и скорость электрона, являются «дополнительными», то есть существует предел (связанный с постоянной Планка) того, насколько хорошо может быть известна точность каждого свойства. Согласно тому, что получило название «принцип неопределенности Гейзенберга», было рассмотрено, что чем точнее известно положение электрона, тем менее точно может быть известна его скорость, и наоборот. Этот принцип неопределенности применим и к объектам повседневного размера, но он не заметен, потому что неточность чрезвычайно мала.По словам Дэйва Славена из Морнингсайд-колледжа (Су-Сити, штат Айова), если скорость бейсбольного мяча известна с точностью до 0,1 мили в час, максимальная точность, с которой можно узнать положение мяча, составляет 0,000000000000000000000000000008 миллиметров.

Вперед

Принципы квантования, дуальности волна-частица и принцип неопределенности открыли новую эру для QM. В 1927 году Поль Дирак применил квантовое понимание электрических и магнитных полей, чтобы дать толчок к изучению «квантовой теории поля» (QFT), которая рассматривала частицы (такие как фотоны и электроны) как возбужденные состояния основного физического поля.Работа в QFT продолжалась десять лет, пока ученые не столкнулись с препятствием: многие уравнения в QFT перестали иметь физический смысл, потому что они давали результаты бесконечности. После десятилетия застоя в 1947 году Ганс Бете совершил прорыв, применив технику, названную «перенормировкой». Здесь Бете понял, что все бесконечные результаты связаны с двумя явлениями (в частности, «собственной энергией электрона» и «поляризацией вакуума»), так что наблюдаемые значения массы электрона и заряда электрона могут быть использованы для исчезновения всех бесконечностей.

С момента открытия перенормировки КТП послужила основой для развития квантовых теорий о четырех фундаментальных силах природы: 1) электромагнетизм, 2) слабое ядерное взаимодействие, 3) сильное ядерное взаимодействие и 4) гравитация. Первым озарением, полученным с помощью QFT, было квантовое описание электромагнетизма с помощью «квантовой электродинамики» (QED), которая добилась успехов в конце 1940-х — начале 1950-х годов. Затем было квантовое описание слабого ядерного взаимодействия, которое было объединено с электромагнетизмом, чтобы построить «теорию электрослабого взаимодействия» (EWT) на протяжении 1960-х годов.Наконец, в 1960-х и 1970-х годах пришла квантовая трактовка сильного ядерного взаимодействия с использованием «квантовой хромодинамики» (КХД). Теории QED, EWT и QCD вместе составляют основу Стандартной модели физики элементарных частиц. К сожалению, КТП еще предстоит создать квантовую теорию гравитации. Эти поиски продолжаются и сегодня в исследованиях теории струн и петлевой квантовой гравитации.

Роберт Кулман — научный сотрудник Университета Висконсин-Мэдисон, защитив докторскую диссертацию. в химическом машиностроении.Он пишет о математике, науке и о том, как они взаимодействуют с историей. Следуйте за Робертом @PrimeViridian . Следуйте за нами @LiveScience , Facebook и Google+ .

Дополнительные ресурсы

Квантовая физика может быть даже страшнее, чем вы думаете

Это центральный вопрос квантовой механики, и никто не знает ответа: что на самом деле происходит в суперпозиции — особые обстоятельства, при которых частицы кажутся в двух или более местах или штатах одновременно? В 2018 году группа исследователей из Израиля и Японии предложила эксперимент, который, наконец, позволил нам кое-что сказать наверняка о природе этого загадочного явления.

Их эксперимент был разработан, чтобы позволить ученым украдкой взглянуть на то, где объект — в данном случае частица света, называемая фотоном — на самом деле находится, когда он помещен в суперпозицию. И исследователи предсказывают, что ответ будет еще более странным и шокирующим, чем «два места одновременно».

Классический пример суперпозиции включает запуск фотонов в две параллельные щели в барьере. Одним из фундаментальных аспектов квантовой механики является то, что крошечные частицы могут вести себя как волны, так что частицы, проходящие через одну щель, «мешают» проходящим через другую, их волнистая рябь либо усиливает, либо нейтрализует друг друга, создавая характерный узор на экране детектора. .Однако странно то, что эта интерференция возникает, даже если одновременно выстреливается только одна частица. Кажется, что частица каким-то образом проходит через обе щели одновременно, мешая себе. Это суперпозиция.

И это становится еще более странным: измерение, через какую щель проходит такая частица, неизменно показывает, что она проходит только через одну, но тогда волнообразная интерференция («квантовость», если хотите) исчезает. Кажется, что сам акт измерения «разрушает» суперпозицию. «Мы знаем, что в суперпозиции происходит что-то подозрительное, — говорит физик Авшалом Элицур из Израильского института перспективных исследований.«Но вам не разрешено его измерять. Это то, что делает квантовую механику такой дьявольской ».

На протяжении десятилетий исследователи зашли в этот очевидный тупик. Они не могут точно сказать, что такое суперпозиция, не глядя на нее, но если они попытаются взглянуть на нее, она исчезнет. Одно из возможных решений, разработанное бывшим наставником Элицура, израильским физиком Якиром Аароновым, ныне работающим в Университете Чепмена, и его сотрудниками — предлагает способ сделать какие-то выводы о квантовых частицах перед их измерением.Подход Ааронова называется формализмом двух векторов состояний (TSVF) квантовой механики и постулирует, что квантовые события в некотором смысле определяются квантовыми состояниями не только в прошлом, но и в будущем. То есть TSVF предполагает, что квантовая механика работает одинаково как вперед, так и назад во времени. С этой точки зрения может показаться, что причины распространяются назад во времени, возникая после их следствия: явление, называемое ретропричинностью.

Но не стоит понимать это странное понятие буквально.Скорее в TSVF, можно получить ретроспективное знание того, что произошло в квантовой системе, выбрав результат: вместо простого измерения того, где оказывается частица, исследователь выбирает конкретное место, в котором будет ее искать. Это называется поствыбором, и он предоставляет больше информации, чем любой безусловный просмотр результатов. Это связано с тем, что состояние частицы в любой момент оценивается ретроспективно в свете всей ее истории, вплоть до измерения.Странность возникает потому, что кажется, что исследователь — просто выбирая поиск определенного результата, — затем вызывает этот результат. Но это немного похоже на вывод о том, что если вы включите телевизор, когда запланирована ваша любимая программа, ваше действие заставит эту программу транслироваться именно в этот момент. «Принято считать, что TSVF математически эквивалентен стандартной квантовой механике, — говорит Дэвид Уоллес, философ науки из Университета Южной Калифорнии, специализирующийся на интерпретации квантовой механики.«Но это действительно приводит к тому, что можно увидеть такие вещи, которые иначе невозможно было бы увидеть».

Возьмем, к примеру, версию эксперимента с двумя щелями, разработанную Аароновым и его коллегой Львом Вайдманом из Тель-Авивского университета в 2003 году, которую они интерпретировали с помощью TSVF. Пара описала (но не построила) оптическую систему, в которой одиночный фотон действует как «заслонка», закрывающая щель, заставляя другой «пробный» фотон, приближающийся к щели, отражаться обратно тем же путем, которым он пришел. Применяя постселекцию к измерениям зондирующего фотона, как показали Ааронов и Вайдман, можно было различить фотон затвора в суперпозиции, закрывающей обе (или даже произвольно много) щелей одновременно.Другими словами, этот мысленный эксперимент теоретически позволил бы с уверенностью сказать, что фотон затвора одновременно находится «здесь» и «там». Хотя эта ситуация кажется парадоксальной из нашего повседневного опыта, это один из хорошо изученных аспектов так называемых нелокальных свойств квантовых частиц, где исчезает само понятие четко определенного местоположения в пространстве.

В 2016 году физики Рио Окамото и Сигеки Такеучи из Киотского университета экспериментально подтвердили предсказания Ааронова и Вайдмана, используя световодную схему, в которой фотон затвора создается с помощью квантового маршрутизатора, устройства, которое позволяет одному фотону управлять маршрутом, пройденным другим.«Это был новаторский эксперимент, который позволил вывести одновременное положение частицы в двух местах», — говорит коллега Элитцура Элиаху Коэн из Оттавского университета в Онтарио.

Теперь Элицур и Коэн объединились с Окамото и Такеучи, чтобы придумать еще более ошеломляющий эксперимент. Они считают, что это позволит исследователям с уверенностью сказать что-то о местоположении частицы в суперпозиции в серии различных моментов времени — до того, как будет произведено какое-либо фактическое измерение.

На этот раз путь пробного фотона будет разделен на три части частичными зеркалами. На каждом из этих путей он может взаимодействовать с фотоном затвора в суперпозиции. Эти взаимодействия можно рассматривать как происходящие в прямоугольниках, обозначенных A, B и C, один из которых расположен вдоль каждого из трех возможных маршрутов фотона. Глядя на самоинтерференцию зондирующего фотона, можно ретроспективно заключить с уверенностью, что частица затвора находилась в заданном ящике в определенное время.

Эксперимент разработан таким образом, что зондирующий фотон может показывать интерференцию только в том случае, если он взаимодействует с фотоном затвора в определенной последовательности мест и времени, а именно, если фотон затвора в какой-то момент находился в обоих ящиках A и C ( t ₁ ), затем в более позднее время ( t ₂ ) только в C, а в еще более позднее время ( t ₃ ) как в B, так и в C. Таким образом, интерференция в зондирующем фотоне будет Окончательный знак — фотон затвора создал эту причудливую, противоречащую логике последовательность разрозненных появлений между коробками в разное время — идею, которую Элицур, Коэн и Ааронов предложили в качестве возможной в 2017 году для единственной частицы, распределенной по трем коробкам.«Мне нравится, как в этой статье вопросы о том, что происходит, формулируются с точки зрения всей истории, а не мгновенных состояний», — говорит физик Кен Уортон из Государственного университета Сан-Хосе, который не участвует в новом проекте. «Разговор о« государствах »- это давнее повсеместное предубеждение, тогда как полные истории, как правило, гораздо более богаты и интересны».

Элитцур и его коллеги утверждают, что это богатство и есть то, к чему TSVF дает доступ. Очевидное исчезновение частиц в одном месте в одно время — и их повторное появление в другое время и в других местах — наводит на мысль о необычном видении процессов, лежащих в основе нелокального существования квантовых частиц.Через призму TSVF, говорит Элицур, это мерцающее, постоянно меняющееся существование можно понять как серию событий, в которых присутствие частицы в одном месте «отменяется» ее собственной «противоположной частицей» в том же месте. Он сравнивает это с идеей, предложенной британским физиком Полом Дираком в 1920-х годах, который утверждал, что частицы обладают античастицами, и, если их объединить, частица и античастица могут аннигилировать друг друга. Сначала это понятие казалось просто способом выражения, но вскоре привело к открытию антивещества.Исчезновение квантовых частиц не является «аннигиляцией» в том же смысле, но в некотором смысле аналогично: эти предполагаемые двойники, утверждает Элицур, должны обладать отрицательной энергией и отрицательной массой, что позволяет им нейтрализовать свои аналоги.

Итак, хотя традиционный взгляд на суперпозицию «два места одновременно» может показаться достаточно странным, «возможно, что суперпозиция — это совокупность состояний, которые еще более безумны», — говорит Элицур. «Квантовая механика просто сообщает вам их среднее значение.«Постселекция затем позволяет изолировать и исследовать только некоторые из этих состояний с большим разрешением», — предполагает он. Такая интерпретация квантового поведения была бы, по его словам, «революционной», потому что она повлекла бы за собой неизвестный до сих пор зверинец реальных (но очень странных) состояний, лежащих в основе противоречивых квантовых явлений.

Окамото и его коллеги в Киото уже провели предложенный эксперимент с использованием фотонов, но они все еще анализируют результаты. Тем не менее, говорит Коэн, «предварительные результаты хорошо согласуются с теорией.Он говорит, что японские исследователи сейчас вносят улучшения в установку, чтобы уменьшить погрешности.

А пока некоторые сторонние наблюдатели не ждут, затаив дыхание. «Эксперимент обязательно сработает, — говорит Уортон, но добавляет, что он никого ни в чем не убедит, поскольку результаты предсказываются стандартной квантовой механикой». Другими словами, не было бы веских причин интерпретировать результат с точки зрения TSVF, а не одного из многих других способов интерпретации исследователями квантового поведения.

Элицур соглашается, что их эксперимент можно было бы задумать, используя общепринятый взгляд на квантовую механику, который преобладал несколько десятилетий назад, но этого никогда не было. «Разве это не хороший показатель надежности TSVF?» он спрашивает. И если кто-то думает, что может сформулировать иную картину того, «что на самом деле происходит» в этом эксперименте, используя стандартную квантовую механику, он добавляет: «Что ж, пусть они идут вперед!»

Он уверен, что эта работа знаменует «не что иное, как революцию в квантовой механике.«Теперь, когда методы измерения стали достаточно точными, — говорит он, — вы можете быть уверены, что такие понятия, как обратная причинность, станут неотъемлемой частью квантовой реальности».

Что такого особенного в наномасштабе?

Наночастицы не новы ни в природе, ни в науке. Однако недавние скачки в таких областях, как микроскопия, дали ученым новые инструменты для понимания и использования явлений, которые происходят естественным образом, когда материя организована на наномасштабе. По сути, эти явления основаны на «квантовых эффектах» и других простых физических эффектах, таких как увеличенная площадь поверхности (подробнее об этом ниже).Кроме того, тот факт, что большинство биологических процессов происходит в наномасштабе, дает ученым модели и шаблоны для представления и построения новых процессов, которые могут улучшить их работу в медицине, визуализации, вычислениях, печати, химическом катализе, синтезе материалов и многих других областях. . Нанотехнологии не просто работают над все меньшими размерами; скорее, работа в наномасштабе позволяет ученым использовать уникальные физические, химические, механические и оптические свойства материалов, которые естественным образом встречаются в этом масштабе.

	Компьютерное моделирование движения электронов в нанопроволоке диаметром нанометров. (Изображение: NSF multimedia / Галерея Эрика Хеллера)

Масштаб, в котором квантовые эффекты доминируют над свойствами материалов

Если сравнить размеры частиц твердого вещества в видимом масштабе с тем, что можно увидеть в обычный оптический микроскоп, разница в свойствах частиц незначительна.Но когда частицы создаются с размерами примерно 1–100 нанометров (где частицы можно «увидеть» только с помощью мощных специализированных микроскопов), свойства материалов значительно изменяются по сравнению с более крупными масштабами. Это шкала размеров, в которой так называемые квантовые эффекты управляют поведением и свойствами частиц. В этом диапазоне масштабов свойства материалов зависят от размера. Таким образом, когда размер частиц сделан наноразмерным, такие свойства, как температура плавления, флуоресценция, электрическая проводимость, магнитная проницаемость и химическая реакционная способность, изменяются в зависимости от размера частицы.

Наноразмерное золото демонстрирует уникальные свойства, которые проявляются в наномасштабе. Частицы золота нанометрового размера не имеют привычного нам желтого цвета; наноразмерное золото может казаться красным или пурпурным. На наноуровне движение электронов золота ограничено. Поскольку это движение ограничено, наночастицы золота по-другому реагируют на свет по сравнению с крупномасштабными частицами золота. Их размер и оптические свойства могут быть использованы на практике: наноразмерные частицы золота выборочно накапливаются в опухолях, где они могут обеспечить как точное отображение, так и целенаправленное лазерное уничтожение опухоли, избегая повреждения здоровых клеток.

Увлекательный и мощный результат квантовых эффектов наномасштаба — это концепция «настраиваемости» свойств. То есть, изменяя размер частицы, ученый может буквально точно настроить интересующее свойство материала (например, изменение цвета флуоресценции; в свою очередь, цвет флуоресценции частицы может использоваться для идентификации частицы и различных материалов. могут быть «помечены» флуоресцентными маркерами для различных целей). Другой мощный квантовый эффект наномасштаба известен как «туннелирование». Это явление позволяет использовать сканирующий туннельный микроскоп и флэш-память для вычислений.

Масштаб, в котором происходит большая часть биологии

На протяжении тысячелетий природа совершенствовала искусство биологии в наномасштабе. Многие из внутренних механизмов клетки естественным образом происходят в наномасштабе. Например, гемоглобин, белок, переносящий кислород через тело, имеет диаметр 5,5 нанометра. Нить ДНК, один из строительных блоков человеческой жизни, имеет диаметр всего около 2 нанометров.

Опираясь на естественный наноразмер биологии, многие исследователи-медики работают над разработкой инструментов, методов лечения и методов лечения, которые являются более точными и индивидуализированными, чем традиционные, и которые могут применяться на более ранней стадии заболевания и уменьшать количество неблагоприятных побочных эффектов. -последствия.Одним из медицинских примеров нанотехнологии является анализ биологического штрих-кода, относительно недорогой метод обнаружения биомаркеров, специфичных для болезни, в крови, даже когда их очень мало в образце. Базовый процесс, который прикрепляет частицы «узнавания» и «усилители» ДНК к наночастицам золота, был первоначально продемонстрирован в Северо-Западном университете для биомаркера рака простаты после простатэктомии. Анализ биологических штрих-кодов оказался значительно более чувствительным, чем обычные тесты для тех же целевых биомаркеров, и его можно адаптировать для обнаружения практически любой молекулярной мишени. ^я

Растущее понимание наноразмерных биомолекулярных структур влияет не только на медицину, но и на другие области. Некоторые ученые ищут способы использовать наноразмерные биологические принципы молекулярной самосборки, самоорганизации и квантовой механики для создания новых вычислительных платформ. Другие исследователи обнаружили, что при фотосинтезе энергия, которую растения получают от солнечного света, почти мгновенно передается в «реакционные центры» растений посредством квантово-механических процессов с почти 100% эффективностью (небольшое количество энергии тратится на тепло).Они исследуют фотосинтез как модель наносистем «зеленой энергии» для недорогого производства и хранения экологически чистой солнечной энергии. ^II

Масштаб, в котором поверхности и интерфейсы играют большую роль в свойствах материалов и взаимодействиях

Наноразмерные материалы имеют гораздо большую площадь поверхности, чем аналогичные массы крупномасштабных материалов. По мере увеличения площади поверхности, приходящейся на массу материала, большее количество материала может контактировать с окружающими материалами, что влияет на реакционную способность.

Простой мысленный эксперимент показывает, почему наночастицы имеют феноменально большую площадь поверхности. Твердый куб из материала со стороной 1 см имеет площадь поверхности 6 квадратных сантиметров, что примерно равно одной стороне половинки жевательной резинки. Но если бы этот объем в 1 кубический сантиметр был заполнен кубиками со стороной 1 мм, это были бы кубики размером 1000 миллиметров (10 x 10 x 10), каждый из которых имеет площадь поверхности 6 квадратных миллиметров, в сумме площадь поверхности 60 квадратных сантиметров — примерно такая же, как одна сторона двух третей карточки для заметок размером 3 x 5 дюймов.Когда 1 кубический сантиметр заполнен кубиками микрометрового размера — их триллион (10 ¹² ), каждый с площадью поверхности 6 квадратных микрометров, — общая площадь поверхности составляет 6 квадратных метров, или примерно площадь поверхности основной санузел в среднем доме. И когда этот единственный кубический сантиметр объема заполнен кубиками размером 1 нанометр — 10 ²¹ из них, каждый с площадью 6 квадратных нанометров, — их общая площадь поверхности достигает 6000 квадратных метров. Другими словами, один кубический сантиметр кубических наночастиц имеет общую площадь на треть больше, чем футбольное поле!

Иллюстрация, демонстрирующая эффект увеличения площади поверхности за счет наноструктурированных материалов

Одним из преимуществ большей площади поверхности и улучшенной реакционной способности наноструктурированных материалов является то, что они помогли создать лучшие катализаторы.В результате катализ с помощью инженерных наноструктурированных материалов уже оказывает влияние примерно на одну треть огромных американских и мировых рынков катализаторов, что сказывается на доходах в миллиарды долларов в нефтяной и химической промышленности. ⁱⁱⁱ Обычным примером катализа является каталитический нейтрализатор в автомобиле, который снижает токсичность паров двигателя. Наноинженерные батареи, топливные элементы и катализаторы могут потенциально использовать повышенную реактивность в наномасштабе для создания более чистых, безопасных и более доступных способов производства и хранения энергии.

Большая площадь поверхности также делает наноструктурированные мембраны и материалы идеальными кандидатами для очистки и опреснения воды, а также для других целей. Это также помогает поддерживать «функционализацию» поверхностей наноразмерных материалов (добавление частиц для определенных целей) для различных применений, от доставки лекарств до изоляции одежды.

_____________________________

i Например, см. C.S. Thaxton, R. Elhanian, A.D. Thomas, S.I. Stoeva, J.S. Ли, Н.Д. Смит, А.J. Schaeffer, H. Klocker, W. Horninger, G. Bartsch и C.A. Миркин. Биологический анализ штрих-кода на основе наночастиц переопределяет «неопределяемый» уровень ПСА и биохимический рецидив после радикальной простатэктомии. Proc. Nat. Акад. Sci. США. 106 (44): 18437–18442, 2009 г., DOI: 10.1073 / pnas.0

9106.
ii Для получения более подробной информации см. Http://newscenter.lbl.gov/feature-stories/2010/05/10/untangling-quantum-entanglement/ и связанные ссылки.
iii По состоянию на 2003 год в США выручка от каталитических технологий составила более 1 триллиона долларов.S. economy и около трети материального ВВП (ME Davis и D. Tilley, Future Directions in Catalysis Research, Structures that Function on the Nanoscale, NSF Workshop, Caltech, 19-20 июня 2003 г .; http: // www. che.caltech.edu/nsfcatworkshop/#Reports).

.