마리나 플라이기나

연구 단기 프로젝트

실험 - 양파의 성장 관찰

주제의 관련성

관련 활동 실험과 관찰, 사고 발달 (분석 및 합성 작업, 비교, 일반화 및 결론 도출 능력, 기억력, 상상력, 주의력)에서 아동의 정신 영역 발달에 중요한 역할을합니다.

또한 아이는 조심하는 법을 배우고 세부 사항에주의를 기울이고 큰 그림을 놓치지 않습니다.

아이들은 그러한 활동에 큰 관심을 가지고 있으며 독립적인 경향이 있습니다. 관찰생물을 위해.

값 실험과 관찰아이의인지 영역의 발달을 위해 오랫동안 입증되었습니다!

관찰의도적 인식이고 복잡하다. 인지 과정. 어린이와 교육자의 공동 활동을 기반으로 어린이의 사고와 언어를 발전시키는 특정 지식이 형성됩니다.

우리의 관찰은 실험과 결합된다, 길 것입니다. 긴 관찰필수 도면이 필요합니다 (다이어리)그리고 각 스테이지 고정 사진들 관찰.

우리는 4개의 동일한 전구를 선택하고 다른 조건에 배치합니다.

첫날 관찰

구근이 부드럽고 단단하다는 사실에 아이들의 관심을 끌었습니다.

질문: 식물이 필요로 하는 것 성장?

(물, 열 및 빛)

각각 자연 현상당신의 선택 상징: 물 - 파란색 원, 열 - 빨간색, 밝은 - 노란색

첫 번째 양파는 파란색, 빨간색, 노란색 원이 있는 병에 넣었습니다. 모든 조건은 그녀를 위해 만들어졌습니다 성장.

두 번째 양파는 빨간색과 파란색 원이 있는 병에 넣었습니다. 검은색 원으로 빛이 없음을 표시했습니다. 그들은 불투명 한 검은 종이로 만든 모자로 그것을 덮었습니다.

세 번째 양파는 물이 없는 병에 담았지만 따뜻하고 가벼웠습니다. 항아리에 흰색 원이 붙여졌습니다-물 부족. 빨간색은 열의 존재이고 노란색은 빛의 존재입니다.

네 번째 양파는 모든 것이 사라진 냉장고에 보관되었습니다. 자연 조건감기만 빼고. 그녀는 열, 빛, 물이 없습니다.

첫날 실험, 만든 스케치 루크, 그리고 사진.

일곱째 날 관찰

7일 후, 어린이들에게 구근을 살펴보고 알아내도록 권유하십시오.

이후 어떤 변화가 있었는지 그들을:

1번째 전구

물이 적었습니다.

작은 뿌리가 나타났습니다.

두 번째 전구

물이 더러워졌습니다.

3 - 전구

항아리 바닥에 작은 물방울이 나타났습니다.

4번째 전구

변경 사항이 없습니다.

열일곱 번째 날 관찰

1번째 전구

잎이 키가 커졌다

뿌리가 커졌다

물이 적다

두 번째 전구

물이 더럽다

불쾌한 냄새가 났다

뿌리가 없다

녹색 잎 없음

3 - 전구

작은 잎이 나타났다

뿌리가 자랐다

항아리 바닥의 물방울

4번째 전구

변경사항이 없습니다.

스물일곱 번째 날 관찰

27일 후 우리는 다음을 봅니다. 변화:

1번째 전구

좋은 녹색 콩나물어느 것이 있어야 루크

강하고 긴 뿌리, 그들은 많은 물을 마셨다

화살표 양파가 튼튼하게 자랐다, 녹색과 육즙

두 번째 전구

뿌리는 자랐으나 약하다.

화살표가 있지만 창백하고 작고 노란색입니다.

세 번째 전구

뿌리가 나타나지 않았다

싹이 나지 않았다

전구가 부드럽고 무기력 해졌습니다.

물이 더럽고 냄새가 심함

4번째 전구

변경 사항이 없습니다.

결론:

을 위한 식물 성장알맞게 자라서 열매를 맺으려면 필요한: 빛, 열 및 물.

그러나 야채, 특히 양파가 상하지 않고 잘 보관되기 위해서는 차가움이 필요합니다. 이것은 냉장고에서 전혀 변경되지 않고 완벽하게 보존 된 마지막 양파로 우리에게 보여졌습니다.

녹색의 유용성 루크

우리에게 양파는 가장 흔한 야채이지만 그 구성은 동일하지 않습니다. 보이는 것처럼 간단하다.

녹색 양파는 바이러스 감염으로부터 보호합니다. 파 샐러드 감기와 독감. 깃털 루크혈액 형성에 유용합니다.

신선한 채소 식욕을 돋우는 양파모든 요리를 더욱 매력적으로 만들어줍니다. 녹색 속성 루크소화 및 음식 동화 과정에 기여합니다.

파는 각기, 힘의 상실, 졸음, 현기증, 봄 피로에 유용합니다.

파는 다른 채소보다 더 많은 아연을 함유하고 있습니다. 이 요소가 부족하면 탈모와 부서지기 쉬운 손톱이 발생할 수 있습니다. 또한 아연은 면역 형성에 관여합니다. 파에는 심장 근육과 혈관벽을 강화하는 물질이 포함되어 있어 코어와 단지약한 사람들은 그것에주의를 기울여야합니다.

양파는 칼슘과 인이 풍부하여 치아 상태에 매우 유익합니다.

양파는 가능한 한 신선하게 먹는 것이 좋습니다. 샐러드, 계절 수프, 양배추 수프, 보르시, okroshka, 야채 조림, 으깬 감자를 뿌리거나 삶은 새 감자에 추가하십시오. 소개 루크접시에 비타민을 공급하고 맛을 향상시킵니다. 게다가, 파특히 사탕무, 당근, 토마토, 감자와 같은 야채와 함께 요리의 외관을 향상시킵니다. 샐러드, 다양한 애피타이저, 첫 번째 및 두 번째 고기, 생선 및 야채 요리를 장식하는 데 사용됩니다.

파는 일년 내내, 특히 겨울과 초봄에 인체에 필요합니다.

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문제 23.1.3.자석이 남극이 있는 고리를 통해 고리로 끌면 두 번째는 북쪽입니다.

다음 중 어느 경우에 링에 전류가 흐르고, 둘 다라면 전류의 방향이 같습니까?

문제 23.1.4. 금속 링은 영구 자석 옆에 있습니다(그림 참조). 이 경우 링에 유도 전류가 있습니까?

문제 23.1.5. 두 개의 프레임이 균일한 자기장에서 회전합니다. 어떤 경우에 루프에서 유도 전류가 발생합니까?

문제 23.1.6. 운반하는 직선 도체 옆에 전기, 정사각형 전도성 프레임이 있습니다. 어느 시점에서 프레임이 움직이기 시작합니다. 어떤 방향의 프레임 이동(그림 참조)에서 전류가 발생합니까?

문제 23.1.7.영구 자석은 다음과 같은 방법으로 금속 링을 통해 끌립니다. 2초 동안 자석은 먼 거리에서 가져와 링에 삽입됩니다. 다음 2초 동안 자석은 링 내부에서 움직이지 않고 다음 2초 동안 남아 있습니다. 그것은 링에서 제거되어 먼 거리로 옮겨집니다. 고리에 전류가 흐르는 시간 간격은?

문제 23.1.9.전자기 유도를 관찰하는 실험에서 한 면이 있는 가는 와이어로 만든 사각형 프레임을 프레임 평면에 수직인 균일한 자기장에 놓습니다. 필드 유도는 값에서 값으로 균일하게 증가합니다. 프레임의 측면을 두 배로 늘려 실험을 반복합니다. 이 경우 프레임에서 발생하는 유도 기전력은 어떻게 변합니까?

저널에 실린 기사에서 네이처 커뮤니케이션즈, 1년 전 이론가들이 기술하고 양자 체셔 고양이라고 불리는 호기심 많은 양자 상태의 실험적 실현을 보고합니다. "체셔 고양이"의 역할은 중성자가 맡았고 중성자의 회전이 미소 역할을했습니다. 수행 된 측정은 언뜻보기에 역설적 인 그림을 그립니다. 장치 내부의 중성자는 하나의 궤적을 따라 이동하고 중성자 자체가없는 중성자의 스핀입니다! - 반면에. 그러나이 실험에서 정확히 무슨 일이 일어나는지주의 깊게 읽으면이 상황의 눈부신 역설적 특성이 사라집니다.

양자 역학의 역설

양자 효과에 대한 대중적인 과학 이야기는 종종 역설에 의해 강조되는 과도한 선정주의로 죄를 짓습니다. 종종 이 인위적으로 부풀려진 역설은 양자역학을 진정으로 이해하는 사람은 아무도 없다는 리처드 파인만(Richard Feynman)의 말에 의해 강화됩니다. 이러한 인용문은 특히 물리학자 자신이 양자 실험에서 얻은 결과를 이해하지 못한다는 인상을 강화합니다. 물론 이것은 사실이 아닙니다. 양자 세계의 법칙은 일상적인 직관의 관점에서 볼 때 매우 이례적이며 여기서 벗어날 수 없습니다. 그러나 이것은 그것이 아무리 거칠고 사물의 논리에 반대되는 것처럼 보일지라도 양자 세계에서 어떤 기이함이 실현된다는 것을 전혀 의미하지 않습니다. 양자 법칙은 수학적으로 일관성이 있으며, 이를 사용하면 다양한 "양자 역설"이 일상적인 관점에서 역설입니다! -완전히 풀려 있습니다.

어느날 잡지에서 네이처 커뮤니케이션즈다음과 같은 인상적인 제목으로 출판되었습니다. 물질파를 이용한 간섭계 실험에서 양자 체셔 고양이 관찰". 이 기사는 양자 입자의 특이한 특성을 입증하기 위해 1년 전에 제안된 실험의 구현에 대해 보고합니다("양자 체셔 고양이"라는 용어는 2013년 해당 기사에서 유래됨).

눈길을 끄는 용어는 새로운 기사에 대한 수많은 언론 보도를 보장했습니다. 그들 중 일부는 현상의 본질을 다시 말하려는 정직한 시도까지 했습니다. 요컨대, 중성자 실험에서 물리학자들은 물질적 본질에서 중성자의 일부 속성을 분리했습니다. 마치 중성자가 하나의 경로를 따라 설비에서 움직이는 것처럼 모든 것이 밝혀졌으며 그 특성은 완전히 달랐습니다. 입자 자체가 존재하지 않는 경로를 따라. 물론 이것은 역설적으로 들리며 즉시 "어떻게 이럴 수 있습니까?"라는 질문을 제기합니다. 그러나 이러한 자연스러운 질문에 대부분의 노트는 설명할 수 없는 대답을 묵묵히 제시했습니다. "그래, 그런 기적은 양자 세계에서 일어난다."

이 노트의 목적은 실험 작업의 세부 사항에 대해 말하는 것이 아니라 인위적으로 왜곡된 역설에서 현상의 실제 본질을 분리하는 것입니다. 이를 이해하기 위해 대학에서 전문가가 되거나 양자역학을 "수강"할 필요는 없습니다. 여기서는 인기 있는 과학 자료에 대한 피상적인 지식과 약간의 논리만 있으면 충분합니다.

두 가지 기본적인 양자 사실

두 가지 기본 사실부터 시작하겠습니다. 첫째, 양자 입자는 동시에 다른 장소에 있을 수 있습니다. 이것은 일반적으로 두 개의 슬릿을 통해 동시에 날아가 화면에 간섭 패턴을 형성하는 전자 간섭의 예로 설명됩니다(예를 들어, Feynman Lectures on Physics의 해당 장 참조). 논의 중인 기사에서 방금 사용된 장치인 Mach-Zehnder 간섭계(그림 2)로 이를 설명하겠습니다.

입자(광자, 전자, 중성자 등)가 장치로 날아가고 입구에 있는 반투명 거울에 의해 두 개의 "하이포스타제"로 분할된 다음 두 개의 다른 경로를 따라 날아가고 마지막으로 수신 장치에서 다시 재결합됩니다. 장치. 우리는 강조합니다. 전자 빔이나 광선이 반으로 나뉘는 것이 아니라 각 전자 또는 광자가 한 번에 두 경로를 따라 이동합니다. 당신은 물리적으로 중간에 설 수 있으며, 그러면 각 전자는 동시에 양쪽에서 당신 주위를 돌 것입니다. 매우 이례적인 일이지만 그것이 바로 마이크로월드가 작동하는 방식입니다.

동시에 두 개의 다른 경로를 취하는 전자가 한 예입니다. 중첩주. 양자 역학의 법칙에 따르면 전자가 A 상태 또는 B 상태에 있을 수 있다면 A + B 상태, 즉 동시에 거기에 존재할 수도 있습니다. 이러한 상태 A와 B는 간섭계의 두 경로이거나 광자의 두 편광이거나 상관 관계가 있는 조합(이 경우 이러한 양을 양자 얽힘이라고 함) 또는 다른 것일 수 있습니다. 중첩의 극단적인 경우도 널리 알려져 있습니다. 소위 슈뢰딩거의 고양이(체셔 고양이와 혼동하지 말 것!)는 물질은 아니지만 다광자이지만 실험적으로 관찰되었습니다.

둘째, 입자의 어떤 특성을 측정하는 과정은 입자의 단순한 양자 운동과는 완전히 다른 방식으로 양자역학에서 기술된다. 바로 그 측정 행위가 양자 상태를 근본적으로 "손상"시킵니다. 측정 결과 감지 장치가 전환될 뿐만 아니라 양자 상태 자체가 극적으로 변하고 붕괴됩니다(가장 간단한 설명은 Quantum Sutra 참고, 조금 더 심각하게는 Feynman 물리학 강의 또는 책 양자 역학을 이해하는 방법).

간섭계의 예에서 이를 확인하는 방법은 무엇입니까? 초기 간섭계에 입자 스트림을 시작하면 끝의 센서가 개수를 계산합니다. 입자의 초기 상태를 상위 경로와 하위 경로의 중첩이라고 합니다. 이제 측정을 해봅시다. 입자가 더 낮은 경로를 따라 가는지 확인합니다. 위쪽 경로에 불투명한 벽을 놓고 센서 판독값을 살펴보겠습니다. 샘플링 주파수가 감소했습니다(그림 3). 센서가 트리거될 때마다 특정 입자가 바닥에 떨어졌음을 나타냅니다. 낮추다그러나 모든 입자가 이러한 방식으로 포착되는 것은 아닙니다. 유사하게, 입자가 상위 경로를 따라 가는지 여부를 확인하기 위해 실험을 설정할 수 있습니다. 그것은 비슷한 결과를 줄 것입니다.

그러나 측정 행위 자체, 벽의 존재 자체가 입자의 상태를 변경했습니다. 측정 후 입자는 중첩 상태를 떠났고 이제 보장길을 내려갑니다. 그림의 상단 경로에서 3개의 입자가 사라졌습니다. 그리고 지금이라면 첫 번째 벽 다음에 두 번째 벽을 놓았지만 이미 켜져 있습니다. 낮추다그러면 센서가 조용해집니다. 이것은 우리가 전자의 두 경로를 모두 차단했기 때문에 이해할 수 있지만 첫 번째 측정 후 입자의 상태가 극적으로 변했다는 사실도 설명합니다.

양자 상태의 사후 선택

따라서 입자를 간섭계로 발사하면 양자 상태 Ψ에 따라 특정 확률 진폭으로 한 방향 또는 다른 방향으로 또는 한 번에 둘 다 갈 수 있습니다. 이제 간섭계에 새로운 세부 정보를 추가하겠습니다. 사후 선택, 또는 양자 상태의 "후속 선택". 이를 위해 들어오는 입자의 양자 상태를 분석하는 복잡한 시스템을 출력에 넣습니다. 이 상태가 초기 상태 Ψ와 다를 수 있는 일부 신호 상태 Φ와 정확히 일치하면 입자가 신호 검출기로 날아갑니다(그림 4). 이 상태가 전혀 닮지 않은 경우(수학적 용어로 신호 상태와 직교) 입자는 옆으로 어딘가로 이동하여 검출기로 떨어지지 않습니다.

선택 후 실험에서는 입자를 발사하고 측정하지만 신호 감지기가 트리거되는 경우에만 결과를 고려합니다.. 말하는 간단한 말로, 우리는 입자의 속성을 측정하는 것이 아니라 의식적으로 선입견 하에서 연구, 편향된 샘플에서. 이러한 실험에서 얻은 모든 확률은 절대적인 것이 아니라 조건부이며 사후 선택 조건에서의 확률입니다. 그리고 이것은 우리가 그러한 실험의 결론을 신중하게 공식화하도록 즉시 강요합니다.

양자 체셔 고양이: 1번 시도

이제 2013년 논문에서 제안된 실험에 대해 설명하겠습니다. 이 실험은 이후의 폭로가 아니었다면 양자 체셔 고양이의 발견이라고 불렸을 것입니다. 계산을 반복하고 싶은 분들을 위해 모두 간단하고 기사에 자세히 설명되어 있다고 가정 해 봅시다. 그것들은 양자 역학의 수학적 형식에 익숙한 사람이면 누구나 할 수 있습니다.

광자는 두 경로를 따라 이동하고 수평 선형 편광을 갖는 간섭계의 입력에 공급됩니다. 사후 선택은 광자 상태 Ψ를 특수 중첩으로 선택합니다: (상단 경로 및 수평 편파) + (하단 경로 및 수직 편파). 이제 그러한 실험에서 우리는 두 가지 유형의 측정을 수행합니다. 첫 번째 실험에서는 위에서 설명한 방법에 따라 수행됩니다. 광자가 어떤 경로를 취하는지 확인합니다. 측정 결과는 다음과 같습니다. 위쪽 경로로만 이동합니다(그림 5).

두 번째 실험에서는 특수 플레이트를 사용하여 광자의 원형 편광을 측정합니다(그림 6). 그 결과 하위 경로에서만 0이 아닌 편광이 감지됩니다. 결론: 광자 자체는 상위 경로를 따라 이동하고 편광은 광자와 분리됩니다! - 바닥에.

물론 이 역설은 실제가 아니며 위의 추론에 의해 풀립니다.

첫째, 편광이 기록되는 간섭계의 하부 암에 광자가 전혀 없다고 가정해서는 안됩니다. 그들은 정말로 거기에 있습니다. 첫 번째 유형의 실험에서 측정은 이 광자를 비신호 상태로 바꿉니다. 일부 다른 센서가 이를 등록했을 수 있지만 선택 후 실험에서는 이러한 이벤트를 무시합니다. 이것이 주요 "신비주의"가 사라지는 방법입니다. 편광은 자체적으로 비행하지 않고 광자에 의해 물리적으로 전달되지만 우리는 이를 고려하지 않기로 결정했습니다..

둘째, 광자의 존재를 확인하고 편광을 측정하는 두 가지 유형의 실험은 필연적으로 다음과 같이 수행됩니다. 다른광자, 그리고 동일하지 않습니다. 특정 상태의 광자는 차례로 간섭계로 날아갑니다. 우리는 하위 경로에 있는 첫 번째 광자의 한 가지 특성을 "질문"했습니다. 이로부터 비 신호 상태로 붕괴되었고 두 번째 광자의 또 다른 특성을 "질문"하여 신호 상태로 붕괴되었습니다. 서로 다른 측정에서 서로 다른 광자가 서로 다르게 붕괴된다는 사실에 이상한 것은 없습니다.

명확하게 하기 위해 각 특정 통과 광자에 대해 두 가지 유형의 측정을 동시에 수행할 수 있습니다. 이 경우 결과가 변경되고 (결국 첫 번째 측정 후 광자의 상태가 극적으로 변경됩니다!) 진부한 그림이 나타납니다. 센서는 일부 경로에서 광자를 감지하고 편광을 감지한 경우에만 작동합니다. 같은 길에(그림 7). 따라서 광자의 "완전 심문"은 광자 자체가 물리적으로 비행하는 곳에서 정확히 편광이 비행한다는 것을 보여줍니다. 명백한 역설의 흔적은 남아 있지 않습니다.

양자 체셔 고양이: 시도 2

따라서 양자 체셔 고양이(그림 1)와 유사한 시스템을 만들려는 첫 번째 시도는 흥미로운 결과를 가져오지 못했습니다. 결과에 대한 신중한 논의를 통해 명백한 신비주의가 즉시 사라졌습니다. 2013년 논문에서 제안된 양자 시스템의 새롭고 더 미묘한 속성이 아니라면 이것은 이야기의 끝이 될 것입니다.

그 기사의 저자는 양자역학에서 소위 약한 측정이라고 하는 특별한 유형의 측정이 있다는 것을 상기합니다. 이 측정은 사후 선택 실험에서 정확하게 수행됩니다. 약하게 측정하는 동안 기기는 입자의 측정된 특성을 약간만 감지합니다. 또한 입자의 양자 상태에 약간 영향을 주지만 양자 상태의 붕괴를 절대적으로 보장하지는 않습니다. 단일 약한 측정의 결과로 입자의 상태에 대한 명확한 정보를 얻지는 못하지만 상태 자체는 크게 저하되지 않습니다. 이는 정확도와 충격 강도 사이의 일종의 절충안입니다. 그러나 동일한 입자에 대한 약한 측정이 평균적으로 여러 번 반복되면 연구 중인 양에 대한 다소 명확한 그림이 나타납니다.

이론적 논문에서 수행된 계산은 양자 체셔 고양이가 최종적으로 얻어질 수 있는 것은 약한 측정의 도움으로 정확히 이루어졌다는 것을 보여주었다. 실험 자체는 이전 섹션의 수치처럼 보일 수 있지만 이제 측정값이 희미합니다. 선택 후 실험에서 반복적으로 반복되는 약한 편광 측정은 간섭계의 한쪽 팔에서 0이 아닌 값을 제공하고 다른 쪽에서는 입자의 존재에 대한 동일한 측정을 제공합니다. 그러나 지금은 이미 두 가지 유형의 약한 측정이 가능합니다. 동시에. 더 이상 측정 자체가 원래 상태를 완전히 파괴할 위험이 없습니다. 그러나 우리는 반복합니다. 여기에는 신비주의가 없습니다. 이러한 모든 측정은 절대적인 것이 아니라 조건부이기 때문에 신호 감지기가 트리거되는 조건에서 수행되며 많은 수의 수행 후에 평균적으로 만 얻습니다. 측정.

입력, 출력 및 간섭계 내부에서 중성자 스핀의 조작은 다음과 같은 특수 코일에 의해 수행됩니다. 자기장(그림 8의 ST1, ST2, SR). 투과율이 0.79인 중성자용 반투명판(ABS)을 사용하면 중성자가 두 경로 중 어떤 경로를 택하는지 확인할 수 있습니다(첫 번째 유형의 실험). 스핀을 20도 회전시키는 간섭계 내부의 추가 자기장은 위상판(PS)과 결합하여 스핀 측정을 가능하게 합니다(두 번째 유형의 실험). 출력에는 신호(O-Det)와 테스트(H-Det)라는 두 개의 검출기가 있어 중성자의 적중을 기록합니다. 신호 1은 사후 선택에 사용되며 테스트 1은 중성자 플럭스의 강도를 제어하는 ​​데 사용됩니다.

실험의 주요 결과는 그림 10에 나와 있습니다. 각 시리즈에서 왼쪽 및 오른쪽 그림은 간섭계의 위쪽 및 아래쪽 암에서 수행된 측정값을 보여줍니다. 중심 그림은 빈 간섭계를 사용한 제어 측정입니다. 사진의 위쪽 시리즈는 중성자가 어느 방향으로 가는지 테스트하는 실험이고, 아래쪽 시리즈는 스핀을 측정하는 실험입니다. 첫 번째 실험은 판에서 약한 차단 효과가 관찰되기 때문에 중성자가 상완에만 존재한다는 것을 확실하게 보여줍니다. 두 번째 실험은 관찰된 플레이트의 회전 효과만 있기 때문에 스핀이 팔 아래로만 이동한다는 것을 보여줍니다. 따라서 중성자는 위쪽 팔을 따라 이동하고(사후 선택을 고려하여!) 스핀은 아래쪽 팔에서만 감지됩니다. 그러나 이것은 실제 역설로 이어지지 않습니다.

불행히도 이 실험에서 구현되지 않은 유일한 것은 각 통과 입자에 대한 두 양의 동시 측정이었습니다. 모든 것이 양자 역학적 예측과 수렴하기 때문에 작업의 저자는 이 경우에도 동일한 결과를 얻었을 것이라고 확신합니다. 그러나 명확성을 높이기 위해 그러한 실험을 구현하는 것이 바람직합니다.

후기

신비주의가 사라진 후 자연스러운 질문이 생깁니다. 이것에서 무엇이 유용할 수 있습니까? 새로운 효과? 여기서 두 가지 예를 들 수 있습니다. 첫째, 물리량 자체의 약한 측정을 더 잘 연구하는 데 도움이 될 것입니다. 25년의 실험적 연구에도 불구하고 "약하게 측정된" 양의 물리적 의미는 여전히 논란의 대상입니다. 엄밀히 말하면 "약하게 측정된" 양이 실제를 특징짓는 정도에 대한 합의가 아직 없습니다. 물리적 특성입자.

둘째, 입자의 분극화에 의존하는 미묘한 물리적 효과를 실험적으로 연구하고 싶지만 입자가 전하 또는 기타 특성으로 우리를 방해하는 것을 원하지 않는 상황이 원칙적으로 가능합니다. 자유 입자가 아닌 양자 체셔 고양이가 있는 간섭계 내부에서 이러한 실험을 수행하는 것이 편리할 수 있습니다. 이 경우 사후 선택은 호기심 많은 속임수가 아니라 미묘한 측정에 도입된 오류를 제거하는 데 실제로 도움이 됩니다. 사실인가요, 구체적인 예그러한 실험은 아직 사용할 수 없습니다. 그러나이 주제가 활발히 개발되고 있기 때문에 몇 년 안에 나타날 가능성이 있으며 아마도 새로운 초정밀 측정 기술의 기초가 될 수도 있습니다.

특별한 실증적 연구 방법으로서의 실험의 특징은 연구 중인 현상과 과정에 능동적이고 실질적인 영향을 미칠 수 있는 가능성을 제공한다는 점이다. 여기서 연구자는 현상을 수동적으로 관찰하는 데 국한되지 않고 현상의 자연스러운 과정에 의식적으로 개입합니다. 그는 조사 중인 현상을 일부 외부 요인과 분리하거나 현상이 발생하는 주변 조건을 변경하여 이를 수행할 수 있습니다. 두 경우 모두 테스트 결과가 정확하게 기록되고 제어됩니다.

따라서 연구 중인 과정에 능동적인 영향을 미치는 간단한 관찰을 추가하면 실험이 매우 효과적인 경험적 연구 방법이 됩니다. 이것은 주로 실험과 이론 사이의 긴밀한 연결에 의해 촉진됩니다. "실험"은 I. Prigogine과 I. Stengers가 "진정한 사실에 대한 신뢰할 수 있는 관찰을 의미할 뿐만 아니라 현상 간의 경험적 관계를 탐색할 뿐만 아니라 이론적 개념과 관찰 사이의 체계적인 상호 작용을 의미합니다." 1 .

실험의 아이디어, 수행 계획 및 결과 해석은 관찰 데이터를 검색하고 해석하는 것보다 이론에 훨씬 더 의존합니다.

현재 실험적 방법은 전통적으로 정밀 자연과학으로 분류되는 실험과학(역학, 물리학, 화학 등)뿐만 아니라 야생 동물, 특히 현대적인 물리적 및 화학적 방법연구(유전학, 분자 생물학, 생리학 등).

현대 과학에서 실험 방법은 우리가 이미 알고 있듯이 Galileo에 의해 처음으로 체계적으로 적용되었지만 그것을 사용하려는 개별적인 시도는 고대, 특히 중세 시대에도 볼 수 있습니다.

갈릴레오는 시간이 지남에 따라 공간에서 신체의 기계적 움직임(몸의 낙하, 경사면을 따른 신체의 움직임 및 포탄의 궤적)과 같은 가장 단순한 자연 현상에 대한 연구로 연구를 시작했습니다. 이러한 현상의 명백한 단순성에도 불구하고 그는 과학적 및 이데올로기적인 여러 가지 어려움에 직면했습니다. 후자는 주로 고대로 거슬러 올라가는 자연 현상 연구에 대한 순전히 자연 철학적, 추측 적 접근 방식의 전통과 관련이 있습니다. 따라서 아리스토텔레스 물리학에서는 물체에 힘이 가해질 때만 운동이 일어난다고 인식했습니다. 이 입장은 중세 과학에서 보편적으로 인정되는 것으로 간주되었습니다. 갈릴레오는 처음에 그것에 의문을 제기하고 몸이 정지해 있거나 제복을 입을 것이라고 제안했습니다. 직선 운동외부 힘이 작용할 때까지. 뉴턴 시대 이후로 이 진술은 역학의 제1법칙으로 공식화되었습니다.

관성의 원리를 정당화하기 위해 갈릴레오가 최초로 사용한 것은 주목할 만하다. 정신적인나중에 현대 자연 과학의 다양한 분야에서 휴리스틱 연구 도구로 널리 적용되는 실험입니다. 그 본질은 실제 관찰의 순서를 분석하고 특정 힘이나 요인의 작용이 정신적으로 배제되는 특정 제한 상황으로의 전환에 있습니다. 예를 들어 기계적인 움직임을 관찰할 때 신체에 가해지는 다양한 힘(마찰, 공기 저항 등)의 영향을 점차 줄일 수 있습니다. - 신체가 이동하는 경로가 그에 따라 증가하는지 확인합니다. 극한에서 그러한 모든 힘을 배제할 수 있고 그러한 이상적인 조건 하에서 신체가 무기한 균일하고 직선적으로 움직이거나 정지 상태를 유지할 것이라는 결론에 도달할 수 있습니다.

그러나 갈릴레오의 가장 위대한 업적은 실제 실험의 설정과 그 결과의 수학적 처리와 관련이 있습니다. 그는 신체의 자유 낙하에 대한 실험적 연구에서 뛰어난 결과를 얻었습니다. 그의 멋진 책 "대화와 수학적 증명 ..."에서 갈릴레오는 자유 낙하 물체의 일정한 가속 법칙을 발견하게 된 방법을 자세히 설명합니다. 처음에 그는 전임자 인 Leonardo da Vinci, Benedetti 등과 마찬가지로 떨어지는 신체의 속도가 이동 거리에 비례한다고 믿었습니다. 그러나 나중에 갈릴레오는 실험 1에서 확인되지 않은 결과를 초래하기 때문에 이 가정을 포기했습니다. 따라서 그는 또 다른 가설을 테스트하기로 결정했습니다. 자유 낙하하는 물체의 속도는 낙하 시간에 비례합니다. 신체가 이동한 경로는 낙하 시간의 제곱의 절반에 비례한다는 결과가 나왔고, 이는 특별히 구성된 실험에서 확인되었습니다. 그 당시 시간 측정에 심각한 어려움이 있었기 때문에 갈릴레오는 떨어지는 과정을 늦추기로 결정했습니다. 이를 위해 그는 잘 연마 된 벽이있는 경사 슈트를 따라 청동 공을 굴 렸습니다. 공이 경로의 여러 부분을 통과하는 데 걸리는 시간을 측정함으로써 그는 자유 낙하하는 물체의 가속도가 일정하다는 가정의 정확성을 확인할 수 있었습니다.

당신의 위대한 업적으로 현대 과학실험 덕분에 생각과 경험, 이론과 실천을 유기적으로 연결할 수 있었기 때문입니다. 사실 실험은 자연에 대한 질문입니다. 과학자들은 자연이 그들이 올바르게 제기하는 질문에 답한다고 확신합니다. 따라서 갈릴레오 시대 이후 실험은 인간과 자연 사이의 가장 중요한 대화 수단이자 깊은 비밀을 파고드는 수단이자 실험에서 관찰되는 현상을 지배하는 법칙을 발견하는 수단이 되었습니다.

• Prigozhy I., Stengers I. 혼돈에서 주문하십시오. - M., 1986. - S. 44.
• P. Duhem, A. Crombie, D. Randall은 실험 과학의 출현이 중세 시대에 발생했다고 주장합니다. 논문을 확인하기 위해 그들은 그러한 실험이 XIII-XIV 세기에 수행되었다는 사실을 언급합니다. 파리와 XVI 세기에. 파도바에서.
• Galileo G. 선정 작품: 2권 T 1. - M .: Nauka, 1964. - S. 241-242.
• 참조: Lipson G. 물리학의 위대한 실험. - M., 1972. - S. 12.

세상 어느 누구도 양자 역학을 이해하지 못합니다. 이것이 여러분이 알아야 할 주요 사항입니다. 예, 많은 물리학자들은 법칙을 사용하고 양자 계산을 사용하여 현상을 예측하는 방법을 배웠습니다. 그러나 관찰자의 존재가 시스템의 운명을 결정하고 시스템이 한 국가에 유리한 선택을 하도록 강요하는 이유는 아직 명확하지 않습니다. "이론과 실제"는 결과가 관찰자에 의해 필연적으로 영향을 받는 실험의 예를 선택하고 물질적 현실에서 그러한 의식의 간섭으로 양자역학이 무엇을 할 것인지 알아내려고 노력했습니다.

슈뢰딩거의 고양이

오늘날 양자역학에 대한 많은 해석이 있으며 그 중 가장 인기 있는 것은 여전히 ​​코펜하겐 해석입니다. 주요 규정은 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크가 1920년대에 공식화했습니다. 그리고 코펜하겐 해석의 중심 용어는 파동 함수였습니다. 파동 함수는 양자 시스템이 동시에 상주하는 모든 가능한 상태에 대한 정보를 포함하는 수학적 함수입니다.

코펜하겐 해석에 따르면 관찰만이 시스템의 상태를 정확하게 결정하고 나머지와 구별할 수 있습니다(파동 함수는 특정 상태에서 시스템을 감지할 확률을 수학적으로 계산하는 데 도움이 될 뿐입니다). 우리는 관찰 후에 양자 시스템이 고전적이 된다고 말할 수 있습니다. 즉, 그 중 하나에 찬성하여 한 번에 많은 상태에서 공존하는 것을 즉시 중단합니다.

이 접근 방식에는 항상 반대가 있었지만(예를 들어, Albert Einstein의 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"를 기억하십시오) 계산과 예측의 정확성이 그 대가를 치렀습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 코펜하겐 해석을 지지하는 사람이 점점 줄어들고 있으며, 그 이유 중 가장 작은 이유는 측정 중 파동 함수의 매우 불가사의한 순간 붕괴 때문입니다. 불쌍한 고양이에 대한 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)의 유명한 사고 실험은 이 현상의 부조리함을 보여주기 위해 고안된 것입니다.

그래서 우리는 실험의 내용을 기억합니다. 살아있는 고양이, 독약 앰플, 임의의 순간에 독을 작동시킬 수 있는 메커니즘이 블랙 박스에 배치됩니다. 예를 들어, 하나의 방사성 원자가 붕괴되면 앰풀이 깨집니다. 원자 붕괴의 정확한 시간은 알려져 있지 않습니다. 반감기만 알려져 있습니다: 붕괴가 50%의 확률로 발생하는 시간입니다.

외부 관찰자의 경우 상자 안의 고양이는 한 번에 두 가지 상태로 존재합니다. 모든 것이 잘되면 살아 있거나 부패가 발생하고 앰플이 파손되면 죽었습니다. 이 두 상태는 모두 시간이 지남에 따라 변하는 고양이의 파동 함수로 설명됩니다. 멀어질수록 방사성 붕괴가 이미 발생했을 가능성이 높아집니다. 그러나 상자가 열리자마자 파동함수가 무너지고 우리는 플래이어 실험의 결과를 즉시 보게 된다.

관찰자가 상자를 열 때까지 고양이는 삶과 죽음의 경계에서 영원히 균형을 잡을 것이며 관찰자의 행동만이 그의 운명을 결정할 것입니다. 이것이 슈뢰딩거가 지적한 부조리이다.

전자 회절

The New York Times가 실시한 주요 물리학자들의 설문 조사에 따르면 Klaus Jenson이 1961년에 시작한 전자 회절 실험은 과학 역사상 가장 아름다운 실험 중 하나가 되었습니다. 그 본질은 무엇입니까?

스크린 사진 판을 향해 전자의 흐름을 방출하는 소스가 있습니다. 그리고 이러한 전자의 길에는 두 개의 슬릿이 있는 구리판이라는 장애물이 있습니다. 전자를 작은 전하를 띤 공으로 나타내면 화면에 어떤 그림이 나타날 수 있습니까? 슬릿 반대편에 두 개의 조명 밴드.

실제로는 흑백 줄무늬가 번갈아 나타나는 훨씬 더 복잡한 패턴이 화면에 나타납니다. 사실 슬릿을 통과 할 때 전자는 입자처럼 행동하지 않고 파동처럼 행동하기 시작합니다 (광자, 빛의 입자가 동시에 파동이 될 수 있음). 그러면 이 파동은 공간에서 상호 작용하여 어디선가 서로 약해지고 어디선가 서로 강화되어 결과적으로 복잡한 그림밝은 줄무늬와 어두운 줄무늬가 번갈아 나타납니다.

이 경우 실험 결과는 달라지지 않으며 전자가 연속적인 흐름이 아닌 슬릿을 통해 하나씩 통과하면 하나의 입자도 동시에 파동이 될 수 있습니다. 하나의 전자도 동시에 두 개의 슬릿을 통과할 수 있습니다(그리고 이것은 양자 역학에 대한 코펜하겐 해석의 또 다른 중요한 조항입니다. 물체는 "일반적인" 물질 속성과 이국적인 파동 속성을 동시에 표시할 수 있습니다).

그러나 관찰자는 어떻습니까? 그와 함께 이미 복잡한 이야기가 더욱 복잡해 졌다는 사실에도 불구하고. 그러한 실험에서 물리학자들이 전자가 실제로 통과하는 슬릿을 도구의 도움으로 고정하려고 시도했을 때 화면의 그림은 극적으로 바뀌었고 "클래식"이 되었습니다.

전자는 관찰자의 시선 아래에서 자신의 파동 특성을 보여주고 싶어하지 않는 것 같습니다. 단순하고 이해하기 쉬운 그림을 보려는 그의 본능적 욕구에 적응했습니다. 미스틱? 훨씬 간단한 설명이 있습니다. 시스템에 대한 물리적 영향 없이는 시스템을 관찰할 수 없습니다. 그러나 우리는 이것에 대해 조금 후에 돌아올 것입니다.

가열 풀러렌

입자 회절에 대한 실험은 전자뿐만 아니라 훨씬 더 큰 물체에서도 수행되었습니다. 예를 들어, 풀러렌은 10개의 탄소 원자로 구성된 크고 닫힌 분자입니다(예를 들어, 60개의 탄소 원자로 구성된 풀러렌은 모양이 축구공과 매우 유사합니다: 5개의 육각형으로 꿰매어진 속이 빈 구).

최근 자일링거 교수가 이끄는 빈 대학의 한 그룹은 그러한 실험에 관찰 요소를 도입하려고 시도했습니다. 이를 위해 그들은 움직이는 풀러렌 분자에 레이저 빔을 조사했습니다. 그 후 외부 영향에 의해 가열되어 분자가 빛나기 시작하여 필연적으로 관찰자를 위해 공간에서 자신의 위치를 ​​밝혔습니다.

이러한 혁신과 함께 분자의 거동도 변경되었습니다. 전체 감시가 시작되기 전에 풀러렌은 성공적으로 장애물을 피했습니다. 파동 특성) 불투명 스크린을 통과하는 이전 예의 전자와 같습니다. 그러나 나중에 관찰자의 출현으로 풀러렌은 진정되고 완전히 법을 준수하는 물질 입자처럼 행동하기 시작했습니다.

냉각 차원

양자 세계에서 가장 유명한 법칙 중 하나는 하이젠베르크의 불확정성 원리입니다. 양자 물체의 위치와 속도를 동시에 결정하는 것은 불가능합니다. 입자의 운동량을 더 정확하게 측정할수록 입자의 위치를 ​​덜 정확하게 측정할 수 있습니다. 그러나 작은 입자 수준에서 작동하는 양자 법칙의 작동은 일반적으로 큰 매크로 물체의 세계에서는 감지할 수 없습니다.

따라서 미국 Schwab 교수 그룹의 최근 실험은 양자 효과동일한 전자 또는 풀러렌 분자 수준(특성 직경은 약 1nm)이 아니라 약간 더 유형적인 물체인 작은 알루미늄 스트립에서 시연되었습니다.

이 스트립은 중간이 매달린 상태에 있고 외부 영향으로 진동할 수 있도록 양쪽에 고정되었습니다. 또한 스트립 옆에는 높은 정확도로 위치를 기록할 수 있는 장치가 있습니다.

그 결과 실험자들은 두 가지 흥미로운 효과를 발견했습니다. 첫째, 물체의 위치 측정, 스트립 관찰은 추적 없이는 통과하지 못했습니다. 각 측정 후 스트립의 위치가 변경되었습니다. 대략적으로 말하면 실험자들은 스트립의 좌표를 매우 정확하게 결정하여 Heisenberg 원리에 따라 속도와 후속 위치를 변경했습니다.

둘째, 이미 예상하지 못한 결과로 일부 측정 결과 스트립이 냉각되었습니다. 관찰자는 자신의 존재에 의해서만 물체의 물리적 특성을 변경할 수 있음이 밝혀졌습니다. 그것은 절대적으로 놀랍게 들리지만 물리학 자의 신용에 대해 그들이 손실되지 않았다고 가정 해 봅시다. 이제 Schwab 교수 그룹은 발견 된 효과를 전자 회로 냉각에 적용하는 방법을 생각하고 있습니다.

동결 입자

아시다시피 불안정한 방사성 입자는 고양이 실험을 위해서뿐만 아니라 그 자체로도 세계에서 붕괴됩니다. 또한 각 입자는 평균 수명을 특징으로 하며 관찰자의 시선 아래에서 증가할 수 있음이 밝혀졌습니다.

이 양자 효과는 1960년대에 처음으로 예측되었으며, 2006년 그룹에서 발표한 논문에서 뛰어난 실험적 확인이 나타났습니다. 노벨상 수상자 Massachusetts Institute of Technology의 Wolfgang Ketterle 물리학 박사.

이 작업에서 우리는 불안정한 여기 루비듐 원자의 붕괴(바닥 상태 및 광자에서 루비듐 원자로의 붕괴)를 연구했습니다. 시스템 준비 직후 원자의 여기가 관찰되기 시작했습니다. 레이저 빔으로 조명되었습니다. 이 경우 관찰은 연속(작은 광 펄스가 시스템에 지속적으로 공급됨) 및 펄스(시스템이 때때로 더 강력한 펄스로 조사됨)의 두 가지 모드로 수행되었습니다.

얻은 결과는 이론적 예측과 매우 일치합니다. 외부 조명 효과는 마치 입자를 부패 상태에서 멀리 떨어진 원래 상태로 되돌리는 것처럼 입자의 부패를 정말 늦춥니다. 이 경우 두 연구 체제에 대한 효과의 크기도 예측과 일치합니다. 그리고 불안정하게 여기된 루비듐 원자의 최대 수명은 30배 연장되었습니다.

양자역학과 의식

전자와 풀러렌은 파동 특성을 나타내지 않고, 알루미늄 판은 식고, 불안정한 입자는 붕괴하면서 동결됩니다. 관찰자의 전능한 시선 아래 세상은 변하고 있습니다. 세상의 일에 우리 마음이 관여하고 있다는 증거가 아닌 것은 무엇입니까? 그렇다면 칼 융과 볼프강 파울리(오스트리아 물리학자, 노벨상 수상자, 양자역학의 선구자 중 한 명)가 물리 법칙과 의식 법칙을 상호보완적으로 고려해야 한다고 말한 것이 옳았을까요?

그러나 의무 인식에는 한 단계만 남았습니다. 전 세계가 우리 마음의 본질입니다. 소름? (“당신은 정말로 달이 당신이 그것을 볼 때만 존재한다고 생각합니까?” 아인슈타인은 양자 역학의 원리에 대해 언급했습니다.) 그런 다음 물리학자를 다시 살펴 보겠습니다. 게다가, 지난 몇 년그들은 함수 파동의 불가사의한 붕괴와 함께 양자 역학의 코펜하겐 해석을 점점 더 좋아하지 않습니다. 이 파동은 매우 평범하고 신뢰할 수 있는 또 다른 용어인 결어긋남으로 대체되고 있습니다.

관찰과 함께 설명된 모든 실험에서 실험자들은 필연적으로 시스템에 영향을 미쳤습니다. 그것은 레이저로 조명되었고 측정 장비가 설치되었습니다. 그리고 이것은 일반적이고 매우 중요한 원칙입니다. 시스템과 상호 작용하지 않고는 시스템을 관찰하거나 속성을 측정할 수 없습니다. 그리고 상호 작용이 있는 곳에 속성의 변화가 있습니다. 특히 거대한 양자 물체가 작은 양자 시스템과 상호 작용할 때. 따라서 관찰자의 영원한 불교적 중립성은 불가능합니다.

이것이 바로 "디코히어런스(decoherence)"라는 용어를 설명하는 것입니다. 시스템이 다른 대규모 시스템과 상호 작용할 때 시스템의 양자 속성을 위반한다는 관점에서 볼 때 돌이킬 수 없는 프로세스입니다. 이러한 상호 작용 중에 양자 시스템은 원래 기능을 잃고 고전적이 되어 큰 시스템에 "복종"합니다. 이것은 Schrödinger의 고양이에 대한 역설을 설명합니다. 고양이는 단순히 세상에서 분리될 수 없는 거대한 시스템입니다. 사고 실험의 설정 자체가 완전히 정확하지 않습니다.

어쨌든 의식 생성 행위로서의 현실과 비교할 때 결 어긋남은 훨씬 더 차분하게 들립니다. 너무 차분할 수도 있습니다. 결국, 이 접근 방식을 사용하면 전체 고전 세계가 하나의 큰 결어긋남 효과가 됩니다. 그리고 이 분야에서 가장 진지한 책 중 하나의 저자에 따르면 "세상에는 입자가 없다" 또는 "근본적인 수준에서 시간이 없다"와 같은 진술도 논리적으로 이러한 접근 방식에서 따릅니다.

창조적 관찰자인가, 전능한 결맞음인가? 두 가지 악 중에서 선택해야 합니다. 그러나 기억하십시오. 이제 과학자들은 매우 악명 높은 양자 효과가 우리의 사고 과정의 기초가 된다는 것을 점점 더 확신하고 있습니다. 따라서 관찰이 끝나고 현실이 시작되는 곳 - 우리 각자가 선택해야 합니다.