Марина Флягина

Изследователски краткосрочен проект

Експеримент - наблюдение на растежа на лука

Уместност на темата

Дейности, свързани с експериментиране и наблюдение, играе важна роля в развитието на умствената сфера на детето - в развитието на мисленето (операции за анализ и синтез, сравнение, способност за обобщаване и изводи, памет, въображение, внимание.

Освен това детето се научава да бъде внимателно, обръща внимание на детайлите, не изпуска от поглед голямата картина.

Децата имат голям интерес към подобни дейности, склонни са към независимост наблюдениеза живи същества.

Стойност експериментиране и наблюдениеза развитието на когнитивната сфера на детето отдавна е доказано!

Наблюдениее целенасочено възприятие и сложен когнитивен процес. Въз основа на съвместната дейност на децата и възпитателя се формират специфични знания, които развиват мисленето и речта на децата.

Нашите наблюдението се комбинира с експеримент, ще е дълго. дълго наблюдениеизисква задължително рисуване (Дневник)и снимки на фиксиране на всеки етап наблюдения.

Избираме четири еднакви крушки и ги поставяме в различни условия.

Първи ден наблюдения

Те обърнаха внимание на децата, че луковиците са гладки и твърди.

Въпрос: За какво се нуждае растението растеж?

(Вода, топлина и светлина)

За всеки природен феноменизбра своя символ: вода - син кръг, топлина - червен, светлина - жълт

Първият лук се поставя в буркан със сини, червени и жълти кръгове. За нея бяха създадени всички условия растеж.

Вторият лук се слага в буркан с червени и сини кръгчета. Отсъствието на светлина отбелязахме с черен кръг. Покриха го с капак от черна хартия - непрозрачна.

Третата глава лук се поставя в буркан без вода, но на топло и на светло. На буркана беше залепен бял кръг - липса на вода. Червеното е наличието на топлина, а жълтото е наличието на светлина.

Четвъртата глава лук беше поставена в хладилника, където всичко липсва природни условияс изключение на студа. Тя няма топлина, светлина и вода.

Първи ден експеримент, направи скици Лука, и снимки.

Седми ден наблюдения

След седем дни поканете децата да разгледат луковиците и да разберат

какви промени са настъпили оттогава тях:

1-ва крушка

Имаше по-малко вода.

Появиха се малки коренчета.

2-ра крушка

Водата е станала мръсна.

3 - I крушка

На дъното на буркана се появиха малки капки вода.

4-та крушка

Няма промени.

седемнадесети ден наблюдения

1-ва крушка

Листата станаха по-високи

Корените станаха по-големи

Водата е по-малко

2-ра крушка

Водата е мръсна

Имаше неприятна миризма

без корени

без зелени листа

3 - I крушка

Появиха се малки листа

Корените са израснали

Капки вода на дъното на буркана

4-та крушка

Няма промени

двадесет и седми ден наблюдения

Двадесет и седем дни по-късно виждаме следното промени:

1-ва крушка

Добро зелено кълновекоето трябва да има Лука

Силни, дълги корени, пиеха много вода

Стрелките при лукът стана силен, зелено и сочно

2-ра крушка

Корените са пораснали, но са по-слаби

Стрелки има, но са бледи, малки и жълти

3-та крушка

Корените не се появиха

кълнове не растат

Крушката стана мека и летаргична

Водата е мръсна и мирише лошо

4-та крушка

Не са настъпили промени

заключения:

За растеж на растениятаза да се развиват правилно и да дават плод, необходими: светлина, топлина и вода.

Но за да не се влошат зеленчуците, по-специално лукът, и да се съхраняват добре, е необходима прохлада. Това ни показа последният лук, който беше идеално запазен, не сменен изобщо, в хладилника.

Полезността на зеленото Лука

За нас лукът е най-често срещаният зеленчук, но съставът му не е еднакъв. толкова просто, колкото изглежда.

Зеленият лук предпазва от вирусни инфекции. Салата със зелен лукзащити срещу настинка и грип. Перо Лукаполезни за образуването на кръв.

пресни зеленчуци лукът стимулира апетитаправи всяко ястие по-привлекателно. зелени имоти Лукадопринасят за храносмилането и процеса на усвояване на храната.

Зеленият лук е полезен при авитаминоза, загуба на сила, сънливост, световъртеж, пролетна умора.

Зеленият лук съдържа повече цинк от другите зелени. Липсата на този елемент може да причини косопад и чупливост на ноктите. В допълнение, цинкът участва във формирането на имунитета. Зеленият лук съдържа вещества, които укрепват сърдечния мускул и съдовите стени, така че ядрата и простослабите хора трябва да обърнат внимание на това.

Лукът е богат на калций и фосфор, което е много полезно за състоянието на зъбите.

Лукът се препоръчва да се яде колкото е възможно повече пресен - добавете към салати, подправете супи, зелева супа, борш, окрошка, подправете задушени зеленчуци, поръсете картофено пюре или варени млади картофи. Въведение Лукаги витаминизира в ястията и подобрява вкуса. В допълнение, зеленият лук подобрява външния вид на ястията, особено когато се комбинира със зеленчуци като цвекло, моркови, домати, картофи. Използва се за украса на салати, различни предястия, първи и втори месни, рибни и зеленчукови ястия.

Зеленият лук е необходим на човешкия организъм през цялата година и особено през зимата и ранната пролет.

Свързани публикации:

Презентация "Дневник за наблюдение на растежа на грах"Проведени са наблюдения с деца старша група. Целта на моята работа е да наблюдавам, заедно с децата от по-старата група, покълването на граха.

Игра-експеримент "Защо кръвта се движи?"Игра - експеримент "Защо се движи кръвта?" Цел: активизиране на знанията за човешкото тяло. Цели: Да се ​​даде на децата представа за работа.

Резюме на интегрирания GCD за наблюдение на стайни растения "Aibolit's Green Service"Цел: да научите децата внимателно да изследват растенията, да откриват признаци на тяхното нездравословно състояние, да правят заключение за липсата на каквито и да е условия.

Резюме на интегрирания GCD за наблюдение на птици "Хранилка за зимуващи птици"Синопсис на интегрирания GCD - наблюдение на птици "Зимна хранилка за птици" Цел: да се даде на децата представа за хранилки за птици;.

В къщата ми живее таралеж на име Тимоха. И реших да представя и да дам възможност да видят на живо таралеж на децата от моята група, но се оказа, че таралеж.

Задача 23.1.3.Веднъж магнитът се влачи през пръстена с южния полюс към пръстена, втори път - на север.

В кой от тези случаи ще има ток в пръстена и ако и в двата, посоката на тока ще бъде една и съща?

Задача 23.1.4. Металният пръстен се носи до постоянния магнит (виж фигурата). Ще има ли в този случай индукционен ток в пръстена?

Задача 23.1.5. Две рамки се въртят в еднородно магнитно поле. В какъв случай ще възникне индукционен ток в контура?

Задача 23.1.6. До прав проводник, носещ електричество, е разположена квадратна проводима рамка. В даден момент рамката започва да се движи. В каква посока на движение на рамката (виж фигурата) ще възникне електрически ток в нея?

Задача 23.1.7.Постоянният магнит се прокарва през метален пръстен по следния начин: за две секунди магнитът се донася от голямо разстояние и се вкарва в пръстена, за следващите две секунди магнитът се оставя неподвижен вътре в пръстена, за следващите две секунди изважда се от ринга и се отнася на голямо разстояние. На какви интервали от време протича токът в пръстена?

Задача 23.1.9.При експерименти за наблюдение на електромагнитна индукция квадратна рамка, направена от тънка жица със страна, се поставя в равномерно магнитно поле, перпендикулярно на равнината на рамката. Индукцията на полето нараства равномерно от стойност на стойност. Експериментът се повтаря чрез удвояване на страната на рамката. Как ще се промени възникващата в рамката индукционна ЕДС в този случай?

В статия, публикувана в сп Nature Communications, съобщава за експериментална реализация на любопитно квантово състояние, описано от теоретиците преди година и наречено квантовата Чеширска котка. Ролята на "Чеширската котка" се играе от неутрона, а въртенето на неутрона играе ролята на усмивка. Извършените измервания рисуват на пръв поглед парадоксална картина: неутронът вътре в устройството се движеше по една траектория, а въртенето на неутрона - без самия неутрон! - от другата. Въпреки това, крещящата парадоксалност на тази ситуация изчезва, ако човек внимателно прочете какво точно се случва в този експеримент.

Парадоксът на квантовата механика

Научнопопулярните истории за квантовите ефекти често грешат с прекомерна сензация, подчертана от парадоксалност. Често този изкуствено раздут парадокс се подсилва от забележката на Ричард Файнман, че никой не разбира истински квантовата механика. Подобен цитат конкретно засилва впечатлението, че самите физици не разбират какво получават в своите квантови експерименти. Това, разбира се, не е вярно. Законите на квантовия свят са много необичайни от гледна точка на ежедневната интуиция, няма как да се измъкнем от това. Но това изобщо не означава, че в квантовия свят се реализират някакви странности, колкото и диви и противоречащи на логиката на нещата да изглеждат. Квантовите закони са математически самосъгласувани и ако ги използвате, тогава различните "квантови парадокси" са парадокси от ежедневна гледна точка! - напълно разплетени.

Онзи ден в едно списание Nature Communicationsе публикувана с впечатляващото заглавие: Наблюдение на квантовата Чеширска котка в интерферометричен експеримент с вълни на материята". Тази статия докладва за изпълнението на експеримент, предложен преди година, който демонстрира необичайните свойства на квантовите частици (терминът „квантова Чеширска котка“ идва от тази статия през 2013 г.).

Закачливият термин осигури многобройно медийно отразяване на новата статия. Някои от тях дори направиха искрен опит да преразкажат същността на явлението. Накратко, в експеримента с неутрони физиците успяха да отделят някакво свойство на неутрона от неговата материална същност. Всичко се оказа така, сякаш неутронът се движи в инсталацията по един път и характеристиките му бяха напълно различни, по пътя, където самата частица не е била. Това, разбира се, звучи парадоксално и веднага повдига въпроса „как е възможно това?“. Въпреки това, на този естествен въпрос, по-голямата част от бележките мълчаливо предлагаха необясним отговор: „Да, такива чудеса се случват в квантовия свят.“

Целта на тази бележка е не толкова да разкаже за детайлите на експерименталната работа, колкото да отдели истинската същност на явлението от изкуствено изкривения парадокс. За да го разберете, не е нужно да сте специалист или да "вземете" квантова механика в университета; тук трябва да е достатъчно повърхностно запознаване с научнопопулярни материали и малко логика.

Два основни квантови факта

Да започнем с два основни факта. Първо, една квантова частица може да бъде на различни места по едно и също време. Това обикновено се обяснява с примера на интерференцията на електрон, който лети едновременно през два процепа и образува интерференционна картина на екрана (вижте например съответната глава от Лекциите по физика на Фейнман). Ще илюстрираме това с устройството, което току-що беше използвано в обсъжданата статия - интерферометърът Mach-Zehnder (фиг. 2).

Частица (фотон, електрон, неутрон и т.н.) лети в устройството, разделя се от полупрозрачно огледало на входа на две "хипостази", които след това летят по две различни пътеки и накрая отново се обединяват в приемника. устройство. Подчертаваме: не просто лъч от електрони или светлинен лъч се разделя наполовина, но всеки електрон или фотон преминава по два пътя едновременно. Можете физически да застанете в средата и тогава всеки електрон ще ви обиколи от две страни едновременно. Много е необичайно, но така работи микросветът.

Електрон, който поема по два различни пътя едновременно, е един пример. суперпозициидържави. Според законите на квантовата механика, ако един електрон може да бъде в състояние A или състояние B, тогава той може да съществува и в състояние A + B, тоест и там, и там едновременно. Тези състояния A и B могат да бъдат два пътя в интерферометъра, или две поляризации на фотон, или техните корелирани комбинации (в който случай тези количества се наричат ​​квантово заплетени), или нещо друго. Широко известен е и крайният случай на суперпозиция – така наречената котка на Шрьодингер (да не се бърка с Чеширската котка!), която между другото също е наблюдавана експериментално – макар и не материална, а многофотонна.

Второ, процесът на измерване на някаква характеристика на частица се описва в квантовата механика по напълно различен начин от простото квантово движение на частица. Самият акт на измерване радикално „разваля” квантовото състояние. В резултат на измерването не само детектиращото устройство се превключва, но и самото квантово състояние се променя драматично, колабира (за най-просто описание вижте бележката Quantum Sutra, а малко по-сериозно в лекциите на Фейнман по физика или в книгата Как да разберем квантовата механика).

Как да проверите това на примера на интерферометър? Нека пуснем поток от частици в първоначалния интерферометър и сензорът в края ще преброи броя им. Нека първоначалното състояние на частиците е суперпозиция на горния и долния път. Сега нека направим измерване - проверете дали частицата минава по долния път. Нека поставим непрозрачна стена на горната пътека и погледнем показанията на сензора: честотата на вземане на проби е намаляла (фиг. 3). Всяко задействане на сензора показва, че върху него е попаднала определена частица нисъкпътища, но не всички частици се улавят по този начин. По подобен начин може да се направи експеримент, за да се провери дали частицата върви по горния път; ще даде подобен резултат.

Но самият акт на измерване, самото присъствие на стената променя състоянието на частицата. След измерването частицата напусна състоянието на суперпозиция и сега гарантиранослиза по пътеката. На горната пътека на фиг. 3 частици са изчезнали. И ако сега, след първата стена, поставете втората, но вече включена нисъкпо този начин сензорът ще мълчи. Това е разбираемо, защото блокирахме и двата пътя за електрона, но също така илюстрира факта, че след първото измерване състоянието на частиците се промени драматично.

Постселекция на квантово състояние

Така че, ако пуснем частица в интерферометъра, тогава, в зависимост от нейното квантово състояние Ψ, тя може да отиде или в едната, или в другата посока, или и в двете наведнъж и там с определена амплитуда на вероятността. Нека сега добавим нов детайл към интерферометъра – т.нар последваща селекция, или "последващ избор" на квантовото състояние. За да направим това, на изхода поставяме сложна система, която анализира квантовото състояние на входящата частица. Ако това състояние точно съвпада с някакво състояние на сигнала Φ, което може да се различава от първоначалното състояние Ψ, тогава частицата лети към детектора на сигнала (фиг. 4). Ако това състояние изобщо не изглежда (математически е ортогонално на сигналното състояние), частицата отива някъде настрани и не попада в детектора.

В експеримента след селекция пускаме частица и правим измервания върху нея, но след това вземаме под внимание резултата само при задействане на сигналния детектор. говорене с прости думи, ние не просто измерваме свойството на частицата, но съзнателно изучавайте го при предварително обмислени условия, в предубедената извадка. Всички вероятности, получени в такъв експеримент, не са абсолютни, а условни, това са вероятности при условията на последваща селекция. И това веднага ни принуждава внимателно да формулираме изводите от подобен експеримент.

Quantum Cheshire Cat: Опитайте 1

Нека сега опишем експеримента, предложен в статията от 2013 г., експеримент, който можеше да наречем откритието на квантовата Чеширска котка, ако не беше последвалото разкритие. За тези, които искат да повторят изчисленията, нека кажем, че всички те са прости и са описани подробно в статията; те могат да бъдат направени от всеки, който е запознат с математическия формализъм на квантовата механика.

На входа на интерферометъра се подава фотон, който се движи по двата пътя и има хоризонтална линейна поляризация. Постселекцията избира състоянието на фотона Ψ като специална суперпозиция: (горна пътека и хоризонтална поляризация) + (долна пътека и вертикална поляризация). Сега, в такъв експеримент, ние извършваме два вида измервания. В първия експеримент - той се провежда по описания по-горе метод - проверяваме по кой път минава фотонът. Резултатът от измерването е следният: минава само по горния път (фиг. 5).

Във втория експеримент използваме специална пластина за измерване на кръговата поляризация на фотон (фиг. 6). Резултатът е, че ненулевата поляризация се открива само в долния път. Извод: самите фотони вървят по горния път, а поляризацията е отделна от фотоните! - на дъното.

Разбира се, този парадокс не е реален и се разплита от горното разсъждение.

Първо, не трябва да се предполага, че изобщо няма фотони в долното рамо на интерферометъра, където се записва поляризацията. Те наистина са там. Просто при първия тип експерименти измерването превръща този фотон в състояние без сигнал. Някой друг сензор може да ги регистрира, но в нашия експеримент след селекция ние отхвърляме такива събития. Ето как основната "мистика" изчезва: поляризацията не лети сама, тя се носи физически от фотони, но просто решихме да не ги вземаме под внимание.

Второ, тези два вида експерименти - за проверка на наличието на фотон и за измерване на поляризацията му - неизбежно се извършват с различнофотони, а не със същите. Фотоните в определено състояние летят в интерферометъра един след друг. Ние „попитахме“ една характеристика на първия фотон по долния път - и от това той се срина в състояние без сигнал, ние „попитахме“ друга характеристика на втория фотон - и той се сви в състояние на сигнал. Няма нищо странно в това, че различните фотони се свиват по различен начин при различни измервания, не.

За да бъде напълно ясно, двата вида измервания могат да бъдат направени едновременно на всеки конкретен преминаващ фотон. В този случай резултатите ще се променят (в края на краищата след първото измерване състоянието на фотона се променя драстично!) И възниква банална картина: сензорът работи само когато сме открили фотон по някакъв път и сме открили поляризация по същия път(фиг. 7). По този начин "пълното запитване" на фотона показва, че поляризацията лети точно там, където физически лети самият фотон. От привидния парадокс не остава и следа.

Quantum Cheshire Cat: Опит 2

И така, първият опит да се създаде система, наподобяваща квантова Чеширска котка (фиг. 1), не доведе до нищо интересно: с внимателно обсъждане на резултатите очевидният мистицизъм веднага се разсея. Това би бил краят на историята, ако не беше ново, по-фино свойство на квантовите системи, което беше предложено в статията от 2013 г.

Авторите на тази статия припомнят, че в квантовата механика има и особен вид измерване - така наречените слаби измервания, които се извършват именно в експерименти с последваща селекция. По време на слабо измерване инструментът само леко усеща измерената характеристика на частицата. Той също така леко засяга квантовото състояние на частицата, но не води до абсолютно гарантиран колапс на квантовото състояние. В резултат на едно слабо измерване получаваме не много категорична информация за състоянието на частицата, но самото състояние не се влошава много - нещо като компромис между точността и силата на удара. Въпреки това, ако слабо измерване върху идентични частици се повтаря много пъти, средно ще се появи повече или по-малко ясна картина на изследваното количество.

Изчисленията, извършени в теоретичната статия, показаха, че именно с помощта на слаби измервания най-накрая може да се получи квантовата Чеширска котка. Самият експеримент може да изглежда като фигурите в предишния раздел, но измерванията сега са слаби. Многократно повтарящо се слабо измерване на поляризацията в експеримент след селекция ще даде ненулева стойност в едното рамо на интерферометъра и същото измерване на присъствието на частица в другото. Но едва сега вече е възможно да се правят слаби измервания и на двата типа. едновременно. Вече няма опасност самият акт на измерване да разруши напълно първоначалното състояние. Но, повтаряме, и тук няма мистика, тъй като всички тези измервания не са абсолютни, а условни, те се правят при условие, че сигналният детектор е задействан, и се получават само средно, след извършване на голям брой измервания.

Манипулирането на неутронното въртене на входа, изхода и вътре в интерферометъра се извършва от специални бобини с магнитно поле(ST1, ST2, SRs на фиг. 8). Прозрачна за неутрони плоча (ABS) с коефициент на пропускане 0,79 дава възможност да се провери кой от двата пътя поема неутронът (първият тип експеримент). Допълнително магнитно поле вътре в интерферометъра, което завърта въртенето на 20 градуса, съчетано с фазова плоча (PS), прави възможно измерването на въртенето (вторият тип експеримент). На изхода има два детектора, сигнален (O-Det) и тестов (H-Det), които регистрират попадането на неутрон. Сигналната се използва за последваща селекция, тестовата се използва за контрол на интензитета на неутронния поток.

Основните резултати от експеримента са показани на фигура 10. Във всяка серия лявата и дясната фигура показват измерванията, направени в горното и долното рамо на интерферометъра; централната фигура е контролно измерване с празен интерферометър. Горната серия от снимки е експеримент за тестване накъде отива неутронът, долната серия е експеримент за измерване на въртенето. Първият експеримент достоверно показва, че неутронът присъства само в горната част на рамото, тъй като там се наблюдава ефектът на слабо блокиране от плочата. Вторият експеримент показва, че въртенето върви само по долната част на рамото, тъй като само там се наблюдава ефектът от въртенето на плочата. Така неутроните се движат (като се вземе предвид постселекцията!) по горната част на рамото, докато спинът се открива само в долната. Това обаче не води до истински парадокси.

Единственото нещо, което за съжаление не беше приложено в този експеримент, беше едновременното измерване на двете величини за всяка преминаваща частица. Тъй като всичко се сближава с квантово-механичните прогнози, авторите на работата уверяват, че същите резултати биха били получени и в този случай. Въпреки това, за по-голяма яснота, такъв експеримент, разбира се, би било желателно да се приложи.

Послеслов

След като мистицизмът се разсее, възниква естественият въпрос: какво може да бъде полезно от това нов ефект? Тук могат да се дадат два примера. Първо, това ще помогне за по-добро изследване на слабото измерване на физическите величини само по себе си. Въпреки четвърт век експериментални изследвания, физическото значение на "слабо измерените" величини все още е предмет на спорове. Строго погледнато, все още няма консенсус относно степента, в която "слабо измерените" величини характеризират реалните физични свойствачастици.

Второ, по принцип са възможни ситуации, когато искаме експериментално да изследваме някакъв фин физически ефект, който зависи от поляризацията на частица, но не искаме частицата да ни пречи със своя заряд или други характеристики. Възможно е да е удобно да се провеждат такива експерименти не със свободни частици, а вътре в интерферометър с квантова Чеширска котка. В този случай последващата селекция няма да бъде просто любопитен трик, но наистина ще помогне да се елиминират грешките, въведени в финото измерване. Истина, конкретни примеритакива експерименти все още не са налични. Но тъй като тази тема се развива активно, е възможно те да се появят след няколко години и може би дори да формират основата на нови свръхпрецизни измервателни технологии.

Характерна особеност на експеримента като специален емпиричен изследователски метод е, че той осигурява възможност за активно практическо въздействие върху изследваните явления и процеси. Изследователят тук не се ограничава с пасивно наблюдение на явленията, а съзнателно се намесва в естествения ход на тяхното протичане. Той може да направи това или чрез изолиране на изследваните явления от някои външни фактори, или чрез промяна на маргиналните условия, при които те възникват. И в двата случая резултатите от изследването се записват и контролират точно.

По този начин добавянето на просто наблюдение с активно въздействие върху изследвания процес превръща експеримента в много ефективен метод за емпирично изследване. Това се улеснява преди всичко от по-тясната връзка между експеримента и теорията. „Експериментирането“, пишат И. Пригожин и И. Стенгерс, „означава не само надеждно наблюдение на истински факти, не само търсене на емпирични връзки между явленията, но също така предполага систематично взаимодействие между теоретичните концепции и наблюдението“ 1 .

Идеята за експеримент, планът за провеждането му и интерпретацията на резултатите зависят много повече от теорията, отколкото от търсенето и интерпретацията на данните от наблюденията.

Понастоящем експерименталният метод се използва не само в онези експериментални науки, които традиционно се класифицират като точни природни науки (механика, физика, химия и др.), но и в науките, които изучават дивата природа, особено в тези, които използват съвременни физически и химични методиизследвания (генетика, молекулярна биология, физиология и др.).

В науката на новото време експерименталният метод е приложен за първи път систематично, както вече знаем, от Галилей, въпреки че отделни опити за използването му могат да бъдат открити още в древността и особено през Средновековието.

Галилей започва своите изследвания с изучаването на най-простите природни явления - механичното движение на телата в пространството във времето (падане на тела, движение на тела по наклонена равнина и траектории на гюлета). Въпреки привидната простота на тези явления, той се сблъсква с редица трудности, както научни, така и идеологически. Последните са свързани главно с традицията на чисто натурфилософския, спекулативен подход към изучаването на природните явления, датиращ от древността. Така във физиката на Аристотел беше признато, че движението възниква само когато върху тялото се приложи сила. Тази позиция се смяташе за общопризната в средновековната наука. Галилей първо го постави под въпрос и предположи, че тялото ще бъде в покой или в униформа и праволинейно движениедокато върху него не въздействат външни сили. От времето на Нютон това твърдение е формулирано като първия закон на механиката.

Трябва да се отбележи, че за да оправдае принципа на инерцията, Галилей беше първият, който използва психическиексперимент, който по-късно намира широко приложение като евристичен изследователски инструмент в различни клонове на съвременната естествена наука. Неговата същност се състои в анализа на последователността от реални наблюдения и в прехода от тях към определена ограничаваща ситуация, в която мисловно се изключва действието на определени сили или фактори. Например, когато се наблюдава механичното движение, може постепенно да се намали действието на различни сили върху тялото - триене, съпротивление на въздуха и др. - и се уверете, че пътят, изминат от тялото, ще се увеличи съответно. В границите може да се изключат всички такива сили и да се стигне до заключението, че тялото при такива идеални условия ще се движи неограничено равномерно и праволинейно или ще остане в покой.

Най-големите постижения на Галилей обаче са свързани с поставянето на реални експерименти и математическата обработка на резултатите от тях. Той постига изключителни резултати в експерименталното изследване на свободното падане на тела. В своята прекрасна книга "Разговори и математически доказателства ..." Галилей описва подробно как е стигнал до своето откритие на закона за постоянното ускорение на свободно падащи тела. Първоначално той, подобно на своите предшественици - Леонардо да Винчи, Бенедети и други, смята, че скоростта на падащото тяло е пропорционална на изминатото разстояние. По-късно обаче Галилей се отказва от това предположение, тъй като то води до последствия, които не се потвърждават от експеримента 1 . Затова той решава да провери друга хипотеза: скоростта на свободно падащо тяло е пропорционална на времето на падане. Следва следствието, че пътят, изминат от тялото, е пропорционален на половината от квадрата на времето на падане, което беше потвърдено в специално конструиран експеримент. Тъй като по това време имаше сериозни трудности с измерването на времето, Галилей реши да забави процеса на падане. За да направи това, той търкаля бронзова топка по наклонен улей с добре полирани стени. Чрез измерване на времето, необходимо на топката да премине през различни сегменти от пътя, той успя да провери правилността на предположението си за постоянството на ускорението на свободно падащи тела.

С вашите големи постижения съвременна наукаго дължи на експеримента, защото с негова помощ беше възможно органично да се свържат мисълта и опита, теорията и практиката. Всъщност експериментът е въпрос, отправен към природата. Учените са убедени, че природата отговаря правилно на поставените от тях въпроси. Следователно от времето на Галилей експериментът се превръща в най-важното средство за диалог между човека и природата, начин за проникване в нейните дълбоки тайни и средство за откриване на законите, управляващи наблюдаваните в експеримента явления.

• Пригожи И., Стенгерс И. Ред от хаоса. - М., 1986. - С. 44.
• Някои известни историци на науката, включително P. Duhem, A. Crombie, D. Рандъл, твърдят, че появата на експерименталната наука се е случила още през Средновековието. За да потвърдят тезата си, те се позовават на факта, че подобни експерименти са били извършвани през XIII-XIV век. в Париж, а през XVI век. в Падуа.
• Галилео Г. Избрани произведения: В 2 т. Т 1. - М .: Наука, 1964. - С. 241-242.
• Виж: Lipson G. Велики експерименти във физиката. - М., 1972. - С. 12.

Никой в ​​света не разбира квантовата механика - това е основното, което трябва да знаете за нея. Да, много физици са се научили да използват неговите закони и дори да предсказват явления с помощта на квантови изчисления. Но все още не е ясно защо присъствието на наблюдател определя съдбата на системата и я принуждава да направи избор в полза на една държава. „Теории и практики“ подбраха примери за експерименти, чийто резултат неизбежно се влияе от наблюдателя, и се опитаха да разберат какво ще направи квантовата механика при подобна намеса на съзнанието в материалната реалност.

Котката на Шрьодингер

Днес има много интерпретации на квантовата механика, най-популярната от които остава Копенхагенската. Основните му положения са формулирани през 20-те години на миналия век от Нилс Бор и Вернер Хайзенберг. И централният термин на интерпретацията от Копенхаген беше вълновата функция - математическа функция, която съдържа информация за всички възможни състояния на квантовата система, в която тя се намира едновременно.

Според тълкуването на Копенхаген само наблюдението може точно да определи състоянието на системата, да я разграничи от останалите (вълновата функция помага само да се изчисли математически вероятността за откриване на системата в определено състояние). Можем да кажем, че след наблюдение квантовата система става класическа: тя моментално престава да съществува едновременно в много състояния в полза на едно от тях.

Този подход винаги е имал противници (спомнете си например „Бог не играе на зарове“ от Алберт Айнщайн), но точността на изчисленията и прогнозите взе своето. През последните години обаче има все по-малко привърженици на копенхагенската интерпретация и не на последно място причина за това е много мистериозният мигновен колапс на вълновата функция по време на измерване. Прочутият мисловен експеримент на Ервин Шрьодингер с бедната котка е предназначен просто да покаже абсурдността на този феномен.

И така, припомняме си съдържанието на експеримента. В черна кутия се поставят жива котка, ампула с отрова и някакъв механизъм, който може да задейства отровата в произволен момент. Например един радиоактивен атом, чийто разпад ще счупи ампулата. Точното време на разпадането на атома не е известно. Известен е само полуживотът: времето, през което ще настъпи разпадането с вероятност от 50%.

Оказва се, че за външен наблюдател котката в кутията съществува едновременно в две състояния: тя е или жива, ако всичко върви добре, или мъртва, ако е настъпило гниене и ампулата се е счупила. И двете състояния се описват от вълновата функция на котката, която се променя с течение на времето: колкото по-далеч, толкова по-вероятно е радиоактивният разпад вече да се е случил. Но веднага щом кутията бъде отворена, вълновата функция се срива и веднага виждаме резултата от експеримента с флаера.

Оказва се, че докато наблюдателят не отвори кутията, котката вечно ще балансира на границата между живота и смъртта и само действието на наблюдателя ще определи съдбата му. Това е абсурдът, който посочи Шрьодингер.

Електронна дифракция

Според проучване на водещи физици, проведено от The New York Times, експериментът с електронна дифракция, поставен през 1961 г. от Клаус Дженсън, се превърна в един от най-красивите в историята на науката. Каква е неговата същност?

Има източник, който излъчва поток от електрони към екрана-фотоплоча. И има препятствие по пътя на тези електрони - медна пластина с два процепа. Каква картина може да се очаква на екрана, ако представим електроните като малки заредени топчета? Две светещи ленти срещу прорезите.

В действителност на екрана се появява много по-сложен модел от редуващи се черни и бели ивици. Факт е, че когато преминават през процепите, електроните започват да се държат не като частици, а като вълни (точно както фотоните, частиците светлина, могат едновременно да бъдат вълни). След това тези вълни си взаимодействат в пространството, отслабвайки се някъде и засилвайки се някъде, и в резултат на това сложна картинана редуващи се светли и тъмни ивици.

В този случай резултатът от експеримента не се променя и ако електроните преминават през процепа не в непрекъснат поток, а един по един, дори една частица може едновременно да бъде вълна. Дори един електрон може да премине през два процепа едновременно (и това е още една от важните разпоредби на Копенхагенската интерпретация на квантовата механика - обектите могат едновременно да показват както своите "обичайни" материални свойства, така и екзотични вълнови свойства).

Но какво да кажем за наблюдателя? Независимо, че с него и без това заплетената история стана още по-заплетена. Когато в такива експерименти физиците се опитаха да фиксират с помощта на инструменти през кой процеп всъщност преминава електронът, картината на екрана се промени драстично и стана „класическа“: две осветени зони срещу прорезите и никакви редуващи се ивици.

Електроните сякаш не искаха да покажат своята вълнова природа под погледа на наблюдателя. Приспособен към инстинктивното му желание да види проста и разбираема картина. Мистик? Има много по-просто обяснение: не може да се извърши наблюдение на системата без физическо въздействие върху нея. Но ще се върнем към това малко по-късно.

Нагрят фулерен

Експерименти за дифракция на частици са проведени не само върху електрони, но и върху много по-големи обекти. Например фулерените са големи затворени молекули, съставени от десетки въглеродни атоми (например фулерен от шестдесет въглеродни атома е много подобен по форма на футболна топка: куха сфера, съшита от пет и шестоъгълници).

Наскоро група от Виенския университет, ръководена от професор Zeilinger, се опита да въведе елемент на наблюдение в такива експерименти. За да направят това, те облъчиха движещи се фулеренови молекули с лазерен лъч. След това, нагорещени от външно въздействие, молекулите започват да светят и така неизбежно разкриват мястото си в пространството за наблюдателя.

Заедно с тази иновация се промени и поведението на молекулите. Преди началото на пълното наблюдение, фулерените доста успешно заобикаляха препятствията (показаха вълнови свойства) като електроните от предишния пример, преминаващи през непрозрачен екран. Но по-късно, с появата на наблюдателя, фулерените се успокоиха и започнаха да се държат като напълно спазващи закона частици материя.

Размер на охлаждане

Един от най-известните закони на квантовия свят е принципът на неопределеността на Хайзенберг: невъзможно е едновременно да се определят позицията и скоростта на квантов обект. Колкото по-точно измерваме импулса на една частица, толкова по-малко точно можем да измерим нейната позиция. Но действието на квантовите закони, действащи на ниво малки частици, обикновено е незабележимо в нашия свят на големи макро обекти.

Затова последните експерименти на групата на проф. Шваб от САЩ, в които квантови ефектидемонстрирани не на нивото на същите електрони или фулеренови молекули (характерният им диаметър е около 1 nm), а върху малко по-осезаем обект - миниатюрна алуминиева лента.

Тази лента беше фиксирана от двете страни, така че средата й беше в окачено състояние и можеше да вибрира под външно въздействие. Освен това до лентата имаше устройство, способно да записва нейната позиция с висока точност.

В резултат на това експериментаторите открили два интересни ефекта. Първо, всяко измерване на позицията на обекта, наблюдение на лентата не премина без следа за него - след всяко измерване позицията на лентата се промени. Грубо казано, експериментаторите определиха координатите на лентата с голяма точност и по този начин, според принципа на Хайзенберг, промениха нейната скорост, а оттам и последващата позиция.

Второ, което вече е доста неочаквано, някои измервания също доведоха до охлаждане на лентата. Оказва се, че наблюдателят може да промени физическите характеристики на обектите само с присъствието си. Звучи абсолютно невероятно, но за чест на физиците, нека кажем, че те не бяха на загуба - сега групата на професор Шваб мисли как да приложи открития ефект за охлаждане на електронни схеми.

Замръзващи частици

Както знаете, нестабилните радиоактивни частици се разпадат в света не само заради експерименти върху котки, но и съвсем сами. Освен това всяка частица се характеризира със среден живот, който, оказва се, може да се увеличи под погледа на наблюдател.

Този квантов ефект е предсказан за първи път през 60-те години на миналия век и неговото блестящо експериментално потвърждение се появява в статия, публикувана през 2006 г. от групата Нобелов лауреатпо физика Волфганг Кетерле от Масачузетския технологичен институт.

В тази работа изследвахме разпадането на нестабилни възбудени рубидиеви атоми (разпадане на рубидиеви атоми в основно състояние и фотони). Веднага след подготовката на системата започва да се наблюдава възбуждането на атомите – те се осветяват с лазерен лъч. В този случай наблюдението се извършва в два режима: непрекъснат (малки светлинни импулси постоянно се подават в системата) и импулсен (системата се облъчва с по-мощни импулси от време на време).

Получените резултати са в отлично съответствие с теоретичните прогнози. Външните светлинни ефекти наистина забавят разпадането на частиците, сякаш ги връщат в първоначалното им състояние, далеч от разпад. В този случай големината на ефекта за двата изследвани режима също съвпада с прогнозите. И максималният живот на нестабилните възбудени рубидиеви атоми беше удължен с 30 пъти.

Квантова механика и съзнание

Електроните и фулерените престават да проявяват своите вълнови свойства, алуминиевите плочи се охлаждат, а нестабилните частици замръзват при разпадането си: под всемогъщия поглед на наблюдател светът се променя. Какво не е доказателство за участието на нашия ум в работата на света наоколо? Така че може би Карл Юнг и Волфганг Паули (австрийски физик, Нобелов лауреат, един от пионерите на квантовата механика) са били прави, когато са казали, че законите на физиката и съзнанието трябва да се разглеждат като допълващи се?

Но остава само една крачка до осъзнаването на дълга: целият свят наоколо е същността на нашия ум. Зловещо? („Наистина ли мислите, че Луната съществува само когато я гледате?“ Айнщайн коментира принципите на квантовата механика). Тогава нека се опитаме отново да се обърнем към физиците. Освен това, в последните годините все по-малко харесват копенхагенската интерпретация на квантовата механика с нейния мистериозен колапс на функционална вълна, който се заменя с друг, доста битов и надежден термин - декохерентност.

Ето каква е работата - във всички описани експерименти с наблюдение, експериментаторите неизбежно са повлияли на системата. Осветен е с лазер, монтирани са измервателни уреди. И това е общ, много важен принцип: не можете да наблюдавате система, да измервате нейните свойства, без да взаимодействате с нея. И където има взаимодействие, има промяна в свойствата. Особено когато колосът от квантови обекти взаимодейства с малка квантова система. Така че вечният, будистки неутралитет на наблюдателя е невъзможен.

Именно това обяснява термина "декохерентност" - необратим процес от гледна точка на нарушаване на квантовите свойства на една система, когато тя взаимодейства с друга, голяма система. По време на такова взаимодействие квантовата система губи първоначалните си характеристики и става класическа, „подчинява се“ на голямата система. Това обяснява парадокса с котката на Шрьодингер: котката е толкова голяма система, че просто не може да бъде изолирана от света. Самата постановка на мисловния експеримент не е съвсем правилна.

Във всеки случай, в сравнение с реалността като акт на създаване на съзнанието, декохерентността звучи много по-спокойно. Може би дори прекалено спокоен. В края на краищата, с този подход, целият класически свят се превръща в един голям ефект на декохерентност. И според авторите на една от най-сериозните книги в тази област твърдения като „няма частици в света“ или „няма време на фундаментално ниво“ също логично следват от подобни подходи.

Творчески наблюдател или всемогъща декохерентност? Трябва да избирате между две злини. Но помнете - сега учените стават все по-убедени, че прословутите квантови ефекти са в основата на нашите мисловни процеси. Така че къде свършва наблюдението и започва реалността - всеки от нас трябва да избере.