Содержание
Удивительное рядом: физика вокруг нас. Как заинтересовать младших школьников физикой
Много интересного таит в себе окружающий мир, а физика — древняя наука, в переводе с греческого означает «природа», и изучает она те явления, которые происходят вокруг нас. Физика нужна не только ученым, она нужна всем: рабочим и инженерам, врачам и фармацевтам, архитекторам и конструкторам. И только зная физику, человек смог создать космические корабли, машины, бытовую технику, научился строить дома.
Для многих моих одноклассников физика была наукой совсем незнакомой и непонятной. Ребята считали, что физику изучают в старших классах и это трудная наука, до нее нужно дорасти. Но на самом деле, все мы хотим знать, как устроен наш мир (почему гремит гром, замерзают зимой реки), всем нам важна безопасность (можно ли прикасаться к проводам, купаться в грозу). Мы хотим научиться решать бытовые вопросы и пользоваться современными технологиями.
И всему этому учит нас физика. Она вокруг нас. Это не просто школьный предмет, который учат старшеклассники — это то, что окружает нашу жизнь.
Тема знакомства с физикой в занимательной форме очень актуальна в наше время. Ведь в игре все новое легко освоить и запомнить. Игра всегда рождает новый интерес к предмету.
Я решил познакомить с основами физики моих одноклассников через занимательные игры и опыты, показать им, насколько тесно наша окружающая жизнь связана с этой наукой, и как интересно ее изучать.
Прежде всего, я решил провести анкетирование в классе и выяснить, как мои одноклассники относятся к физике, знают ли он что-нибудь об этой науке. Моя анкета включала в себя четыре вопроса.
Вопрос 1. Знаешь ли ты, что такое физика, и что изучает эта наука? Только 3 человека из 26 ответили «Да» (отмечу, что двое ребят сразу написали ответ с уточнением, что физика — это наука, которая изучает природу), остальные 23 моих одноклассника ответили «Нет». Я сделал вывод: анкетирование показало, что ребята в моем классе не знакомы с этой наукой.
Вопрос 2. Как ты думаешь, благодаря какой науке появились все технические изобретения, используемые людьми? К этому вопросу я предложил три варианта ответа: математика, физика и биология. 15 ребят выбрали верный ответ «Физика», еще 8 человек ответили «Математика», а 3 человека считают, что именно благодаря «Биологии» появились технические изобретения.
Вопрос 3. Любишь ли ты проводить разные эксперименты и опыты дома, с родителями? Все двадцать шесть человек (из 26) ответили «Да». Большинство ребят любит решать занимательные опыты и эксперименты.
Вопрос 4. Хотел бы ты принять участие в занимательном уроке, провести интересные опыты и узнать много нового о тех явлениях, которые нас окружают? Мои друзья, двадцать шесть человек (из 26) указали в анкетах, что с большим удовольствием примут участие в таком уроке.
Тема занимательной и опытной физики, судя по анкетированию, интересна моим одноклассникам, поэтому я решил подготовить и провести в классе мероприятия.
Я бы хотел показать ребятам интересный способ познакомиться с такой удивительной наукой, как физика через игры, эксперименты, опыты и творчество.
Несколько раз я сам с большим удовольствием посещал научные мероприятия для младших школьников по занимательной физике. А также мне очень нравится проводить опыты дома с родителями. Эти опыты в увлекательной, яркой форме знакомят с физическими явлениями и объясняют многие процессы, которые происходят в окружающем мире. Я решил провести в нашем классе такой занимательный урок знакомства с физикой. Подготовить и провести этот урок мне помогла учитель физики МАОУ «Лицей № 173», г Екатеринбург Коршунова Татьяна Сергеевна.
На уроке мы познакомились с понятием «физика». Узнали, что впервые слово «физика» появилось в трудах одного из великих ученых в древности –Аристотеля. А в русском языке было введено ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал впервые учебник по физике.
Мы выяснили, что для освоения многих профессий обязательно нужны знания по различным предметам, в том числе по физике.
Мы отгадывали загадки — профессии, в которых никак не обойтись без знаний в этой науке. Врач (в его работе используются различные физические приборы: термометр, барометр, магниторезонансная терапия), повар (как же ему быстрее приготовить обед, используя законы физики), юрист — криминалист (использует в своей работе также различные физические приборы), строитель (в своей работе изучает влажность, материалы, которые влияют на свойства новых конструкций) и т. д.
Но самым запоминающимся для всех стала часть урока, на которой мы провели несколько впечатляющих, увлекательных опытов. Они продемонстрировали многие физические явления, которые существуют в окружающем нас мире. Эти опыты легко объясняет физика.
Мы провели опыт «Вращение спирали над свечой», который показал нам, что теплый воздух легче холодного, и он стремится вверх. Так, в результате нагревания, мы можем наблюдать вращение спирали из бумаги.
Опыт «Огнеупорный шарик» продемонстрировал нам, что теплопроводность воды значительно выше, чем у воздуха.
Над свечой быстрее лопается простой воздушный шар. При этом шар с набранной в него водой, не лопается.
Мы узнали, что резина может легко лопнуть, если брызнуть на нее соком апельсина, поскольку ее разъедает вещество лимонен, которое содержится в шкурке апельсина и которое часто используют, например, при производстве косметики, а иногда бытовой химии.
Всем моим одноклассникам также понравилось исследовать и самим изготавливать неньютоновскую жидкость (из крахмала и воды). Очень интересно с ней работать! Неньютоновская жидкость, это такая жидкость, вязкость которой зависит от изменения скорости. Все мы знаем, что мед — густая жидкость, вязкая — он течет очень медленно и медленно заполняет сосуд, в который его перелили. А молоко — жидкость с малой вязкостью. Она тут же принимает ту форму, которую имеет сосуд и мгновенно растекается по нему. А вот неньютоновские жидкости могут быть и вязкими и тут же совершенно жидкими. Все зависит от того, что с ними делают.
Мы изучали ее свойства, ее консистенцию.
Если медленно наклонять миску, то жидкость течет. Но если резко ее наклонить — она совсем не течет. Так же невозможно выплеснуть жидкость из миски. Все ребята были в восторге от этих экспериментов. Мы на собственном опыте прочувствовали, как бывает, когда засасывает болото или зыбучие пески.
Во время опыта по смешиванию жидкостей мы познакомились с понятием плотность. У каждой жидкости своя плотность. Плотность — это отношение массы тела к объёму, который это самое тело занимает. Тяжелые жидкости (например, сахарный сироп) «тонут» в более легких (таких, как вода). А еще более легкие жидкости (растительное масло) будут всегда оставаться на поверхности. Кроме того, растительное масло нерастворимо в воде. Поэтому граница между ним и водой всегда будет резкой. В этом ярком опыте мы увидели три слоя жидкостей в стакане.
Вот такой занимательный урок по физике прошел у нас в классе. Всем ребятам такое мероприятие очень понравилось, многие захотели повторить опыты уже сами, дома.
Я решил подготовить для ребят творческую книгу — «лэпбук» по физике. Изучив интересные факты, книги по занимательной физике, я решил представить эту информацию своим одноклассникам в занимательной, яркой форме, в виде лэпбука (от англ. Lapbook) — самодельная интерактивная книга, или доска, с подвижными деталями, вставками, которые можно доставать, перекладывать. В ней собирается материал по определенной теме, вопросу.
Для своего лэпбука я подготовил ребусы, в которых были спрятаны разные физические понятия, явления; загадки о технических изобретениях людей, стихи про Ньютона и Архимеда, которые знакомят с этими учеными и их открытиями. Отдельный раздел лэпбука я посвятил книгам по занимательной физике, мультфильмам, в которых ребята могут познакомиться с разными физическими явлениями и понятиями.
Большой интерес в лэпбуке вызвал раздел с опытами, отдельно я затронул правила безопасности при проведении опытов. Техника безопасности очень важна в физике и многих других науках.
Ее нужно строго соблюдать, следуя всем правилам.
Также в лэпбуке я разместил любопытные факты, которые мне самому было интересно узнать, и с которыми я решил познакомить моих одноклассников. Какая температура у молнии? Есть ли еще во Вселенной планеты, похожие на Землю? А также необычные факты о космосе, воде и ученых.
Свой лэпбук я решил представить на классном мероприятии, посвященном физике. Я показал и рассказал ребятам все, о чем я узнал в процессе его подготовки. И чтобы понять, насколько ребята сейчас знают о физике, я также к этому дню подготовил Интеллектуальную игру «Поле чудес».
Дома вместе с родителями я сам придумал игровой барабан, который ребята крутили на игре, зарабатывали очки и отгадывали слова.
Моя игра также была посвящена физике и ее понятиям. Мы отгадывали имена ученых, о которых ребята уже узнали, физические явления в природе и вокруг нас, научные изобретения.
Ребята разделились на шесть команд, и каждая команда игроков отгадывала новое спрятанное слово.
Самые активные игроки получили сладкие призы и были награждены аплодисментами своих одноклассников. Многие вспомнили, что знают о физике уже с уроков окружающего мира. Оказывается, все время мы сталкиваемся с физикой. Эта наука не только дает нам знания, она может быть очень увлекательной, и даже в нее можно играть.
После того, как я провел мероприятия в классе, я решил провести повторное анкетирование моих одноклассников.
Анкета также включала в себя четыре вопроса.
Вопрос 1. Можешь ли ты сейчас ответить, что изучает физика? Я предложил ребятам три варианта ответа: это наука о природе и явлениях вокруг нас, наука о прошлом человека, наука о живых существах. 24 человека (из 26) отметили верный ответ, что физика — это наука о природе и явлениях вокруг нас. И только два человека написали, что это наука о живых существах. Я сделал вывод, что мероприятия, которые я провел в классе, были успешными и практически все ребята познакомились с физикой, узнали, что изучает эта наука.
Ведь в первом анкетировании только 3 человека знали о том, что это за наука.
Вопрос 2. Понравилось ли тебе проводить опыты вместе с друзьями в классе? 25 ребят (из26) ответили «Да».
Вопрос 3. Понравилась ли тебе игра «Поле чудес»? Все ребята ответили «Да».
Вопрос 4. Хотел бы ты и дальше знакомиться с окружающим миром на веселых и познавательных уроках физики? Также все ребята единогласно ответили «Да». Я пришел к выводу, что знакомство с новым предметом очень увлекательно для школьников, когда проходит в такой игровой и творческой форме. У ребят появился интерес к новому предмету. Необязательно ждать, когда физика как предмет начнется в школе, изучать окружающий нас мир, его явления можно прямо сейчас. Ведь для этого есть и занимательные книги, интересные игры и мероприятия, которые к тому же открывают нам новые знания.
Поэтому, чтобы поддержать интерес к физике, мы вместе с ребятами в зимние каникулы посетили Парк чудес «Галилео», где в увлекательной форме можно познакомиться с различными физическими явлениями и законами физики.
Оптика, термодинамика, магнетизм и механика — вот с чем можно познакомиться в этом парке в интересной и познавательной форме. Поездка была очень насыщенной, всем ребятам очень понравилась.
После того, как я провел в классе мероприятия: занимательный урок по знакомству с физикой и интеллектуальную игру «Поле чудес», многие ребята спрашивали меня про опыты, просили повторить загадки, вспоминали загаданные на «Поле чудес» слова. И тогда, чтобы ребята не забыли все то, что мы с ними обсуждали на наших мероприятиях и играх, я решил подготовить для них газету «Физика вокруг нас».
В газете я разместил фотографии с наших мероприятий, ведь всем они очень понравились. А также удивительные ребусы, чтобы во время каникул ребята могли вновь потренироваться и вспомнить те понятия, с которыми мы познакомились на занимательных уроках.
А чтобы ребятам было интереснее осваивать новую науку, я посоветовал им книги и интернет площадки, где можно найти интересные факты об окружающих нас явлениях, новые эксперименты и опыты, объяснения тех или иных физических явлений, много историй о технических изобретениях, которые во многом облегчили жизнь современным людям.
А также просто художественную литературу, веселые и смешные истории о любителях этой науки. Газету я вручил ребятам на классном часе. Ребята с удовольствием ее рассматривали, вспоминая нашу поездку и классные мероприятия.
Работая над своим проектом, я сделал следующие выводы. Игра, творчество и познавательные уроки — отличный способ заинтересовать школьников новой наукой. Раньше мои одноклассники даже не знали об этой науке, что она изучает, и нужна ли она нам сейчас.
Но после того, как мы провели в классе занимательный урок и интеллектуальную игру, я показал ребятам, что физика это не просто наука, с которой мы будем знакомиться в старшей школе, а наука, которая живет вокруг нас, наука о природе и явлениях, которые в ней происходят. Это наука, которую интересно изучать. Она рассказывает нам, как устроен наш мир, учит безопасности, учит тому, как легче решать бытовые вопросы и использовать изобретения людей. Она здесь и сейчас, рядом с нами.
Многим понравились новые для них опыты, кто-то уже проводил дома эксперименты, кто-то знакомится с новыми книгами.
Я думаю, что мы и дальше в нашем классе будет время от времени проводить такие разные занимательные уроки и посещать интересные внешкольные научные мероприятия. Они открывают нам новые горизонты и знакомят в увлекательной форме с окружающим миром.
Для меня это был очень познавательный проект, я провел несколько мероприятий в классе в течение учебного года, изучил интересные книги, узнал сам много новых фактов, терминов, физических процессов и явлений, вместе с друзьями из класса посетил научный парк.
Я хотел бы и дальше работать над своим проектом и вести научно-исследовательскую деятельность, глубже изучая физику, это очень емкая и глубокая наука, она взаимосвязана со многими сферами нашей жизни.
Литература:
- Е. Вайткене. Физика. Энциклопедия занимательных наук для детей. — М., Аванта, 2016г.
- Е. Качур. Увлекательная физика. — М., Манн, Иванов, Фербер, 2019г.
- Я. Перельман. Занимательная физика и механика. — М.
, Аванта, 2019г. - www.class-fizika.ru
- www.znamus.ru
- www.school-science.ru
- www.tavika.ru
- http://elar.uspu.ru/bitstream/uspu/12551/2/Korshunova2.pdf
, Аванта, 2019г.Основные термины (генерируются автоматически): ребята, физик, наука, окружающий мир, опыт, явление, занимательный урок, класс, занимательная физика, интеллектуальная игра.
Пять открытий фундаментальной физики, оказавшихся полной неожиданностью / Хабр
Hubble Extreme Deep Field — наш самый детальный снимок Вселенной, демонстрирующий галактики, существовавшие в период, когда возраст Вселенной составлял 3-4% от нынешнего. То, что мы смогли увидеть так много, просто достаточно долго изучая казавшийся чёрным участок неба, тоже стало невероятным сюрпризом – но в список он не попал
Изучая метод научного познания, мы представляем себе чёткую процедуру, следуя которой, можно добраться до понимания естественных процессов, происходящих во Вселенной.
Начинаем с идеи, выполняем эксперимент, и либо подтверждаем, либо опровергаем её – в зависимости от результата. Вот только реальный мир гораздо более неряшлив. Иногда можно провести эксперимент и получить результат, кардинально отличающийся от ожиданий. Иногда правильно объяснение требует выхода воображения далеко за пределы разумных и логических заключений. Сегодня мы неплохо понимаем Вселенную, но на пути к этому мы встречали множество сюрпризов. Осуществляя дальнейший прогресс, мы наверняка наткнёмся на что-то ещё. Вот исторический экскурс, описывающий пять величайших сюрпризов в истории науки.
Если выстрелить ядром из пушки в направлении, обратном движению автомобиля, и с точно такой же скоростью, в результате скорость снаряда окажется нулевой. Если бы мы выстрелили светом, он всегда двигался бы со скоростью света
1) Скорость света не меняется из-за скорости источника. Представьте, что вы очень сильно бросили мяч. В зависимости от того вида спорта, которым вы увлекаетесь, он может достичь скорости до 45 м/с.
Теперь представьте, что вы находитесь в поезде, двигающемся со скоростью 135 м/с. Если вы бросите мяч с поезда в направлении его движения, с какой скоростью он полетит? Просто складываем скорости – 180 м/с. Теперь представьте, что вместо мяча вы испустили луч света. Сложим скорость света и скорость поезда – и получим неправильный ответ.
Интерферометр Майкельсона (вверху) продемонстрировал пренебрежимо малое изменение поведения света (внизу, сплошная) по сравнению с тем, что было бы, если бы сработал закон относительности Галилея (внизу, пунктир). Скорость света оставалась постоянной вне зависимости от направления ориентации интерферометра – включая направление, параллельное или перпендикулярное движению Земли в космосе.
Эта идея была центральной в специальной теории относительности Эйнштейна, но экспериментально её открыл не Эйнштейн; это был Альберт Майкельсон, чья передовая работа продемонстрировала этот результат в 1880-х. Запускаете ли вы луч света в направлении движения Земли, перпендикулярно этому направлению, или в противоположном направлении – разницы нет.
Свет всегда движется с одной и той же скоростью: c, скоростью света в вакууме. Майкельсон разработал интерферометр, чтобы измерить скорость движения Земли относительно эфира, а вместо этого проложил дорогу для относительности. Его нобелевская премия 1907 года остаётся самым известным нулевым результатом и самым важным в истории науки.
Атом гелия с ядром в примерном масштабе
2) 99,99% массы атома сосредоточено в невероятно плотном ядре. Слышали ли вы о «пудинговой модели атома»? Сегодня она кажется странной, но в начале XX века считалось общепринятым, что атом состоит из смеси отрицательно заряженных электронов (изюминок), встроенных в положительно заряженное вещество (пудинг), заполняющее всё пространство. Электроны можно вынуть из него, что объясняет явление статического электричества. Годами композитная модель атома Томсона, с небольшими электронами, расположенными на положительно заряженной подложке, была общепринятой. Пока её не решил проверить Эрнест Резерфорд.
Опыт Резерфорда с золотой фольгой показал, что атом по большей части пустой, но в одной его точке имеется концентрация массы, серьёзно превышающей массу альфа-частицы: атомное ядро.
Запуская высокоэнергетические заряженные частицы (от радиоактивного распада) в очень тонкий лист золотой фольги, Резерфорд ожидал, что они будут проходить её насквозь. Большая часть из них так и сделала, но некоторые эффектно отскочили! Как вспоминает Резерфорд:
Это было самое невероятное, что произошло со мной в жизни. Это было почти настолько же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в салфетку, а он бы отскочил от неё и попал в вас.
Резерфорд обнаружил атомное ядро, содержащее практически всю массу атома и ограниченное объёмом в 10-15 от размера всего атома. Так родилась современная физика, проложившая путь квантовой революции XX века.
Два типа (излучающий и неизлучающий) бета-распада нейтрона.
Бета-распад, в отличие от альфа- или гамма-распада, не сохраняет энергию – если вы не сможете обнаружить нейтрино.
3) «Недостающая энергия» привела к открытию крохотной, почти невидимой частицы. Во всех наблюдаемых взаимодействиях между частицами энергия всегда сохраняется. Её можно превратить из одного типа в другой – потенциальная, кинетическая, масса покоя, химическая, атомная, электрическая, и т.д. – но её нельзя создать или уничтожить. Поэтому почти сотню лет назад было так удивительно узнать, что у некоторых продуктов радиоактивных распадов получается немного меньше общей энергии, чем у изначальных реагентов. Это привело Бора к мысли, что энергия сохраняется всегда… за исключением тех случаев, когда теряется. Но Бор ошибся, а у Паули появилась другая идея.
Превращение нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино – решение проблемы несохранения энергии при бета-распаде
Паули спорил, что энергия должна сохраняться, поэтому в 1930-х предположил существование новой частицы: нейтрино.
Эта «маленькая нейтронная» частичка не вступала в магнитные взаимодействия, а вместо этого обладала крохотной массой и уносила с собой кинетическую энергию. Многие отнеслись к этому скептически, но в опытах среди продуктов ядерных реакций в 1950-х и 1960-х в итоге были найдены нейтрино и антинейтрино, что помогло привести физиков к Стандартной Модели и модели слабых ядерных взаимодействий. Это яркий пример того, как теоретические предсказания иногда могут привести к потрясающим прорывам, после того, как будут выработаны соответствующие экспериментальные технологии.
Кварки, антикварки и глюоны в Стандартной Модели обладают цветным зарядом – в дополнение к остальным свойствам вроде массы и электрического заряда. Все эти частицы, насколько нам известно, точечные, и распределены по трём поколениям
4) У всех частиц, с которыми мы взаимодействуем, есть нестабильные высокоэнергетические родственники. Часто говорят, что научные достижения обычно встречают не возгласом «эврика», а замечанием «хмм, вот странно…» – но в фундаментальной физике встречался и первый вариант.
Если зарядить электроскоп – в котором два проводящих металлических листка соединены с другим проводником – оба листка получат одинаковый заряд и будут отталкиваться. Если поместить его в вакуум, листки не должны терять заряды, но они со временем их теряют. Лучшим объяснением для этого было то, что из внешнего космоса на Землю летят высокоэнергетические частицы, космические лучи, и результат их столкновений разряжал электроскоп.
Астрономия космических лучей зародилась в 1912-м, когда Виктор Гесс отправился на воздушном шаре в верхние слои атмосферы и обнаружил частицы, падающие на Землю из космоса.
В 1912 Виктор Гесс при помощи воздушного шара провёл опыт для поиска этих высокоэнергетических космических частиц, и сразу же обнаружил их в изобилии, став отцом космических лучей. Сконструировав камеру с магнитным полем, можно измерить скорость и отношение заряда к массе на основе закругления пути частицы. Протоны, электроны, и даже первые частицы антиматерии были обнаружены именно так, но крупнейший сюрприз произошёл в 1933-м, когда Пол Кунц, работая с космическими лучами, обнаружил след частицы, очень похожей на электрон, только в сотни раз тяжелее!
Первый из обнаруженных мюонов, вместе с другими частицами космических лучей, оказался обладателем такого же заряда, как у электрона, только с массой в сотни раз больше – это было видно из его скорости и радиуса искривления пути
Существование мюона со временем жизни всего 2,2 мкс позднее было подтверждено на опыте, когда его обнаружили Карл Андерсон и его студент Сет Неддермайер, использовавшие наземную камеру Вильсона.
Когда физик Исидор Раби, сам удостоившийся нобелевской премии за открытие ядерного магнитного резонанса, узнал о существовании мюона, он изрёк известную теперь фразу: «А это кто заказал?» Позже было установлено, что как композитные частицы (протоны и нейтроны) так и фундаментальные (кварки, электроны, нейтрино) обладают несколькими поколениями более тяжёлых родственников, и мюон стал первой из открытых частиц «второго поколения».
Чем дальше вы смотрите в пространство, тем дальше вы смотрите во времени. Во времени нельзя заглянуть дальше, чем 13,8 млрд лет: это наша оценка возраста Вселенной. Экстраполяция данных обратно к самым ранним временам привела к появлению идеи Большого взрыва.
5) Вселенная началась с Большого взрыва, но это открытие было сделано совершенно случайно. В 1940-х Георгий Антонович Гамов с коллегами выдвинули радикальную идею: Вселенная, в текущий момент расширяющаяся и охлаждающаяся, в прошлом не только была горячее и плотнее, но была произвольно горячей и плотной.
Если экстраполировать назад достаточно далеко, получится Вселенная, достаточно горячая для ионизации всей имеющейся в ней материи, а ещё дальше распадутся даже атомные ядра. Идея получила известность как Большой Взрыв, и из неё вышло два главных прогноза:
1. Во Вселенной, с которой мы начали, должны были находиться не просто протоны и электроны, но целая смесь лёгких элементов, синтезированных вместе при высоких энергиях.
2. Когда Вселенная остыла достаточно для формирования нейтральных атомов, излучение высокой энергии освободилось и вечно путешествует по прямой, пока не наткнётся на что-либо, испытывая красное смещение и теряя энергию при расширении Вселенной.
Они предсказали, что температура этого «реликтового излучения» будет на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Согласно первоначальным наблюдениям Пензиаса и Уилсона, в галактической плоскости есть несколько источников излучения (в середине), но сверху и снизу был почти идеально однородный фон
В 1964 году Арно Пензиас и Боб Уилсон случайно открыли остаточное излучение Большого взрыва.
Работая с радиоантенной в лабораториях Белла для изучения радаров, они обнаружили наличие равномерного шума, исходящего из всех мест в небе. Это было не Солнце, не Галактика, не атмосфера Земли – но они не знали, что это было. Они чистили поверхность антенны тряпками, разгоняли голубей, но шум никуда не девался. Только когда результаты измерений увидел физик, знакомый с детальными предсказаниями принстонской группы (Дик, Пиблз, Уилкинсон, и т.д.), и с радиометром, который строился как раз для обнаружения подобного сигнала, они поняли значимость того, что обнаружили. Впервые стало известно происхождение Вселенной.
Квантовые флуктуации, присущие космосу, протянулись по всей Вселенной во время космической инфляции, и породили звёзды, галактики и другие крупномасштабные структуры Вселенной, известные нам сегодня. На 2017-й год это наилучшее представление о происхождении структуры и материи Вселенной.
Оглядываясь назад, на собранные к сегодняшнему дню научные знания, на их предсказательные способности и на то, как столетия открытий преобразовали наши жизни, можно поддаться искушению смотреть на науку как на постоянное развитие идей.
Но на самом деле история науки неряшлива, полна неожиданностей и отягощена разногласиями. Для работающих на границе современных знаний, наука — это риски, изучение новых сценариев, попытки пойти в неизведанном направлении. История, оставшаяся в нашей памяти, полна успехов, но реальная история полна тупиков, неудачных опытов и явных ошибок. Тем не менее, открытый разум, желание и возможность проверять идеи, наша способность учиться на результатах и пересматривать заключения, ведёт нас из тьмы к свету. И в итоге от этого выигрывают все.
Самая крутая физика, о которой вы когда-либо слышали. Как утверждал известный физик Ричард Фейнман, чтобы полностью понять природу, нам нужны квантовые средства моделирования и вычислений. Ультрахолодные атомные системы за последние 30 лет доказали свою эффективность в качестве квантовых симуляторов. Количество приложений для этих систем в качестве таких симуляторов не что иное, как ошеломляющее, начиная от разработки искусственных кристаллов и заканчивая созданием новых платформ для квантовых вычислений.
За свою короткую историю экспериментальные исследования ультрахолодного атома расширили понимание физиками поистине огромного количества важных явлений.
Одно из открытий квантовой механики состоит в том, что любой объект можно рассматривать как волну (даже вас!), если использовать соответствующий экспериментальный тест. Свойства этих так называемых волн материи зависят от их температуры; при высоких температурах они имеют короткие длины волн и выглядят и ведут себя как частицы, потому что все пики и впадины расположены так близко друг к другу, что их невозможно различить. Если мы снизим температуру до величины, намного меньшей, чем один кельвин, волновая природа материи станет более выраженной, а волнообразное поведение станет более важным. Что тогда происходит с большим набором очень холодных атомов, которые ведут себя как большой набор волн? Все они могут выстраиваться и перекрываться, образуя единую волну, что исторически называлось макроскопической волновой функцией. Такая система — конденсат на физическом языке — представляет собой фундаментально квантовое состояние материи.
Квантовые конденсаты были теоретически предсказаны в середине 1920-х годов, но только в конце 1990-х физики-экспериментаторы начали революцию (отмеченную двумя Нобелевскими премиями), используя лазеры и магниты для достижения достаточно низких температур для перехода к этим фазы материи. Свет может взаимодействовать с атомами и таким образом изменять их энергию. Атомы также испытывают силы, когда находятся в неоднородных магнитных полях. Физики использовали эти два свойства, чтобы улавливать облака атомов, таких как рубидий, и в конечном итоге понизить их температуру до пикокельвинов — триллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Примечательно, что эксперименты, в которых могут быть достигнуты эти чрезвычайно низкие температуры и спроектированы квантовые состояния материи, умещаются в комнате среднего размера на большом столе с ультрахолодным атомным газом, часто видимым невооруженным глазом. Самые холодные места во Вселенной часто можно найти в комнате в кампусе вашего местного колледжа, и они, вероятно, контролируются аспирантом.
Но физиков волнует не только создание чего-то самого холодного или самого квантового; дело в том, что ультрахолодными атомами можно очень точно управлять и управлять ими. Физики-теоретики были особенно воодушевлены возможностью создания квантовой системы путем перемещения ультрахолодных атомов и точной настройки способа их взаимодействия. Для теоретика физическая система, такая как новый материал, обладающий каким-то странным или неожиданным свойством, — это разочаровывающий черный ящик, который трудно описать математическими уравнениями.
Ультрахолодный атомный эксперимент может быть полной противоположностью, оживляя уравнения и определяя, соответствуют ли они природе. Многие минимальные, прототипические модели, тщательно изученные на уровне математических уравнений, но не обязательно соответствующие каким-либо природным материалам, могут быть созданы в экспериментах с ультрахолодными атомами. С конца 1990-х физики всех мастей подхватили эту идею и продвигали ее во всех возможных направлениях.
Например, добавление встречных лазерных лучей к ультрахолодному атомному образцу создает оптическую решетку и превращает систему в искусственный кристалл. В то время как физический кристалл нужно выращивать осторожно, ультрахолодный искусственный кристалл можно изменить из одной формы в другую с помощью корректировки лазерных лучей. Еще более выгодно, что такие искусственные кристаллы, как правило, очень чистые, и исследователи могут добавить беспорядка, используя больше лазеров. Это означает, что они могут «реконструировать» некоторые эффекты беспорядка. Если кристалл выращивают, а затем изучают, может быть трудно определить, какое количество «грязи» в этом образце на самом деле влияет на результаты эксперимента. Если исследователи смогут контролировать расстройство, то они смогут очень точно определить его последствия.
С самых первых экспериментов с ультрахолодным атомом они были очень важны для изучения жидкостей с нулевой вязкостью или сверхтекучих жидкостей. Когда нормальная жидкость становится сверхтекучей? Может ли что-то похожее на звук распространяться в сверхтекучей жидкости? Что произойдет, если вращать сосуд со сверхтекучей жидкостью? Ответы на многие такие фундаментальные вопросы были получены с помощью моделирования с использованием ультрахолодных атомов.
Например, было предсказано, что вращение сверхтекучей жидкости вызовет появление вихрей — небольших ураганов квантовой жидкости — как следствие основных свойств макроскопической волновой функции. Исследователи узнают о квантовой турбулентности, наблюдая за этими вихрями и управляя ими, думая о них как о контролируемых строительных блоках более хаотических сверхтекучих потоков. Точные модели турбулентных квантовых потоков исторически ускользали от теоретиков, что делает моделирование ультрахолодных атомов первой линией атаки на эту сложную проблему.
Как и в случае исследований сверхтекучих жидкостей, было предпринято много усилий для моделирования сверхпроводников. Это идеальные проводники, не имеющие сопротивления; энергия не тратится впустую, поскольку через них проходит электрический ток. Поскольку это отличается от всех проводников, используемых для снабжения электричеством предприятий и домашних хозяйств, это очень активная область исследований, чтобы попытаться смоделировать сверхпроводник, который не должен быть очень холодным.
В то время как понятие «очень холодный» в физике может не совсем соответствовать разговорному использованию этой фразы («холодный атом» на жаргоне физики намного холоднее, чем холодная пинта мороженого в вашем холодильнике), даже на несколько кельвинов разница может иметь значение для применения сверхпроводников за пределами лаборатории.
Физики-теоретики обсуждали различные модели высокотемпературной сверхпроводимости в течение многих лет, и исследования ультрахолодного атома были одним из основных способов проверки этих, иногда противоречащих друг другу, теорий. Физики-экспериментаторы также могут заставить сверхтекучую жидкость из ультрахолодных атомов стать чем-то вроде сверхпроводника в процессе, называемом кроссовером БЭК-БКШ. Этот переход теоретически предполагался в полупроводниках и нейтронных звездах, но никогда не подтверждался однозначно ни в одной системе, кроме тех, которые состоят из чрезвычайно холодных атомов.
Сверхпроводники и сверхтекучие жидкости — фундаментально квантовые фазы материи, составляющие что-то вроде квантового расширения списка фаз жидкость-твердое тело-пар, который вы, возможно, изучали в школе.
Ультрахолодные атомные эксперименты продолжают моделировать еще более новые квантовые фазы материи. Одним из ярких примеров 2019 года является моделирование квантового сверхтела. Сверхтвердое тело, как и сверхтекучее, течет без какого-либо трения между составляющими его атомами, но также имеет периодическую кристаллическую структуру, как и твердые тела. Это кажущееся парадоксальным состояние материи, существование которого обсуждалось почти 50 лет, прежде чем эксперименты с ультрахолодным атомом дали окончательно утвердительный вывод.
Многие так называемые топологические фазы материи также реализовались в ультрахолодных системах. Некоторые из этих экспериментов моделируют и обобщают квантовый эффект Холла, который впервые наблюдался в более традиционных экспериментах с полупроводниками. Поскольку многие топологические состояния материи обладают свойствами, не зависящими от беспорядка, они представляют собой очень перспективную среду для квантовых вычислений. Таким образом, реализация топологических моделей в очень настраиваемой ультрахолодной атомной системе означает, что физики могут не только моделировать новую фазу материи, но и сразу же использовать ее, приближаясь к созданию квантового компьютера.
Даже если ультрахолодные атомные системы еще не превращены в квантовые вычислительные машины, их часто можно использовать, чтобы «превзойти» классические суперкомпьютеры с точки зрения предоставления исследователям возможности узнать что-то новое о фундаментальной физике. Одним из примеров является физика многих тел. В квантовой механике система, состоящая из нескольких взаимодействующих частиц, почти всегда представляет собой систему, в которой очень сложно что-либо рассчитать и, следовательно, точно предсказать. А ведь реальные материалы состоят из миллионов атомов!
Ультрахолодные атомные системы сыграли неоценимую роль в изучении сильно взаимодействующих систем многих тел, обнаружив такие явления, как неспособность систем достичь теплового равновесия и никогда не терять «память» о своем начальном состоянии. Физики часто прибегают к вычислительным методам и суперкомпьютерам для изучения этих систем, но моделирование с использованием ультрахолодных атомов может быть более прямым способом ответить на некоторые из их вопросов.
Неспособность уравновесить вызывает большой интерес в статистической физике, а появление экспериментов с ультрахолодными атомами укрепило ее как очень активную область современных физических исследований.
Что касается меня лично, то, несмотря на то, что я изучал более широкую дисциплину физики конденсированных сред, я провел шесть лет в качестве аспиранта, снова и снова возвращаясь к ультрахолодным атомам. В основном я изучал сверхтекучие пузыри (полые оболочки) из ультрахолодных атомов. Это привело меня к работе ученых НАСА, которые запустили в космос эксперимент с ультрахолодным атомом, чтобы изучить, как на него повлияет чрезвычайно низкая гравитация. Этот эксперимент продолжается на борту Международной космической станции, и такие теоретики, как я, предсказавшие, что он обнаружит, с нетерпением ждут новых результатов.
В каком-то смысле вполне уместно, что изучение полых ультрахолодных оболочек заставило меня задуматься о космосе, поскольку часть мотивации для этого исследования связана с нейтронными звездами.
Физики на самом деле не знают, что бы вы обнаружили, если бы могли наблюдать внутреннюю часть нейтронной звезды, но многие теории предполагают, что она выглядит как луковица со слоями сверхпроводников и сверхтекучей жидкости. Изучение сверхтекучих оболочек в лабораториях может затем привести к лучшему пониманию некоторых из этих слоев, находящихся в звездах, которые находятся так далеко, что ученые никогда не смогут изучить их напрямую. Более того, измерения радиосигналов, исходящих от нейтронных звезд, позволяют предположить, что сверхтекучие вихри внутри них могут влиять на их вращение.
Ультрахолодные атомные эксперименты преуспели в изучении именно этих вихрей с большой точностью. Я провел несколько лет, работая над математическими аргументами того, что мог бы сделать вихрь в полой оболочке из ультрахолодных атомов, если бы все это начало вращаться. Я приставал к изрядному числу моих коллег-экспериментаторов с вопросами о разработке такой системы в их лабораториях, и тот факт, что это даже то, о чем мы можем говорить, какое-то подобие моделирования квантовых внутренностей нейтронной звезды, до сих пор кажется мне немного похоже на научную фантастику.
Моя последняя одержимость ультрахолодом возникла, когда я узнал о квазипериодичности в одномерных цепочках ультрахолодных атомов. Загадка, скрывающаяся за жаргоном, проста: физики хорошо знают, как ведут себя в природе структуры атомов, в которых они повторяются с регулярным периодом, но что произойдет, если этот период — иррациональное число? Такие системы называются квазипериодическими, и их изучение привело ученого-когнитивиста Дугласа Хофштадтера в 1976 году к открытию известного фрактального графика, позже названного его бабочкой. Сюжет Хофштадтера самоподобный: если вы увеличиваете или уменьшаете масштаб на любую величину, он все равно выглядит одинаково.
Это свойство подразумевает, что в природе могут существовать физические состояния, имеющие дробные размеры, и это открытие положило начало поиску дополнительных физических систем, в которых это может происходить. Несколько лет назад другой аспирант упомянул мне, что они смоделировали квазипериодическую систему в своей лаборатории ультрахолодных атомных исследований, и с тех пор я тоже не перестаю гоняться за бабочкой Хофштадтера.
Почему природа так заботится о разнице между рациональными и иррациональными числами, чтобы допустить, что дробные измерения представляют собой нечто большее, чем математическая причуда? Исследования ультрахолодного атома, вероятно, помогут физикам ответить на этот вопрос, и я надеюсь, что смогу услышать о них.
Мой опыт исследователя охватил лишь небольшую часть многих тем современной физики, для которых важны эксперименты с ультрахолодными атомами. Возможностей действительно много. И революция квантового моделирования еще далеко не завершена! Исследователи продолжают расширять границы существующих технологий, чтобы охлаждать газы, состоящие из большего количества элементов, и выполнять больше манипуляций.
Следующие шаги? Квантовая химия, где молекулы образуются при сверхнизких температурах. Ультрахолодные квантовые системы настолько велики, что их нельзя назвать микроскопическими, несмотря на то, что всегда предполагалось, что квантовая механика описывает только самые маленькие объекты.
Ультрахолодные системы, которые можно использовать для измерения фундаментальных констант в настольных экспериментах вместо больших ускорителей (таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе). Ультрахолодные эксперименты, в которых один атом можно тыкать, толкать, перемещать и отображать. И все, что еще может открыть нам окно в основы нашего (квантового) мира.
Выраженные взгляды принадлежат автору (авторам) и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.
ОБ АВТОРЕ (АТОРАХ)
Кармела Падавик-Каллаган — доцент Манхэттенского раннего колледжа средней школы Бард, где она преподает математический анализ и физику. Подпишитесь на Кармелу Падавик-Каллаган в Твиттере
Классная физика | Физика
Астрономия | Физика
Лауреат Нобелевской премии по физике Уильям Филлипс привносит свои исследования и значительный энтузиазм в Денисон.
19 февраля 2016 г.
Лауреат Нобелевской премии по физике Уильям Филлипс привносит в Денисона свои исследования и значительный энтузиазм.
На прошлой неделе в Холм приехал лауреат Нобелевской премии по физике. Уильям Филлипс, глава группы лазерного охлаждения и захвата в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), на прошлой неделе принимал участие в ежегодной лекции Андерсона в отделении физики и астрономии. Лекция является частью более широкой программы Андерсона, щедрого вклада покойного Дж. Рейда 38 года и Полли Андерсон в улучшение научного образования в Денисон.
Программа Андерсона позволяет ежегодно получать множество летних стажировок и несколько стипендий на полное обучение, а также предоставляет финансирование всемирно известному ученому, который может приехать в кампус, чтобы прочитать официальную лекцию, посетить классы и пообщаться со студентами и факультет.
Будучи физиком, я, как и весь мой факультет, ждал визита Филлипса с того момента, как мы узнали об этом. После приветственного ужина со студентами-физиками и преподавателями в отеле Granville Inn мы посетили его лекцию в часовне Сваси под названием «Время, Эйнштейн и самые крутые вещи во Вселенной».
Презентация Филлипса была отчасти слайд-шоу, отчасти демонстрацией и, для многих, отчасти волшебством. Его исследования связаны с лазерным охлаждением атомов, то есть с использованием лазеров для замедления движения атомов. Для Филлипса существует связь между температурой и временем: эти атомы, охлаждаемые лазером, используются для создания все более точных атомных часов. Атомные часы имеют огромное значение в таких устройствах, как спутники GPS: чем они точнее, тем точнее они могут определить ваше местонахождение.
Чтобы показать, насколько холодными становятся его атомы, доктор Филлипс провел несколько демонстраций с чем-то гораздо более теплым, чем атомы, с которыми он работает: с жидким азотом. Быстро заморозив цветок в азоте, а затем разбив его, как стекло, лопнув дюжину воздушных шаров и просто вылив парообразное вещество на сцену и наблюдая, как оно испаряется при контакте с воздухом в комнате, в четыре раза превышающей его температуру, вещество (температура которого составляла 77 К, или -321°F) действительно подчеркивало, насколько холодными становятся атомы.
Ключевой фразой разговора стала фраза «Эта штука действительно холодная». Одна демонстрация до сих пор выделяется, представленная Филлипсом словами: «Знаешь, как твоя мама говорила тебе никогда не ставить закрытый контейнер с жидкостью в духовку?» Затем Филлипс налил жидкий азот в пластиковую бутылку, затем, плотно закрыв ее, поместил ее под пластиковый мусорный бак в стороне от сцены. Комната, на четыреста градусов по Фаренгейту теплее, чем в бутылке, служила печью. Примерно через десять минут Филипс был прерван на полуслове громким хлопком и взрывом аплодисментов, когда мусорное ведро взлетело на пятнадцать футов в воздух. Урок? — Вот почему ты слушаешь свою мать.
Разнообразие его выступлений, а также привлекательная манера речи сделали его превосходной лекцией, которая продолжалась и на следующий день. В пятницу утром Филлипс присоединился к классу современной физики для второкурсников, который был открыт для всех студентов.
Для Дэна Гибсона, профессора физики и заведующего кафедрой, прием всемирно известного физика в своем классе стоил того, чтобы снизить нагрузку на его учеников и перенести экзамен.
По словам Гибсона, этот опыт имел большое значение отчасти потому, что «Филлипс очень любит общаться с людьми, любит учить их науке. И отчасти это связано с тем, что у него есть связь с кампусом, которая делает все это богаче и ценнее».
Эта связь осуществляется через другого профессора физики, Стивена Олмшенка. После получения докторской степени в 2009 году Ольмшенк присоединился к группе Laser Cooling and Trapping Group в NIST, которую возглавлял Филлипс, а три года спустя перешел в Денисон. В восторге от того, что Филлипс находится в кампусе и приложил руку к организации его выступлений, Ольмшенк отметил, что «одними из лучших взаимодействий были те, которые не были написаны по сценарию… Мероприятие действительно может быть настолько хорошим, насколько хороша публика, и нам очень повезло, что сообщество — лучшая, самая активная группа, о которой можно только мечтать». Сюда входят студенты, которые остались после 22:30. после лекции в Сваси, говоря в группе только о физике.
На следующий день после лекции Филлипс выступил за обедом в кабинете президента Хаффмана о связи между наукой и религией.
После его речи на вручении Нобелевской премии, в которой была фраза: «Я думаю, что Бог дал нам невероятно увлекательный мир, в котором можно жить и исследовать, и я действительно благодарен за то, что у меня была возможность немного изучить его. это и получать от этого массу удовольствия», — отметил он, что стал известным борцом за отсутствие конфликта между наукой и религией.
Эта сессия вопросов и ответов дала студентам возможность понять его точку зрения и, в некотором роде, нашу собственную точку зрения. Роль Бога для него не является объяснительной ролью или ролью «заполнения пробелов» в том смысле, в каком древняя мифология использовалась для объяснения мира природы; скорее, он обеспечивает не только моральную основу, но и связь с чем-то высшим, чем-то за пределами нас. Филлипс также провел семинар для студентов-физиков, который стал продолжением его лекции Андерсона, подробно рассказав, как работает лазерное охлаждение и как это можно сделать.
Два дня, проведенные с Филлипсом в кампусе, были насыщенным, ярким и интеллектуально стимулирующим не только для студентов-физиков, но и для всех, кто посещал его различные лекции и сессии.