Marina Flyagina

Kratkoročni istraživački projekt

Pokus - promatranje rasta luka

Relevantnost teme

Aktivnosti vezane za eksperimentiranje i promatranje, igra važnu ulogu u razvoju mentalne sfere djeteta - u razvoju mišljenja (operacije analize i sinteze, usporedbe, sposobnosti generaliziranja i zaključivanja, pamćenja, mašte, pažnje.

Osim toga, dijete uči biti oprezan, pazi na detalje, ne gubi iz vida veliku sliku.

Djeca imaju veliki interes za takve aktivnosti, sklona su samostalnosti promatranje za živa bića.

Vrijednost eksperimentiranje i promatranje za razvoj kognitivne sfere djeteta odavno je dokazano!

Promatranje je svrhovito opažanje i složeno kognitivni proces. Na temelju zajedničkih aktivnosti djece i odgajatelja formiraju se specifična znanja koja razvijaju mišljenje i govor djece.

Naše promatranje se kombinira s eksperimentom, bit će dugo. dugo promatranje zahtijeva obavezno crtanje (dnevnik) i fotografije popravljanja svake faze zapažanja.

Odaberemo četiri identične žarulje i postavimo ih u različite uvjete.

Prvi dan zapažanja

Djeci su skrenuli pozornost da su lukovice glatke i tvrde.

Pitanje: Što biljka treba rast?

(Voda, toplina i svjetlost)

Za sve prirodni fenomen izabrala svoju simbol: voda - plavi krug, toplina - crvena, svjetlo - žuta

Prvi luk stavljao se u teglu s plavim, crvenim i žutim krugovima. Za nju su stvoreni svi uvjeti rast.

Drugi luk je stavljen u staklenku s crvenim i plavim krugovima. Odsutnost svjetla označili smo crnim krugom. Pokrili su ga kapom od crnog papira – neprozirnog.

Treći luk stavljen je u teglu bez vode, ali na toplo i na svjetlo. Na staklenku je zalijepljen bijeli krug - nedostatak vode. Crvena je prisutnost topline, a žuta je prisutnost svjetlosti.

Četvrti luk je stavljen u hladnjak, gdje sve nedostaje prirodni uvjeti osim hladnoće. Ona nema topline, svjetla i vode.

Prvi dan eksperiment, napravio skice Luke, i fotografije.

Sedmi dan zapažanja

Nakon sedam dana pozovite djecu da pregledaju lukovice i saznaju

koje su se promjene dogodile od tada ih:

1. žarulja

Bilo je manje vode.

Pojavili su se mali korijeni.

2. žarulja

Voda je postala prljava.

3 - I žarulja

Na dnu posude pojavile su se male kapljice vode.

4. žarulja

Nema promjena.

sedamnaesti dan zapažanja

1. žarulja

Lišće je postalo više

Korijeni su postali veći

Vode je manje

2. žarulja

Voda je prljava

Osjetio se neugodan miris

bez korijena

nema zelenog lišća

3 - I žarulja

Pojavilo se malo lišće

Korijeni su izrasli

Kapljice vode na dnu posude

4. žarulja

Nema promjena

dvadeset sedmi dan zapažanja

Dvadeset sedam dana kasnije vidimo sljedeće promjene:

1. žarulja

Dobro zeleno klice koja bi trebala imati Luke

Snažni, dugi korijeni, pili su puno vode

Strelice na luk je ojačao, zelena i sočna

2. žarulja

Korijenje je naraslo, ali je slabije

Ima strelica, ali su blijede, male i žute

3. žarulja

Korijeni se nisu pojavili

klice nisu rasle

Žarulja je postala mekana i letargična

Voda je prljava i smrdi

4. žarulja

Nije došlo do promjena

zaključke:

Za rast biljaka kako bi se pravilno razvijale i donosile plodove, potrebna: svjetlost, toplina i voda.

Ali kako se povrće, posebno luk, ne bi pokvarilo i bilo dobro pohranjeno, potrebno je hlađenje. Pokazao nam je to zadnji luk koji je savršeno očuvan, nimalo ne mijenjan, u hladnjaku.

Korisnost zelene boje Luke

Za nas je luk najčešće povrće, ali njegov sastav nije isti. koliko god jednostavno izgledalo.

Zeleni luk štiti od virusnih infekcija. Salata sa zeleni luk zaštititi od prehlada i gripa. Pero Luke koristan za stvaranje krvi.

svježe zelje luk potiče apetitčini svako jelo privlačnijim. zelena svojstva Luke doprinose probavi i procesu asimilacije hrane.

Zeleni luk je koristan za beriberi, gubitak snage, pospanost, vrtoglavicu, proljetni umor.

Zeleni luk sadrži više cinka nego drugo povrće. Nedostatak ovog elementa može uzrokovati gubitak kose i lomljive nokte. Osim toga, cink je uključen u formiranje imuniteta. Zeleni luk sadrži tvari koje jačaju srčani mišić i krvne žile, tako da jezgra i jednostavno slabi ljudi trebaju obratiti pozornost na to.

Luk je bogat kalcijem i fosforom, što je vrlo korisno za stanje zuba.

Luk se preporuča jesti što više svježeg - dodajte ga u salate, začinite juhe, juhu od kupusa, boršč, okrošku, začinite pirjano povrće, pospite pire krumpirom ili kuhanim mladim krumpirom. Uvod Luke vitaminizira ih u jelima i poboljšava okus. Osim toga, zeleni luk poboljšava izgled jela, posebno u kombinaciji s povrćem poput cikle, mrkve, rajčice, krumpira. Koristi se za ukrašavanje salata, raznih predjela, prvih i drugih jela od mesa, ribe i povrća.

Zeleni luk neophodan je ljudskom organizmu tijekom cijele godine, a posebno zimi i u rano proljeće.

Povezane publikacije:

Prezentacija "Dnevnik promatranja rasta graška" Promatranja su vršena s djecom starija grupa. Svrha mog rada je promatrati, zajedno s djecom starije skupine, klijanje graška.

Igra-eksperiment "Zašto se krv kreće?" Igra - eksperiment "Zašto se krv kreće?" Svrha: aktivirati znanje o ljudskom tijelu. Ciljevi: Dati djeci predodžbu o radu.

Sažetak integriranog GCD-a za promatranje sobnih biljaka "Aibolit's Green Service" Svrha: naučiti djecu pažljivo pregledati biljke, pronaći znakove njihovog nezdravog stanja, izvući zaključak o nedostatku bilo kakvih uvjeta.

Sažetak integriranog GCD-a za promatranje ptica "Hranilica za zimujuće ptice" Sinopsis integriranog GCD - promatranje ptica "Zimska hranilica za ptice" Svrha: dati djeci ideju o hranilicama za ptice;.

U mojoj kući živi jež po imenu Timokha. I odlučio sam djeci iz svoje grupe predstaviti i dati priliku da vide ježa uživo, ali pokazalo se da je jež.

Problem 23.1.3. Jednom se magnet povuče kroz prsten s južnim polom do prstena, drugi put - sjevernim.

U kojem će od ovih slučajeva u prstenu teći struja, a ako u oba, hoće li smjer struje biti isti?

Problem 23.1.4. Metalni prsten se nosi pored permanentnog magneta (vidi sliku). Hoće li u tom slučaju biti indukcijske struje u prstenu?

Problem 23.1.5. Dva se okvira okreću u jednoličnom magnetskom polju. U kojem slučaju će se u petlji pojaviti indukcijska struja?

Problem 23.1.6. Pored ravnog dirigenta koji nosi struja, nalazi se kvadratni vodljivi okvir. U nekom trenutku okvir se počinje pomicati. U kojem će smjeru kretanja okvira (vidi sliku) u njemu nastati električna struja?

Problem 23.1.7. Permanentni magnet se provlači kroz metalni prsten na sljedeći način: dvije sekunde magnet se prinese s velike udaljenosti i umetne u prsten, sljedeće dvije sekunde magnet ostaje nepomičan unutar prstena, sljedeće dvije sekunde skine se s prstena i odnese na veliku udaljenost. U kojim vremenskim intervalima teče struja u prstenu?

Problem 23.1.9. U pokusima promatranja elektromagnetske indukcije kvadratni okvir izrađen od tanke žice s bokom stavlja se u jednoliko magnetsko polje okomito na ravninu okvira. Indukcija polja jednoliko raste od vrijednosti do vrijednosti. Pokus se ponavlja udvostručavanjem stranice okvira. Kako će se u tom slučaju promijeniti EMF indukcije koja nastaje u okviru?

U članku objavljenom u žurnalu Nature Communications, izvješćuje o eksperimentalnoj realizaciji neobičnog kvantnog stanja, koje su teoretičari opisali prije godinu dana i nazvali ga kvantna Cheshire Cat. Ulogu "Cheshire Cat" igrao je neutron, a vrtnja neutrona glumila je osmijeh. Provedena mjerenja na prvi pogled crtaju paradoksalnu sliku: neutron unutar uređaja kretao se jednom putanjom, a vrtnja neutrona - bez samog neutrona! - na drugoj. Međutim, očita paradoksalna priroda ove situacije nestaje ako se pažljivo pročita što se točno događa u ovom eksperimentu.

Paradoks kvantne mehanike

Popularne znanstvene priče o kvantnim efektima često griješe pretjeranim senzacionalizmom, naglašenim paradoksalnošću. Često se ovaj umjetno napuhani paradoks pojačava primjedbom Richarda Feynmana da nitko istinski ne razumije kvantnu mehaniku. Ovakav citat posebno pojačava dojam da ni sami fizičari ne razumiju što dobivaju svojim kvantnim eksperimentima. To, naravno, nije točno. Zakoni kvantnog svijeta vrlo su neobični sa stajališta svakodnevne intuicije, od toga se ne može pobjeći. Ali to uopće ne znači da se u kvantnom svijetu ostvaruju bilo kakve neobičnosti, ma koliko divlje i protivne logici stvari izgledale. Kvantni zakoni su matematički samodosljedni, a ako ih koristite, onda su razni "kvantni paradoksi" paradoksi sa svakodnevne točke gledišta! - potpuno raspetljano.

Neki dan u jednom časopisu Nature Communications objavljena je uz impresivan naslov: Promatranje kvantne Cheshire Cat u interferometrijskom eksperimentu s valovima materije". Ovaj članak izvješćuje o provedbi eksperimenta predloženog prije godinu dana koji pokazuje neobična svojstva kvantnih čestica (izraz "kvantna Cheshire Cat" dolazi iz tog članka 2013.).

Privlačan izraz osigurao je brojnu medijsku pokrivenost novog članka. Neki od njih čak su i pošteno pokušali prepričati bit fenomena. Ukratko, u eksperimentu s neutronima, fizičari su uspjeli odvojiti neko svojstvo neutrona od njegove materijalne biti. Sve je ispalo kao da se neutron u instalaciji kreće jednom putanjom, a karakteristike su mu potpuno drugačije, duž staze na kojoj nije bila sama čestica. To, naravno, zvuči paradoksalno i odmah postavlja pitanje "kako to može biti?". Međutim, na ovo prirodno pitanje velika većina bilješki nijemo je nudila neobjašnjiv odgovor: "Da, takva se čuda događaju u kvantnom svijetu."

Svrha ove bilješke nije toliko govoriti o detaljima eksperimentalnog rada, već odvojiti pravu bit fenomena od umjetno uvrnutog paradoksa. Da biste to razumjeli, ne morate biti specijalist niti "polagati" kvantnu mehaniku na sveučilištu; ovdje bi trebalo biti dovoljno površno poznavanje popularnoznanstvenih materijala i malo logike.

Dvije osnovne kvantne činjenice

Počnimo s dvije osnovne činjenice. Prvo, kvantna čestica može biti na različitim mjestima u isto vrijeme. To se obično objašnjava na primjeru interferencije elektrona koji istodobno proleti kroz dva proreza i oblikuje interferencijski uzorak na ekranu (vidi npr. odgovarajuće poglavlje iz Feynmanovih predavanja o fizici). Ilustrirati ćemo to s uređajem koji je upravo korišten u članku o kojem se raspravlja - Mach-Zehnder interferometrom (slika 2).

Čestica (foton, elektron, neutron itd.) uleti u uređaj, prozirnim zrcalom na ulazu biva podijeljena u dvije "hipostaze", koje zatim lete dvije različite staze, te se na kraju ponovno spajaju u prijemnoj. uređaj. Naglašavamo: ne samo da se snop elektrona ili svjetlosni snop dijeli na pola, nego svaki elektron ili foton prolazi dvije putanje odjednom. Možete fizički stajati u sredini, a onda će vas svaki elektron obilaziti s dvije strane u isto vrijeme. Vrlo je neobično, ali mikrosvijet tako funkcionira.

Jedan primjer je elektron koji ide dvije različite staze u isto vrijeme. superpozicije Države. Prema zakonima kvantne mehanike, ako elektron može biti u stanju A ili stanju B, onda može postojati i u stanju A + B, odnosno i tamo i tamo u isto vrijeme. Ta stanja A i B mogu biti dvije staze u interferometru, ili dvije polarizacije fotona, ili njihove korelirane kombinacije (u kojem slučaju se te veličine nazivaju kvantno isprepletene), ili nešto treće. Ekstremni slučaj superpozicije također je nadaleko poznat - takozvana Schrodingerova mačka (ne brkati s Cheshire Cat!), koja je, usput rečeno, također eksperimentalno promatrana - iako ne materijalna, već višefotonska.

Drugo, proces mjerenja neke karakteristike čestice opisan je u kvantnoj mehanici na potpuno drugačiji način od jednostavnog kvantnog gibanja čestice. Sam čin mjerenja radikalno “kvari” kvantno stanje. Kao rezultat mjerenja, ne samo da se uređaj za otkrivanje prebacuje, već se i samo kvantno stanje dramatično mijenja, kolabira (za najjednostavniji opis pogledajte bilješku Kvantna sutra, a malo ozbiljnije, u Feynmanovim predavanjima o fizici ili u knjiga Kako razumjeti kvantnu mehaniku).

Kako to provjeriti na primjeru interferometra? Pustimo struju čestica u početni interferometar, a senzor na kraju će izbrojati njihov broj. Neka je početno stanje čestica superpozicija gornje i donje staze. Sada napravimo mjerenje - provjerimo ide li čestica donjom putanjom. Postavimo neprozirni zid na gornju stazu i pogledajmo očitanja senzora: frekvencija uzorkovanja se smanjila (slika 3). Svako aktiviranje senzora pokazuje da je određena čestica pala niži staze, ali nisu sve čestice uhvaćene na ovaj način. Slično, može se postaviti eksperiment da se provjeri ide li čestica gornjom putanjom; dat će sličan rezultat.

Međutim, sam čin mjerenja, sama prisutnost stijenke promijenila je stanje čestice. Nakon mjerenja čestica je napustila stanje superpozicije i sada Zagarantiran ide niz stazu. Na gornjoj stazi na Sl. 3 čestice su nestale. A ako sada, nakon prvog zida, stavite drugi, ali već na niži na taj način, senzor će biti tih. To je razumljivo, jer smo blokirali oba puta elektrona, ali također ilustrira činjenicu da se nakon prvog mjerenja stanje čestica dramatično promijenilo.

Postselekcija kvantnog stanja

Dakle, ako smo lansirali česticu u interferometar, onda, ovisno o njezinom kvantnom stanju Ψ, ona može ići ili u jednom ili u drugom smjeru, ili oboje odjednom i onamo s određenom amplitudom vjerojatnosti. Dodajmo sada interferometru jedan novi detalj - tzv naknadna selekcija, ili "naknadni izbor" kvantnog stanja. Da bismo to učinili, na izlaz stavljamo složeni sustav koji analizira kvantno stanje nadolazeće čestice. Ako se to stanje točno poklapa s nekim stanjem signala Φ, koje se može razlikovati od početnog stanja Ψ, tada čestica leti do detektora signala (slika 4). Ako to stanje uopće ne izgleda (matematički rečeno, ortogonalno je stanju signala), čestica ide negdje postrance i ne pada u detektor.

U eksperimentu nakon selekcije lansiramo česticu i vršimo mjerenja na njoj, ali tada rezultat uzimamo u obzir samo u slučaju okidanja detektora signala. razgovarajući jednostavnim rječnikom rečeno, ne mjerimo samo svojstvo čestice, već svjesno proučavajte ga pod unaprijed zamišljenim uvjetima, u pristranom uzorku. Sve vjerojatnosti dobivene u takvom eksperimentu nisu apsolutne, već uvjetne, to su vjerojatnosti u uvjetima naknadne selekcije. I to nas odmah tjera da pažljivo formuliramo zaključke takvog eksperimenta.

Quantum Cheshire Cat: Pokušajte 1

Opišimo sada eksperiment predložen u radu iz 2013., eksperiment koji bismo mogli nazvati otkrićem kvantne Cheshire Cat, da nije bilo naknadnog otkrića. Za one koji žele ponoviti izračune, recimo da su svi jednostavni i detaljno opisani u članku; može ih učiniti svatko tko je upoznat s matematičkim formalizmom kvantne mehanike.

Na ulaz interferometra dovodi se foton koji putuje duž obje staze i ima horizontalnu linearnu polarizaciju. Postselection odabire stanje fotona Ψ kao posebnu superpoziciju: (gornja staza i horizontalna polarizacija) + (donja staza i okomita polarizacija). Sada, u takvom eksperimentu, provodimo dvije vrste mjerenja. U prvom pokusu - provodi se prema gore opisanoj metodi - provjeravamo kojim putem ide foton. Rezultat mjerenja je sljedeći: ide samo gornjom stazom (sl. 5).

U drugom pokusu posebnom pločom mjerimo kružnu polarizaciju fotona (slika 6). Rezultat je da se polarizacija različita od nule detektira samo u donjem putu. Zaključak: sami fotoni idu gornjom putanjom, a polarizacija je odvojena od fotona! - na dnu.

Naravno, ovaj paradoks nije stvaran i razotkriven je gornjim razmišljanjem.

Prvo, ne treba pretpostaviti da u donjem kraku interferometra, gdje se bilježi polarizacija, uopće nema fotona. Stvarno su tu. Samo što u prvoj vrsti eksperimenata mjerenje pretvara ovaj foton u stanje bez signala. Neki drugi senzor ih je mogao registrirati, ali u našem eksperimentu nakon odabira odbacujemo takve događaje. Ovako nestaje glavna "misticizam": polarizacija ne leti sama od sebe, fizički je nose fotoni, ali smo ih jednostavno odlučili ne uzeti u obzir.

Drugo, ove dvije vrste eksperimenata - za provjeru prisutnosti fotona i mjerenje njegove polarizacije - neizbježno se izvode s drugačiji fotona, a ne s istim. Fotoni u određenom stanju ulijeću u interferometar jedan za drugim. "Pitali" smo jednu karakteristiku prvog fotona na nižoj stazi - i iz toga je kolabirao u stanje bez signala, "tražili smo" drugu karakteristiku drugog fotona - i on je kolabirao u stanje signala. Nema ničeg čudnog u činjenici da su se različiti fotoni različito kolabirali pod različitim mjerenjima, ne.

Da budemo potpuno jasni, obje vrste mjerenja mogu se izvoditi istovremeno na svakom specifičnom fotonu u prolazu. U tom slučaju, rezultati će se promijeniti (uostalom, nakon prvog mjerenja stanje fotona se dramatično mijenja!), i nastaje banalna slika: senzor radi samo kada smo detektirali foton na nekom putu i detektirali polarizaciju na istom putu(slika 7). Dakle, "potpuno ispitivanje" fotona pokazuje da polarizacija leti točno tamo gdje sam foton fizički leti. Od prividnog paradoksa nije ostalo ni traga.

Quantum Cheshire Cat: Pokušaj 2

Dakle, prvi pokušaj stvaranja sustava nalik na kvantnu češirsku mačku (slika 1) nije doveo do ničeg zanimljivog: uz pomnu raspravu o rezultatima, prividni misticizam se odmah raspršio. Ovo bi bio kraj priče da nije novog, suptilnijeg svojstva kvantnih sustava, koje je predloženo u radu iz 2013. godine.

Autori tog članka podsjećaju da u kvantnoj mehanici postoji i posebna vrsta mjerenja - takozvana slaba mjerenja, koja se provode upravo u eksperimentima s naknadnom selekcijom. Tijekom slabog mjerenja, instrument samo malo osjeti izmjerenu karakteristiku čestice. Također malo utječe na kvantno stanje čestice, ali ne dovodi do apsolutno zajamčenog kolapsa kvantnog stanja. Kao rezultat jednog slabog mjerenja dobivamo ne baš preciznu informaciju o stanju čestice, ali se samo stanje ne pogoršava previše - svojevrsni kompromis između točnosti i snage udarca. Međutim, ako se slabo mjerenje nad identičnim česticama ponavlja mnogo puta, u prosjeku će se pojaviti više ili manje jasna slika količine koja se proučava.

Izračuni provedeni u teoretskom radu pokazali su da se upravo uz pomoć slabih mjerenja konačno može dobiti kvantna Cheshire Cat. Sam eksperiment može izgledati poput slika u prethodnom odjeljku, ali mjerenja su sada slaba. Uzastopno ponovljeno slabo mjerenje polarizacije u eksperimentu nakon selekcije dat će vrijednost različitu od nule u jednom kraku interferometra, a isto mjerenje prisutnosti čestice u drugom. Ali tek sada je već moguće napraviti slaba mjerenja obje vrste. istovremeno. Više ne postoji opasnost da će sam čin mjerenja potpuno uništiti izvorno stanje. No, ponavljamo, ni tu nema mistike, jer sva ova mjerenja nisu apsolutna, već uvjetna, vrše se pod uvjetom da je detektor signala aktiviran, a dobivaju se samo u prosjeku, nakon što se obavi veliki broj mjerenja.

Manipulaciju spinom neutrona na ulazu, izlazu i unutar interferometra izvode posebne zavojnice s magnetsko polje(ST1, ST2, SRs na slici 8). Ploča prozirna za neutrone (ABS) s prijenosom od 0,79 omogućuje provjeru kojim od dva puta ide neutron (prvi tip pokusa). Dodatno magnetsko polje unutar interferometra, koje rotira spin za 20 stupnjeva, spregnuto s faznom pločom (PS) omogućuje mjerenje spina (druga vrsta eksperimenta). Na izlazu se nalaze dva detektora, signalni (O-Det) i ispitni (H-Det), koji registriraju udar neutrona. Signalni se koristi za naknadnu selekciju, testni služi za kontrolu intenziteta toka neutrona.

Glavni rezultati eksperimenta prikazani su na slici 10. U svakoj seriji, lijeva i desna slika prikazuju mjerenja obavljena u gornjem i donjem kraku interferometra; središnja slika je kontrolno mjerenje s praznim interferometrom. Gornji niz slika je pokus kojim se ispituje u kojem smjeru ide neutron, a donji niz je pokus za mjerenje spina. Prvi eksperiment pouzdano pokazuje da je neutron prisutan samo u nadlaktici, budući da se tamo uočava učinak slabog blokiranja s ploče. Drugi pokus pokazuje da vrtnja ide samo duž donjeg kraka, jer se samo tamo promatra učinak rotacije ploče. Dakle, neutroni putuju (uzimajući u obzir naknadnu selekciju!) duž gornjeg kraka, dok se spin detektira samo u donjem. Međutim, to ne dovodi do pravih paradoksa.

Jedino što, nažalost, nije implementirano u ovom eksperimentu je istovremeno mjerenje obje veličine za svaku česticu u prolazu. Budući da sve konvergira s kvantnomehaničkim predviđanjima, autori rada uvjeravaju da bi se isti rezultati dobili iu ovom slučaju. Međutim, radi veće jasnoće, takav bi eksperiment, naravno, bilo poželjno provesti.

Pogovor

Nakon što se mistika raspršila, postavlja se prirodno pitanje: što od toga može biti korisno novi učinak? Ovdje se mogu navesti dva primjera. Prvo, pomoći će boljem proučavanju slabog mjerenja fizičkih veličina u sebi. Unatoč četvrt stoljeća eksperimentalnih istraživanja, fizikalno značenje "slabo izmjerenih" veličina još uvijek je predmet kontroverzi. Strogo govoreći, još uvijek nema konsenzusa o tome u kojoj mjeri "slabo izmjerene" veličine karakteriziraju stvarne fizička svojstvačestice.

Drugo, načelno su moguće situacije kada želimo eksperimentalno proučavati neki suptilni fizički učinak koji ovisi o polarizaciji čestice, ali ne želimo da nas čestica ometa svojim nabojem ili drugim karakteristikama. Moguće je da će biti prikladno provoditi takve eksperimente ne sa slobodnim česticama, već unutar interferometra s kvantnom Cheshire Cat. U ovom slučaju naknadna selekcija neće biti samo čudan trik, već će stvarno pomoći u uklanjanju pogrešaka unesenih u suptilno mjerenje. Istina, konkretni primjeri takvi eksperimenti još nisu dostupni. Ali budući da se ova tema aktivno razvija, moguće je da će se pojaviti za nekoliko godina i možda čak biti temelj novih ultra-preciznih mjernih tehnologija.

Karakteristična značajka eksperimenta kao posebne empirijske istraživačke metode je da pruža mogućnost aktivnog praktičnog utjecaja na pojave i procese koji se proučavaju. Istraživač se ovdje ne ograničava na pasivno promatranje pojava, već svjesno intervenira u prirodni tijek njihova tijeka. On to može učiniti bilo izoliranjem fenomena koji se istražuju od nekih vanjskih čimbenika, bilo promjenom rubnih uvjeta pod kojima se pojavljuju. U oba slučaja rezultati ispitivanja se točno bilježe i kontroliraju.

Dakle, dodatak jednostavnog promatranja s aktivnim utjecajem na proces koji se proučava, pretvara eksperiment u vrlo učinkovitu metodu empirijskog istraživanja. Tome pogoduje prije svega tješnja veza eksperimenta i teorije. “Eksperimentiranje”, pišu I. Prigogine i I. Stengers, “znači ne samo pouzdano opažanje istinitih činjenica, ne samo traženje empirijskih odnosa među fenomenima, nego podrazumijeva i sustavnu interakciju između teorijskih koncepata i promatranja” 1 .

Ideja eksperimenta, plan za njegovo provođenje i interpretacija rezultata mnogo više ovise o teoriji nego o traženju i interpretaciji opažačkih podataka.

Trenutno se eksperimentalna metoda koristi ne samo u onim eksperimentalnim znanostima koje se tradicionalno svrstavaju u egzaktne prirodne znanosti (mehanika, fizika, kemija itd.), već iu znanostima koje proučavaju divlje životinje, osobito u onima koji koriste suvremeni fizički i kemijske metode istraživanja (genetika, molekularna biologija, fiziologija itd.).

U znanosti suvremenog doba eksperimentalnu metodu prvi je sustavno primijenio, kao što već znamo, Galileo, iako pojedinačne pokušaje njezine primjene nalazimo još u antici, a osobito u srednjem vijeku.

Galileo je svoja istraživanja započeo proučavanjem najjednostavnijih prirodnih pojava – mehaničkog kretanja tijela u prostoru tijekom vremena (pad tijela, gibanje tijela po kosoj ravnini i putanje topovskih zrna). Unatoč prividnoj jednostavnosti ovih fenomena, suočio se s nizom poteškoća, kako znanstvenih tako i ideoloških. Potonji su bili povezani uglavnom s tradicijom čisto prirodno-filozofskog, spekulativnog pristupa proučavanju prirodnih pojava, koja seže u antičko doba. Tako je u aristotelovskoj fizici bilo poznato da se gibanje događa samo kada se na tijelo primijeni sila. Ovo se stajalište smatralo općepriznatim u srednjovjekovnoj znanosti. Galileo je to prvi doveo u pitanje i sugerirao da bi tijelo bilo u mirovanju ili u uniformi i pravocrtno gibanje dok na njega ne djeluju vanjske sile. Od vremena Newtona ova je tvrdnja formulirana kao prvi zakon mehanike.

Važno je napomenuti da je Galileo prvi upotrijebio načelo tromosti za opravdanje psihički eksperiment koji je kasnije našao široku primjenu kao heuristički istraživački alat u raznim granama moderne prirodne znanosti. Njezina bit leži u analizi slijeda stvarnih opažanja i prijelazu s njih na određenu ograničavajuću situaciju u kojoj se mentalno isključuje djelovanje određenih sila ili čimbenika. Na primjer, pri promatranju mehaničkog gibanja može se postupno smanjivati ​​djelovanje različitih sila na tijelo - trenje, otpor zraka itd. - i uvjerite se da će se put koji prijeđe tijelo u skladu s time povećati. U granici se mogu isključiti sve takve sile i doći do zaključka da će se tijelo u takvim idealnim uvjetima gibati neograničeno jednoliko i pravocrtno ili će mirovati.

Najveća Galileova postignuća povezana su, međutim, s postavljanjem stvarnih pokusa i matematičkom obradom njihovih rezultata. Postigao je izvanredne rezultate u eksperimentalnom proučavanju slobodnog pada tijela. U svojoj prekrasnoj knjizi "Razgovori i matematički dokazi ..." Galileo detaljno opisuje kako je došao do svog otkrića zakona konstantnog ubrzanja slobodno padajućih tijela. Isprva je, kao i njegovi prethodnici - Leonardo da Vinci, Benedetti i drugi, smatrao da je brzina pada tijela proporcionalna prijeđenom putu. Međutim, kasnije je Galileo odustao od te pretpostavke, budući da dovodi do posljedica koje eksperiment ne potvrđuje 1 . Stoga je odlučio provjeriti drugu hipotezu: brzina slobodno padajućeg tijela proporcionalna je vremenu pada. Slijedio je za posljedicu da je put koji tijelo prijeđe proporcionalan polovici kvadrata vremena pada, što je potvrđeno u posebno konstruiranom eksperimentu. Budući da je u to vrijeme bilo ozbiljnih poteškoća s mjerenjem vremena, Galileo je odlučio usporiti proces padanja. Da bi to učinio, kotrljao je brončanu kuglu duž nagnutog žlijeba s dobro uglačanim stijenkama. Mjerenjem vremena potrebnog lopti da prođe kroz različite segmente staze, uspio je provjeriti ispravnost svoje pretpostavke o postojanosti ubrzanja slobodno padajućih tijela.

Sa svojim velikim postignućima moderna znanost duguje eksperimentu, jer je uz njegovu pomoć bilo moguće organski povezati misao i iskustvo, teoriju i praksu. Zapravo, eksperiment je pitanje upućeno prirodi. Znanstvenici su uvjereni da priroda ispravno odgovara na pitanja koja postavljaju. Stoga je od vremena Galileija pokus postao najvažnije sredstvo dijaloga između čovjeka i prirode, način da se pronikne u njezine duboke tajne i sredstvo za otkrivanje zakona koji vladaju u pojavama promatranim u pokusu.

• Prigozhy I., Stengers I. Red iz kaosa. - M., 1986. - S. 44.
• Neki poznati povjesničari znanosti, uključujući P. Duhema, A. Crombieja, D. Randall, tvrde da se pojava eksperimentalne znanosti dogodila još u srednjem vijeku. Kako bi potvrdili svoju tezu, oni se pozivaju na činjenicu da su takvi eksperimenti provedeni u XIII-XIV stoljeću. u Parizu, a u XVI.st. u Padovi.
• Galileo G. Odabrana djela: U 2 sv., T 1. - M .: Nauka, 1964. - S. 241-242.
• Vidi: Lipson G. Veliki eksperimenti u fizici. - M., 1972. - S. 12.

Nitko na svijetu ne razumije kvantnu mehaniku - ovo je glavna stvar koju trebate znati o njoj. Da, mnogi su fizičari naučili koristiti njegove zakone, pa čak i predvidjeti pojave pomoću kvantnih izračuna. Ali još uvijek nije jasno zašto prisutnost promatrača određuje sudbinu sustava i prisiljava ga da napravi izbor u korist jedne države. "Teorije i prakse" odabrale su primjere eksperimenata na čiji ishod neminovno utječe promatrač i pokušale dokučiti što će kvantna mehanika učiniti s takvim uplitanjem svijesti u materijalnu stvarnost.

Shroedingerova mačka

Danas postoje mnoge interpretacije kvantne mehanike, od kojih je najpopularnija i dalje kopenhaška. Njegove glavne odredbe formulirali su 1920-ih Niels Bohr i Werner Heisenberg. A središnji pojam kopenhagenske interpretacije bila je valna funkcija - matematička funkcija koja sadrži informacije o svim mogućim stanjima kvantnog sustava u kojem se istovremeno nalazi.

Prema kopenhaškoj interpretaciji, samo promatranje može točno odrediti stanje sustava, razlikovati ga od ostatka (valna funkcija samo pomaže matematički izračunati vjerojatnost otkrivanja sustava u određenom stanju). Možemo reći da nakon promatranja kvantni sustav postaje klasičan: istog trenutka prestaje koegzistirati u više stanja odjednom u korist jednog od njih.

Ovaj je pristup oduvijek imao protivnike (sjetimo se, na primjer, “Bog se ne igra kockicama” Alberta Einsteina), ali točnost izračuna i predviđanja uzela je danak. No, posljednjih je godina sve manje pristaša Kopenhagenske interpretacije, a ne posljednji razlog tome je vrlo misteriozni trenutni kolaps valne funkcije tijekom mjerenja. Čuveni misaoni eksperiment Erwina Schrödingera sa jadnom mačkom bio je samo osmišljen kako bi pokazao apsurdnost ovog fenomena.

Dakle, prisjećamo se sadržaja eksperimenta. U crnu kutiju stavljaju se živa mačka, ampula otrova i neki mehanizam koji u slučajnom trenutku može pokrenuti otrov. Na primjer, jedan radioaktivni atom, čiji će raspad razbiti ampulu. Točno vrijeme raspada atoma nije poznato. Poznato je samo vrijeme poluraspada: vrijeme tijekom kojeg će se dogoditi raspad s vjerojatnošću od 50%.

Ispostavilo se da za vanjskog promatrača mačka unutar kutije postoji u dva stanja odjednom: ili je živa, ako je sve u redu, ili mrtva, ako je došlo do raspadanja i ampula je pukla. Oba ova stanja opisana su valnom funkcijom mačke, koja se mijenja tijekom vremena: što je dalje, to je vjerojatnije da se radioaktivni raspad već dogodio. Ali čim se kutija otvori, valna funkcija se urušava i odmah vidimo ishod eksperimenta flayera.

Ispostavilo se da dok promatrač ne otvori kutiju, mačak će zauvijek balansirati na granici između života i smrti, a samo će postupak promatrača odrediti njegovu sudbinu. To je apsurd na koji je ukazao Schrödinger.

Difrakcija elektrona

Prema anketi vodećih fizičara koju je proveo The New York Times, eksperiment s difrakcijom elektrona, koji je 1961. godine postavio Klaus Jenson, postao je jedan od najljepših u povijesti znanosti. Koja je njegova bit?

Postoji izvor koji emitira struju elektrona prema ekranu-fotografskoj ploči. A na putu tim elektronima nalazi se prepreka - bakrena ploča s dva proreza. Kakvu sliku na ekranu možemo očekivati ​​ako elektrone predstavimo samo kao male nabijene kuglice? Dvije osvijetljene trake nasuprot proreza.

U stvarnosti se na ekranu pojavljuje mnogo složeniji uzorak izmjeničnih crnih i bijelih pruga. Činjenica je da se elektroni pri prolasku kroz proreze počinju ponašati ne kao čestice, već kao valovi (baš kao što fotoni, čestice svjetlosti, mogu istovremeno biti valovi). Zatim ti valovi međusobno djeluju u prostoru, slabe jedan drugog negdje, a negdje jačajući, i kao rezultat toga, složena slika od naizmjeničnih svijetlih i tamnih pruga.

U tom se slučaju rezultat eksperimenta ne mijenja, a ako se elektroni propuštaju kroz prorez ne u kontinuiranom toku, već jedan po jedan, čak i jedna čestica može istodobno biti val. Čak i jedan elektron može proći kroz dva proreza u isto vrijeme (a to je još jedna od važnih odredbi kopenhagenske interpretacije kvantne mehanike - objekti mogu istovremeno pokazivati ​​i svoja "uobičajena" materijalna svojstva i egzotična valna svojstva).

Ali što je s promatračem? Unatoč tome što se s njim ionako komplicirana priča još više zakomplicirala. Kad su u takvim pokusima fizičari uz pomoć instrumenata pokušali odrediti kroz koji prorez elektron zapravo prolazi, slika na ekranu dramatično se promijenila i postala “klasična”: dva osvijetljena područja nasuprot prorezima i bez izmjeničnih pruga.

Činilo se da elektroni ne žele pokazati svoju valnu prirodu pod pogledom promatrača. Prilagođeno njegovoj instinktivnoj želji da vidi jednostavnu i razumljivu sliku. mistik? Postoji puno jednostavnije objašnjenje: nijedno promatranje sustava ne može se provesti bez fizičkog utjecaja na njega. Ali na ovo ćemo se vratiti malo kasnije.

Zagrijani fuleren

Eksperimenti difrakcije čestica provedeni su ne samo na elektronima, već i na mnogo većim objektima. Na primjer, fuleren su velike, zatvorene molekule sastavljene od desetaka ugljikovih atoma (na primjer, fuleren od šezdeset ugljikovih atoma po obliku je vrlo sličan nogometnoj lopti: šuplja kugla sašivena od pet i šesterokuta).

Nedavno je grupa na Sveučilištu u Beču, predvođena profesorom Zeilingerom, pokušala uvesti element promatranja u takve eksperimente. Kako bi to učinili, ozračili su pokretne molekule fulerena laserskom zrakom. Nakon toga, zagrijane vanjskim utjecajem, molekule su počele svijetliti i tako promatraču neizbježno otkrile svoje mjesto u prostoru.

Zajedno s ovom inovacijom promijenilo se i ponašanje molekula. Prije početka potpunog nadzora, fulereni su prilično uspješno zaobilazili prepreke (pokazali valna svojstva) poput elektrona iz prethodnog primjera koji prolaze kroz neprozirni ekran. Ali kasnije, dolaskom promatrača, fulereni su se smirili i počeli ponašati kao potpuno zakonite čestice materije.

Dimenzija hlađenja

Jedan od najpoznatijih zakona kvantnog svijeta je Heisenbergov princip neodređenosti: nemoguće je istovremeno odrediti položaj i brzinu kvantnog objekta. Što točnije mjerimo impuls čestice, to manje možemo izmjeriti njen položaj. Ali djelovanje kvantnih zakona, koji djeluju na razini sićušnih čestica, obično je neprimjetno u našem svijetu velikih makro objekata.

Stoga su nedavni pokusi skupine profesora Schwaba iz SAD-a u kojima kvantni efekti demonstriran ne na razini istih elektrona ili molekula fulerena (njihov karakterističan promjer je oko 1 nm), već na malo opipljivijem objektu - sićušnoj aluminijskoj traci.

Ova je traka bila fiksirana s obje strane tako da je njezina sredina bila u visećem stanju i mogla je vibrirati pod vanjskim utjecajem. Osim toga, pored trake nalazio se uređaj koji je mogao bilježiti njen položaj s velikom točnošću.

Kao rezultat toga, eksperimentatori su otkrili dva zanimljiva učinka. Prvo, svako mjerenje položaja objekta, promatranje trake nije prošlo bez traga za njega - nakon svakog mjerenja, položaj trake se promijenio. Grubo rečeno, eksperimentatori su s velikom točnošću odredili koordinate trake i time, prema Heisenbergovom principu, promijenili njezinu brzinu, a time i kasniji položaj.

Drugo, što je već prilično neočekivano, neka su mjerenja također dovela do hlađenja trake. Ispada da promatrač samo svojom prisutnošću može promijeniti fizičke karakteristike objekata. Zvuči potpuno nevjerojatno, ali svaka čast fizičarima, recimo da nisu bili na gubitku - sada grupa profesora Schwaba smišlja kako primijeniti otkriveni efekt na rashladne elektroničke sklopove.

Smrzavanje čestica

Kao što znate, nestabilne radioaktivne čestice raspadaju se u svijetu ne samo radi pokusa na mačkama, već i same od sebe. Štoviše, svaku česticu karakterizira prosječni životni vijek, koji se, pokazalo se, može povećati pod pogledom promatrača.

Ovaj kvantni učinak prvi je put predviđen još 1960-ih, a njegova briljantna eksperimentalna potvrda pojavila se u radu koji je 2006. objavila skupina nobelovac doktor fizike Wolfgang Ketterle s Tehnološkog instituta Massachusetts.

U ovom radu proučavali smo raspad nestabilnih pobuđenih atoma rubidija (raspad na atome rubidija u osnovnom stanju i fotone). Odmah nakon pripreme sustava počelo se uočavati pobuđivanje atoma – osvjetljavali su ih laserskom zrakom. U ovom slučaju, promatranje je provedeno u dva načina: kontinuirano (mali svjetlosni impulsi stalno se unose u sustav) i pulsirajuće (sustav se s vremena na vrijeme ozračuje jačim impulsima).

Dobiveni rezultati izvrsno se slažu s teorijskim predviđanjima. Vanjski svjetlosni efekti stvarno usporavaju raspad čestica, kao da ih vraćaju u prvobitno stanje, daleko od raspada. U ovom slučaju, veličina učinka za dva proučavana režima također se podudara s predviđanjima. A maksimalni vijek nestabilnih pobuđenih atoma rubidija produljen je 30 puta.

Kvantna mehanika i svijest

Elektroni i fulereni prestaju pokazivati ​​svoja valna svojstva, aluminijske ploče se hlade, a nestabilne čestice smrzavaju u raspadu: pod svemoćnim pogledom promatrača svijet se mijenja. Što nije dokaz uključenosti našeg uma u rad svijeta oko nas? Možda su Carl Jung i Wolfgang Pauli (austrijski fizičar, nobelovac, jedan od pionira kvantne mehanike) bili u pravu kada su rekli da zakone fizike i svijesti treba smatrati komplementarnima?

Ali tako ostaje samo jedan korak do spoznaje dužnosti: cijeli svijet oko nas je bit našeg uma. Jeziv? (“Zar stvarno mislite da Mjesec postoji samo kad ga gledate?” Einstein je komentirao principe kvantne mehanike). Onda se opet pokušajmo okrenuti fizičarima. Štoviše, u posljednjih godina sve manje im je draga kopenhaška interpretacija kvantne mehanike s misterioznim kolapsom funkcijskog vala, koji se zamjenjuje drugim, sasvim svakodnevnim i pouzdanim terminom - dekoherencijom.

Evo o čemu se radi – u svim opisanim eksperimentima s promatranjem eksperimentatori su neizbježno utjecali na sustav. Osvijetljena je laserom, postavljeni su mjerni instrumenti. A ovo je opće, vrlo važno načelo: ne možete promatrati sustav, mjeriti njegova svojstva bez interakcije s njim. A gdje postoji interakcija, postoji i promjena svojstava. Pogotovo kada kolos kvantnih objekata stupa u interakciju sa sićušnim kvantnim sustavom. Dakle, vječna, budistička neutralnost promatrača je nemoguća.

Upravo to objašnjava pojam "dekoherencije" - nepovratan proces sa stajališta narušavanja kvantnih svojstava sustava u interakciji s drugim, velikim sustavom. Tijekom takve interakcije kvantni sustav gubi svoje izvorne značajke i postaje klasičan, "pokorava" se velikom sustavu. To objašnjava paradoks sa Schrödingerovom mačkom: mačka je toliko velik sustav da se jednostavno ne može izolirati od svijeta. Sama postavka misaonog eksperimenta nije sasvim točna.

U svakom slučaju, u usporedbi sa stvarnošću kao činom stvaranja svijesti, dekoherencija zvuči mnogo smirenije. Možda čak i previše miran. Uostalom, ovim pristupom cijeli klasični svijet postaje jedan veliki efekt dekoherencije. A prema autorima jedne od najozbiljnijih knjiga u ovom području, iz ovakvih pristupa logično proizlaze i izjave poput “nema čestica u svijetu” ili “nema vremena na fundamentalnoj razini”.

Kreativni promatrač ili svemoćna dekoherencija? Morate birati između dva zla. Ali upamtite - sada znanstvenici postaju sve više i više uvjereni da vrlo ozloglašeni kvantni učinci leže u osnovi naših misaonih procesa. Dakle, gdje prestaje promatranje i počinje stvarnost - svatko od nas mora izabrati.