Зарождение квантовой теории. Фотоэффект

Цели урока:

Образовательные: сформировать у учащихся представление о фотоэффекте и изучить его законы, которым он подчиняется; проверить законы фотоэффекта с помощью виртуального эксперимента.

Развивающие: развивать логическое мышление.

Воспитательные: воспитание коммуникабельности (умения общаться), внимания, активности, чувство ответственности, привитие интереса к предмету.

Ход урока

I. Организационный момент.

– Тема сегодняшнего урока “Фотоэффект”.

При рассмотрении этой интересной темы мы продолжаем изучать раздел “Квантовая физика”, постараемся выяснить какое действие оказывает свет на вещество и от чего зависит это действие. Но сначала мы повторим материал, пройденный на прошлом уроке, без которого сложно разобраться в тонкостях фотоэффекта. На прошлом уроке мы рассмотрели гипотезу Планка.

Как называется минимальное количество энергии, которое может излучать и поглощать система? (квант)

Кто впервые вводит в науку понятие «квант энергии»? (М.Планк)

Объяснение, какой экспериментальной зависимости способствовало зарождению квантовой физики? (закон излучения разогретых твёрдых тел)

Какого цвета мы видим абсолютно чёрное тело? (любого цвета в зависимости от температуры)

III. Изучение нового материала

В начале 20в зародилась квантовая теория – теория движения и взаимодействия элементарных частиц и состоящих из них систем.

Для объяснения закономерностей теплового излучения М.Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждой такой порции определяется формулой E = h , где
- постоянная Планка; v -частота световой волны.

Еще одним подтверждением правильности квантовой теории было объяснение Альбертом Эйнштейном в 1905г. явление фотоэффекта.

Фотоэффект – явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света.

Виды ФОТОЭФФЕКТА:

1. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах, а также в газах.

2. Внутренний фотоэффект – это вызывание электромагнитным излучением переходы электронов внутри проводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

3. Вентильный фотоэффект – возникновение фото - э.д.с. при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон ), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Исследование фотоэффекта.

Первые опыты по фотоэффекту были начаты Столетовым уже в феврале 1888 года.

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U , полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны?. При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения.

Законы фотоэффекта

Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.

максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Для каждого вещества существует минимальная частота сета, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.

Согласно гипотезе М. Планка, электромагнитная волна состоит из отдельных фотонов и излучение происходит прерывно – квантами, фотонами. Таким образом, и поглощение света должно происходить также прерывно – фотоны передают свою энергию атомам и молекулам вещества целиком.

– уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

mv 2 /2 = eU 0 – максимальное значение кинетической энергии фотоэлектрона;

– минимальная частота света, при которой возможен фотоэффект;

V max = hc/ Aвых – максимальная частота света, при которой возможен фотоэффект

- красная граница фотоэффекта

- импульс фотона

Беседа с уточнением терминов и понятий.

Явление испускания электронов веществом под действием света, называется…

Число электронов, вырываемых светом с поверхности вещества за 1с, прямо пропорционально…

Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с … и не зависит от …

Для каждого вещества существует наименьшая частота света, при которой еще возможен фотоэффект. Эта частота называется…

Работа, которую нужно совершить для вырывания электронов с поверхности вещества, называется…

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (формулировка)…

IV. Закрепление и обобщение знаний.

Задача 1. Какова наименьшая частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла 3,3*10 -19 Дж?

Задача 2. Определите энергию, массу и импульс фотона, соответствующую наиболее длинным и наиболее коротким волнам видимой части спектра?

Решение:

Задача 3 . Найдите порог фотоэффекта для калия, если работа выхода А =1,32 ЭВ?

Решение:

В уравнение Эйнштейна

Используя выписанные вами формулы, следующие задачи решите самостоятельно.

Работа выхода для материала пластины равна 4эВ. Пластина освещается монохроматическим светом. Какова энергия фотонов падающего света, если максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 2,5эВ?

На пластину из никеля попадает электромагнитное излучение, энергия фотонов которого 8эВ. При этом в результате фотоэффекта из пластины вылетают электроны с максимальной энергией 3эВ. Какова работа выхода электронов из никеля?

Поток фотонов с энергией 12эВ выбивает из металла фотоэлектроны, максимальная кинетическая энергия которых в 2 раза меньше работы выхода. Определите работу выхода для данного металла.

Работа выхода электрона из металла . Найдите максимальную длину волны излучения, которым могут выбиваться электроны.

Определите работу выхода электронов из металла, если красная граница фотоэффекта равна 0,255 мкм.

Для некоторого металла красной границей фотоэффекта является свет с частотой . Определите кинетическую энергии, которую приобретут электроны под действием излучения с длиной волны

Подготовить презентацию на тему «Применение фотоэффекта»

«Тот, кто не был потрясен при первом знакомстве с квантовой теорией, скорее всего, просто ничего не понял». Нильс Бор

Положения квантовой теории настолько ошеломительны, что она больше похожа на научную фантастику.

Частица микромира может находиться в двух и более местах одновременно!

(Один из совсем недавних экспериментов показал, что одна из таких частиц может находиться одновременно в 3000 мест!)

Один и тот же «объект» может быть и локализованной частицей, и энергетической волной, распространяющейся в пространстве.

Эйнштейн выдвинул постулат: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но квантовая физика доказала: субатомные частицы могут обмениваться информацией мгновенно - находясь друг от друга на любом удалении.

Классическая физика была детерминированной: исходя из начальных условий, вроде местоположения и скорости объекта, мы можем рассчитать, куда он будет двигаться. Квантовая физика - вероятностна: мы никогда не можем с абсолютной уверенностью сказать, как поведет себя исследуемый объект.

Классическая физика была механистичной. Она основана на предпосылке: только зная отдельные части объекта, мы в конечном счете можем понять, что он из себя представляет.

Квантовая физика целостна: она рисует картину Вселенной как единого целого, части которого взаимосвязаны и влияют друг на друга.

И, наверно, наиболее важно то, что квантовая физика уничтожила представление о принципиальном различии между субъектом или объектом, наблюдателем и наблюдаемым - а ведь оно властвовало над учёными умами в течение 400 лет!

В квартовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Нет никаких изолированных наблюдателей механической Вселенной - всё принимает участие в её существовании.

ПОТРЯСЕНИЕ №1 - ПУСТОЕ ПРОСТРАНСТВО

Одну из первых трещин в прочной конструкции ньютоновской физики сделало следующее открытие: атомы - эти твёрдые стандартные блоки физической Вселенной! - состоят главным образом из пустого пространства. Насколько пустого? Если увеличить ядро атома водорода до размера баскетбольного мяча, то единственный вращающийся вокруг него электрон будет находиться на расстоянии в тридцать километров, а между ядром и электроном - ничего. Так что глядя вокруг, помните: реальность - это мельчайшие точечки материи, окружённые пустотой.

Впрочем, не совсем так. Эта предполагаемая «пустота» на самом деле не пуста: она содержит колоссальное количество невероятно мощной энергии. мы знаем, что энергия становится всё плотнее по мере перехода на более низкий уровень материи (например, ядерная энергия в миллион раз мощнее химической). Сейчас учёные говорят, что в одном кубическом сантиметре пустого пространства больше энергии, чем во всей материи известной Вселенной. Хотя учёные не смогли измерить её, они видят результаты действия этого моря энергии.

ПОТРЯСЕНИЕ №2 - ЧАСТИЦА, ВОЛНА ИЛИ ВОЛНОЧАСТИЦА?

Мало того, что атом почти сплошь состоит из «пространства» - когда учёные более глубоко исследовали его, обнаружили, что субатомные (составляющие атом) частицы также не сплошные. И, похоже, они имеют двойственную природу. В зависимости от того, как мы их наблюдаем, они могут вести себя или как твёрдые микротела, или как волны.

Частицы - это отдельные твёрдые объекты, занимающие определённое положение в пространстве. А волны не имеют «тела», они не локализованы и распространяются в пространстве.

В качестве волны электрон или фотон (частица света) не имеет точного местоположения, но существует как «поле вероятностей». В состоянии частицы поле вероятностей «схлопывается» (коллапсирует) в твёрдый объект. Его координаты в четырёхмерном пространстве-времени уже можно определить.

Это удивительно, но состояние частицы (волна или твёрдый объект) задаётся актами наблюдения и измерения. Не измеряемые и не наблюдаемые электроны ведут себя подобно волнам. Как только мы подвергаем их наблюдению в процессе эксперимента, они «схлопываются» в твёрдые частицы и могут быть зафиксированы в пространстве.

Но как может быть что-то одновременно и твёрдо частицей и текучей волной? Возможно, парадокс будет разрешён, если мы вспомним то, о чём недавно говорили: частицы ведут себя как волны или как твёрдые объекты. Но понятия «волна» и «частица» - это всего лишь аналогии, взятые из нашего повседневного мира. Понятие волны было введено в квантовую теорию Эрвином Шредингером. Он автор знаменитого «волнового уравнения», которое математически обосновывает существование у твёрдой частицы волновых свойств до акта наблюдения. Некоторые физики - в попытке объяснить то, с чем они никогда не сталкивались и не могут до конца разобраться, - называют субатомные частицы «волночастицами».

ПОТРЯСЕНИЕ №3 - КВАНТОВЫЕ СКАЧКИ И ВЕРОЯТНОСТЬ

Изучая атом, учёные обнаружили: когда электроны, вращаясь вокруг ядра, перемещаются с орбиты на орбиту, они не движутся в пространстве как обычные объекты. Нет, они покрывают расстояние мгновенно. То есть исчезают в одном месте и появляются в другом. Этот феномен назвали квантовым скачком.

Мало того, учёные поняли, что не могут точно определить, где именно на новой орбите появится исчезнувший электрон или в какой момент он будет совершать скачок. Самое большее, что они смогли сделать - рассчитать вероятность (на основании волнового уравнения Шредингера) нового местоположения электрона.

«Реальность, как мы её ощущаем, создаётся в каждый момент времени в совокупности бесчисленных возможностей, - говорит доктор Сатиновер. - Но настоящая тайна - в том, что нет ничего в физической Вселенной, что бы определяло, какая именно возможность из этой совокупности осуществится. Нет процесса, который это устанавливает».

Таким образом, квантовые скачки - единственные по-настоящему случайные события во Вселенной.

ПОТРЯСЕНИЕ №4 - ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ

В классической физике все параметры объекта, включая его пространственные координаты и скорость, могут быть измерены с точностью, ограниченной только возможностями экспериментальных технологий. Но на квантовом уровне всякий раз, когда вы определяете одну количественную характеристику объекта, например скорость, вы не можете получить точных значений других его параметров, например координат. Другими словами: если вы знаете, как быстро объект движется, вы не можете знать, где он находится. И наоборот: если вы знаете, где он находится, не можете знать, с какой скоростью он движется.

Как бы ни изощрялись экспериментаторы, какие бы продвинутые технологии измерений ни использовали - заглянуть за эту завесу им не удаётся.

Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой физики, сформулировал принцип неопределённости. Суть его в следующем: как ни бейся, одновременно невозможно получить точные значения координат и скорости квантового объекта. Чем большей точности мы добиваемся в измерении одного параметра, тем более неопределённым становится другой.

ПОТРЯСЕНИЕ №5 - НЕЛОКАЛЬНОСТЬ, ЭПР-ПАРАДОКС И ТЕОРЕМА БЕЛЛА

Альберт Эйнштейн недолюбливал квантовую физику. Оценивая изложенную в квантовой физике вероятностную природу субатомных процессов, он говорил: «Бог не играет в кости с Вселенной». А вот Нильс Бор ему отвечал: «Перестаньте учить Бога, что ему делать!»

В 1935 году Энштейн и его коллеги Подольский и Розен (ЭПР) попытались нанести поражение квантовой теории. Учёные на основании положений квантовой механики провели мысленный эксперимент и пришли к парадоксальному выводу. (Он должен был показать ущербность квантовой теории). Суть их размышлений такова. Если мы имеем две одновременно возникшие частицы, то это означает, что они взаимосвязаны или находятся в состоянии суперпозиции. Отправим их в разные концы Вселенной. Затем изменим состояние одной из частиц. Тогда, согласно квантовой теории, другая частица мгновенно приходит в то же состояние. Мгновенно! На другом краю мироздания!

Подобная идея была настолько смехотворна, что Эйнштейн саркастически отозвался о ней как о «сверхъестественном дальнодействии». Согласно его теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. А в ЭПР-эксперименте выходило, что скорость обмена информацией между частицами бесконечна! Кроме того, сама мысль, что электрон может «отслеживать» состояние другого электрона на противоположном краю Вселенной, полностью противоречила общепринятым представлениям о реальности, да и вообще здравому смыслу.

Но вот в 1964 году ирландский физик-теоретик Джон Белл сформулировал и доказал теорему, из которой следовало: «смехотворные» выводы из мысленного эксперимента ЭПР - истинны!

Частицы тесно связаны на определённом уровне, выходящем за рамки времени и пространства. Поэтому способны мгновенно обмениваться информацией.

Представление о том, что любой объект Вселенной локален - т.е. существует в каком-то одном месте (точке) пространства - не верно. Все в этом мире нелокально.

Тем не менее этот феномен является действующим законом Вселенной. Шредингер говорил, что взаимосвязь между объектами - не единственный интересный аспект квантовой теории, но важнейший. В 1975 году физик-теоретик Генри Стэпп назвал теорему Белла «самым значительным открытием науки». Обратите внимание, что он говорил о науке, а не только о физике.

(Статья подготовлена по материалам книги У. Арнтц, Б. Чейс, М. Висенте «Кроличья нора, или что мы знаем о себе и Вселенной?», глава «Квантовая физика».)

В 1935 году, когда квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна были очень молоды, не шибко известный советский физик Матвей Бронштейн, будучи в возрасте 28 лет, сделал первое подробное исследование на тему согласования этих двух теорий в квантовой теории гравитации. Эта, «возможно, теория всего мира в целом», как писал Бронштейн, могла бы вытеснить классическое эйнштейново описание гравитации, в котором она видится кривыми в пространственно-временном континууме, и переписать его квантовым языком, как и всю остальную физику.

Бронштейн выяснил, как описать гравитацию в терминах квантованных частиц, теперь называемых гравитонами, но только когда сила гравитации слаба — то есть (в общей теории относительности) когда пространство-время настолько слабо изогнуто, что будет практически плоским. Когда гравитация сильная, «ситуация совершенно другая», писал ученый. «Без глубокого пересмотра классических понятий, кажется практически невозможным представить квантовую теорию гравитации и в этой области».

Его слова были пророческими. Восемьдесят три года спустя, физики все еще пытаются понять, как пространственно-временная кривизна проявляется в макроскопических масштабах, вытекая из более фундаментальной и предположительно квантовой картины гравитации; возможно, это самый глубокий вопрос в физике. Возможно, если бы был шанс, светлая голова Бронштейна ускорила бы процесс этого поиска. Помимо квантовой гравитации, он также сделал вклад в астрофизику и космологию, теорию полупроводников, квантовую электродинамику и написал несколько книжек для детей. В 1938 году он попал под сталинские репрессии и был казнен в возрасте 31 года.

Поиск полной теории квантовой гравитации осложняется тем, что квантовые свойства гравитации никогда не проявляются в реальном опыте. Физики не видят, как нарушается эйнштейново описание гладкого пространственно-временного континуума, либо бронштейново квантовое приближение его в слабо искривленном состоянии.

Проблема заключается в крайней слабости гравитационной силы. В то время как квантованные частицы, передающие сильные, слабые и электромагнитные силы, настолько сильны, что плотно связывают материю в атомы и могут быть исследованы буквально под лупой, гравитоны по отдельности настолько слабые, что у лабораторий нет никаких шансов их обнаружить. Чтобы поймать гравитон с высокой долей вероятности, детектор частиц должен быть настолько большим и массивным, что коллапсирует в черную дыру. Эта слабость объясняет, почему нужны астрономические накопления масс, чтобы оказывать влияние на другие массивные тела посредством гравитации, и почему мы видим гравитационные эффекты на огромных масштабах.

Это не все. Вселенная, по-видимому, подвергается какой-то космической цензуре: области с сильной гравитацией — где пространственно-временные кривые настолько острые, что уравнения Эйнштейна дают сбой, и должна раскрываться квантовая природа гравитации и пространства-времени — всегда прячутся за горизонтами черных дыр.

«Даже несколько лет назад был общий консенсус, что, вероятнее всего, измерить квантование гравитационного поля каким-либо образом невозможно», говорит Игорь Пиковский, физик-теоретик Гарвардского университета.

И вот несколько недавно опубликованных в Physical Review Letters статей изменили положение дел. В этих работах делается заявление, что добраться до квантовой гравитации может быть возможно — даже ничего не зная о ней. Работы, написанные Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона и Кьярой Марлетто и Влатко Ведралом из Оксфордского университета, предлагают технически сложный, но осуществимый эксперимент, который мог бы подтвердить, что гравитация это квантовая сила, как и все остальные, не требуя обнаружения гравитона. Майлз Бленкоу, квантовый физик из Дартмутского колледжа, не принимавший участия в этой работе, говорит, что такой эксперимент мог бы обнаружить четкий след невидимой квантовой гравитации — «улыбку Чеширского Кота».

Предложенный эксперимент определит, могут ли два объекта — группа Бозе планирует использовать пару микроалмазов — стать квантово-механически запутанными между собой в процессе взаимного гравитационного притяжения. Запутанность — это квантовое явление, в котором частицы становятся неразделимо переплетенными, разделяя единое физическое описание, которое определяет их возможные совмещенные состояния. (Сосуществование различных возможных состояний называется «суперпозицией» и определяет квантовую систему). Например, пара запутанных частиц может существовать в суперпозиции, при которой частица А будет с 50-процентной вероятностью вращаться (spin) снизу вверх, а Б — сверху вниз, и с 50-процентной вероятностью наоборот. Никто не знает заранее, какой результат вы получите при измерении направления спина частиц, но вы можете быть уверены в том, что он у них будет одинаков.

Авторы утверждают, что два объекта в предлагаемом эксперименте могут запутаться таким образом лишь в том случае, если сила, действующая между ними, — в данном случае гравитация — будет квантовым взаимодействием, опосредованным гравитонами, которые могут поддерживать квантовые суперпозиции. «Если будет проведен эксперимент и будет получена запутанность, согласно работе, можно сделать вывод, что гравитация квантуется», пояснил Бленкоу.

Запутать алмаз

Квантовая гравитация настолько незаметна, что некоторые ученые усомнились в ее существовании. Известный математик и физик Фримен Дайсон, которому 94 года, с 2001 года утверждает, что вселенная может поддерживать своего рода “дуалистическое” описание, в котором «гравитационное поле, описанное общей теорией относительности Эйнштейна, будет сугубо классическим полем без какого-либо квантового поведения», при этом все вещество в этом гладком пространственно-временном континууме будет квантоваться частицами, которые подчиняются правилам вероятности.

Дайсон, который помогал разрабатывать квантовую электродинамику (теорию взаимодействий между материей и светом) и является почетным профессором Института передовых исследований в Принстоне, Нью-Джерси, не считает, что квантовая гравитация необходима для описания недостижимых недр черных дыр. И он также считает, что обнаружение гипотетического гравитона может быть невозможным в принципе. В таком случае, говорит он, квантовая гравитация будет метафизической, а не физической.

Он не единственный скептик. Известный английский физик сэр Роджер Пенроуз и венгерский ученый Ладжос Диоси независимо предполагали, что пространство-время не может поддерживать суперпозиции. Они считают, что его гладкая, твердая, фундаментально классическая природа препятствует искривлению на два возможных пути одновременно — и именно эта жесткость приводит к коллапсу суперпозиций квантовых систем вроде электронов и фотонов. “Гравитационная декогеренция”, по их мнению, позволяет случиться единой, твердой, классической реальности, которую можно ощущать в макроскопических масштабах.

Возможность найти “улыбку” квантовой гравитации, казалось бы, опровергает аргумент Дайсона. Также она убивает теорию гравитационной декогеренции, показывая, что гравитация и пространство-время действительно поддерживают квантовые суперпозиции.

Предложения Бозе и Марлетто появились одновременно и абсолютно случайно, хотя эксперты отмечают, что они отражают дух времени. Экспериментальные лаборатории квантовой физики по всему миру ставят все более крупные микроскопические объекты в квантовые суперпозиции и оптимизируют протоколы испытаний запутанности двух квантовых систем. Предложенный эксперимент должен будет объединить эти процедуры, требуя при этом дальнейшего улучшения масштаба и чувствительности; возможно, на это уйдет лет десять. «Но физического тупика нет», говорит Пиковский, который также исследует, как лабораторные эксперименты могли бы зондировать гравитационные явления. «Думаю, это сложно, но не невозможно».

Этот план более подробно изложен в работе Бозе и соавторов — одиннадцать экспертов Оушена для разных этапов предложения. Например, в своей лаборатории в Университете Уорика один из соавторов Гэвин Морли работает над первым этапом, пытаясь поместить микроалмаз в квантовую суперпозицию в двух местах. Для этого он заключит атом азота в микроалмазе, рядом с вакансией в структуре алмаза (так называемый NV-центр, или азото-замещенная вакансия в алмазе), и зарядит его микроволновым импульсом. Электрон, вращающийся вокруг NV-центра, одновременно и поглощает свет, и нет, а система переходит в квантовую суперпозицию двух направлений спина — вверх и вниз — подобно волчку, который с определенной вероятностью вращается по часовой стрелке и с определенной — против. Микроалмаз, загруженный этим спином суперпозиции, подвергается воздействию магнитного поля, которое заставляет верхний спин двигаться влево, а нижний — вправо. Сам алмаз расщепляется на суперпозицию двух траекторий.

В полном эксперименте ученые должны сделать все это с двумя алмазами — красным и синим, допустим — расположенными рядом в сверххолодном вакууме. Когда ловушка, удерживающая их, отключится, два микроалмаза, каждый в суперпозиции двух положений, будут падать вертикально в вакууме. По мере падения алмазы будут ощущать гравитацию каждого из них. Насколько сильным будет их гравитационное притяжение?

Если гравитация является квантовым взаимодействием, ответ таков: в зависимости от чего. Каждый компонент суперпозиции синего алмаза будет испытывать более сильное или более слабое притяжение к красному алмазу, в зависимости от того, находится ли последний в ветви суперпозиции, которая ближе или дальше. И гравитация, которую будет ощущать каждый компонент суперпозиции красного алмаза, точно так же зависит от состояния синего алмаза.

В каждом из случаев различные степени гравитационного притяжения воздействуют на эволюционирующие компоненты суперпозиций алмазов. Два алмаза становятся взаимозависимыми, потому что их состояния можно будет определить только в сочетании — если это, значит то — поэтому, в конечном итоге, направления спинов двух систем NV-центров будут коррелировать.

После того как микроалмазы будут падать бок о бок в течение трех секунд, — этого достаточно, чтобы запутаться в гравитациях, — они пройдут через другое магнитное поле, которое снова совместит ветви каждой суперпозиции. Последний шаг эксперимента — протокол «запутанного знания» (entanglement witness), разработанный датским физиком Барбарой Терал и другими: синий и красный алмазы входят в разные устройства, которые измеряют направления спина систем NV-центров. (Измерение приводит к коллапсу суперпозиций в определенные состояния). Затем два результата сопоставляются. Проводя эксперимент снова и снова и сравнивая множество пар измерений спина, ученые могут определить, действительно ли спины двух квантовых систем коррелировали между собой чаще, чем определяет верхний предел для объектов, которые не являются квантово-механически запутанными. Если так, гравитация действительно запутывает алмазы и может поддерживать суперпозиции.

«Что интересно в этом эксперименте, так это то, что вам не нужно знать, что такое квантовая теория», говорит Бленкоу. «Все, что нужно, это утверждать, что есть некий квантовый аспект в этой области, который опосредован силой между двумя частицами».

Технических трудностей — масса. Самый большой объект, который помещали в суперпозицию в двух местах до этого, представлял собой 800-атомную молекулу. Каждый микроалмаз содержит более 100 миллиардов атомов углерода — этого достаточно, чтобы накопить ощутимую гравитационную силу. Распаковка его квантово-механического характера потребует низких температур, глубокого вакуума и точного контроля. «Очень много работы состоит в настройке изначальной суперпозиции и запуске», говорит Питер Баркер, член экспериментальной команды, которая усовершенствует методы лазерного охлаждения и поимки микроалмазов. Если бы это можно было сделать с одним алмазом, добавляет Бозе, «второй не составит проблемы».

В чем уникальность гравитации?

Исследователи квантовой гравитации не сомневаются в том, что гравитация — это квантовое взаимодействие, способное вызывать запутанность. Конечно, гравитация в чем-то уникальна, и еще многое предстоит узнать о происхождении пространства и времени, но квантовая механика точно должна быть вовлечена, говорят ученые. «Ну правда, какой смысл в теории, в которой большая часть физики квантовая, а гравитация классическая», говорит Дэниел Харлоу, исследователь квантовой гравитации в MIT. Теоретические аргументы против смешанных квантово-классических моделей очень сильные (хотя и не неоспоримые).

С другой стороны, теоретики ошибались и прежде. «Если можно проверить, почему нет? Если это заткнет этих людей, которые ставят под вопрос квантовость гравитации, будет здорово», считает Харлоу.

Прочитав работы, Дайсон написал: «Предлагаемый эксперимент безусловно представляет большой интерес и требует проведения в условиях настоящей квантовой системы». Однако он отмечает, что направление мысли авторов о квантовых полях отличаются от его. «Мне непонятно, сможет ли этот эксперимент разрешить вопрос существования квантовой гравитации. Вопрос, который я задавал — наблюдаем ли отдельный гравитон — это другой вопрос, и он может иметь другой ответ».

Направление мысли Бозе, Марлетто и их коллег о квантованной гравитации проистекает из работ Бронштейна еще в 1935 году. (Дайсон назвал работу Бронштейна «прекрасной работой», которую он не видел прежде). В частности, Бронштейн показал, что слабая гравитация, рождаемая малой массой, может быть аппроксимирована законом тяготения Ньютона. (Это сила, которая действует между суперпозициями микроалмазов). По мнению Бленкоу, расчеты слабой квантованной гравитации особо не проводились, хотя безусловно являются более релевантными, чем физика черных дыр или Большого Взрыва. Он надеется, что новое экспериментальное предложение побудит теоретиков на поиск тонких уточнений к ньютоновскому приближению, которое будущие настольные эксперименты могли бы попробовать проверить.

Леонард Сасскинд, известный теоретик квантовой гравитации и струн в Стэнфордском университете, увидел ценность предлагаемого эксперимента, потому что «он обеспечивает наблюдения гравитации в новом диапазоне масс и расстояний». Но он и другие исследователи подчеркнули, что микроалмазы не могут выявить ничего о полной теории квантовой гравитации или пространства-времени. Он и его коллеги хотели бы понять, что происходит в центре черной дыры и в момент Большого Взрыва.

Возможно, одна из подсказок к тому, почему квантовать гравитацию настолько тяжелее, чем все остальное, лежит в том, что другие силы природы обладают так называемой “локальностью”: квантовые частицы в одной области поля (фотоны в электромагнитном поле, например) «независимы от других физических сущностей в другой области пространства», говорит Марк ван Раамсдонк, теоретик квантовой гравитации из Университета Британской Колумбии. «Но есть много теоретических доказательств того, что гравитация работает не так».

В лучших песочных моделях квантовой гравитации (с упрощенными пространственно-временными геометриями) невозможно предположить, что ленточная пространственно-временная ткань делится на независимые трехмерные кусочки, говорит ван Раамсдонк. Вместо этого современная теория предполагает, что нижележащие, фундаментальные составляющие пространства «организованы скорее двумерно». Ткань пространства-времени может быть как голограмма или видеоигра. «Хотя картинка трехмерна, информация хранится на двумерном компьютерном чипе». В таком случае трехмерный мир будет иллюзей в том смысле, что различные его части не являются настолько независимыми. В аналогии с видеоигрой, несколько битов на двумерном чипе могут кодировать глобальные функции всей игровой вселенной.

И эта разница имеет значение, когда вы пытаетесь создать квантовую теорию гравитацию. Обычный подход к квантованию чего-либо заключается в определении его независимых частей — частиц, например, — и затем применении к ним квантовой механики. Но если вы не определяете правильные составляющие, вы получаете неправильные уравнения. Прямое квантование трехмерного пространства, которое хотел сделать Бронштейн, работает в некоторой мере со слабой гравитацией, но оказывается бесполезным, когда пространство-время сильно искривлено.

Некоторые эксперты говорят, что засвидетельствование “улыбки” квантовой гравитации может привести к мотивации подобного рода абстрактных рассуждений. В конце концов, даже самые громкие теоретические аргументы о существовании квантовой гравитации не подкрепляются экспериментальными фактами. Когда ван Раамсдонк объясняет свои исследования на коллоквиуме ученых, говорит он, обычно все начинается с рассказа о том, что гравитацию нужно переосмыслить с квантовой механикой, потому что классическое описание пространства-времени ломается на черных дырах и Большом Взрыве.

«Но если провести этот простой эксперимент и показать, что гравитационное поле было в суперпозиции, провал классического описания станет очевидным. Потому что будет эксперимент, который подразумевает, что гравитация — квантовая».

По материалам Quanta Magazine

Зарождение квантовой теории. Фотоэффект.

Цели урока:

1. Рассмотреть явление фотоэффекта и изучить его законы

2. Развивать логику, возможность работать в парах; учить моделировать процессы на компьютере.

3. Развивать познавательную активность школьников с помощью исторического материала.

Оборудование к уроку: интерактивная доска, компьютеры на ученических столах, проектор, колонки, комплект ЦОР s ch oo l - collection . edu . ru

Ход урока:

1. Предпосылки создания квантовой теории. (Рассказ учителя)

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

1. Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения.

2. Разработана МКТ.

3. Подвед ен прочный фундамент под термодинамику.

4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма.

5. Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда).

В конце XIX -- начале XX в. открыты В. Рентгеном — X - лучи (рентгеновские лучи), А. Беккерелем — явление радиоактивности, Дж. Томсоном — электрон. Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела , т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн.

Примером абсолютно черного тела по излучающей способности может быть Солнце, по поглощающей - полость с зеркальными стенками с маленьким отверстием.

Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого теоретического вывода закона распределения энергии. Закон приводил к хорошему совпадению с опытами в области малых частот. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории с результатами эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы.

Законы электромагнетизма, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой распределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела. При удалении от этого значения интенсивность электромагнитного излучения плавно убывает.

Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами . Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:

Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться со временная физическая теория, называемая квантовой физикой .

2 . Понятие фотоэффекта

В развитии квантовой теории важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г.Герцем и тщательно исследовано русским физиком А.Г.Столетовым. Явление это получило название фотоэффекта.

Просматривается видеоролик, после которого учащиеся дают определение фотоэффекту.

В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.

1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и зависит от его интенсивности.

3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффекта не происходит.

Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке.

3. Теория фотоэффекта.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. Эта энергия идет на совершение работы выхода и на сообщение электрону кинетической энергии.

hОЅ=AРІС‹С…+mv22">

hν - энергия фотона, которая идет на работу выхода А электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии.

Работа выхода - минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из вещества.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Квантовая теория дает следующие объяснения законам фотоэффекта.

При увеличении интенсивности монохроматического излучения растет число поглощенных металлом квантов, а, следовательно, и число вылетающих из него электронов, поэтому фототок прямо пропорционален интенсивности излучения (1 закон).

Он не единственный скептик. Известный английский физик сэр Роджер Пенроуз и венгерский ученый Ладжос Диоси независимо предполагали, что пространство-время не может поддерживать суперпозиции. Они считают, что его гладкая, твердая, фундаментально классическая природа препятствует искривлению на два возможных пути одновременно - и именно эта жесткость приводит к коллапсу суперпозиций квантовых систем вроде электронов и фотонов. “Гравитационная декогеренция”, по их мнению, позволяет случиться единой, твердой, классической реальности, которую можно ощущать в макроскопических масштабах.

Этот план более подробно изложен в работе Бозе и соавторов - одиннадцать экспертов Оушена для разных этапов предложения. Например, в своей лаборатории в Университете Уорика один из соавторов Гэвин Морли работает над первым этапом, пытаясь поместить микроалмаз в квантовую суперпозицию в двух местах. Для этого он заключит атом азота в микроалмазе, рядом с вакансией в структуре алмаза (так называемый NV-центр, или азото-замещенная вакансия в алмазе), и зарядит его микроволновым импульсом. Электрон, вращающийся вокруг NV-центра, одновременно и поглощает свет, и нет, а система переходит в квантовую суперпозицию двух направлений спина - вверх и вниз - подобно волчку, который с определенной вероятностью вращается по часовой стрелке и с определенной - против. Микроалмаз, загруженный этим спином суперпозиции, подвергается воздействию магнитного поля, которое заставляет верхний спин двигаться влево, а нижний - вправо. Сам алмаз расщепляется на суперпозицию двух траекторий.

В полном эксперименте ученые должны сделать все это с двумя алмазами - красным и синим, допустим - расположенными рядом в сверххолодном вакууме. Когда ловушка, удерживающая их, отключится, два микроалмаза, каждый в суперпозиции двух положений, будут падать вертикально в вакууме. По мере падения алмазы будут ощущать гравитацию каждого из них. Насколько сильным будет их гравитационное притяжение?

В каждом из случаев различные степени гравитационного притяжения воздействуют на эволюционирующие компоненты суперпозиций алмазов. Два алмаза становятся взаимозависимыми, потому что их состояния можно будет определить только в сочетании - если это, значит то - поэтому, в конечном итоге, направления спинов двух систем NV-центров будут коррелировать.

После того как микроалмазы будут падать бок о бок в течение трех секунд, - этого достаточно, чтобы запутаться в гравитациях, - они пройдут через другое магнитное поле, которое снова совместит ветви каждой суперпозиции. Последний шаг эксперимента - протокол «запутанного знания» (entanglement witness), разработанный датским физиком Барбарой Терал и другими: синий и красный алмазы входят в разные устройства, которые измеряют направления спина систем NV-центров. (Измерение приводит к коллапсу суперпозиций в определенные состояния). Затем два результата сопоставляются. Проводя эксперимент снова и снова и сравнивая множество пар измерений спина, ученые могут определить, действительно ли спины двух квантовых систем коррелировали между собой чаще, чем определяет верхний предел для объектов, которые не являются квантово-механически запутанными. Если так, гравитация действительно запутывает алмазы и может поддерживать суперпозиции.

«Что интересно в этом эксперименте, так это то, что вам не нужно знать, что такое квантовая теория», говорит Бленкоу. «Все, что нужно, это утверждать, что есть некий квантовый аспект в этой области, который опосредован силой между двумя частицами».

Технических трудностей - масса. Самый большой объект, который помещали в суперпозицию в двух местах до этого, представлял собой 800-атомную молекулу. Каждый микроалмаз содержит более 100 миллиардов атомов углерода - этого достаточно, чтобы накопить ощутимую гравитационную силу. Распаковка его квантово-механического характера потребует низких температур, глубокого вакуума и точного контроля. «Очень много работы состоит в настройке изначальной суперпозиции и запуске», говорит Питер Баркер, член экспериментальной команды, которая усовершенствует методы лазерного охлаждения и поимки микроалмазов. Если бы это можно было сделать с одним алмазом, добавляет Бозе, «второй не составит проблемы».

В чем уникальность гравитации?

Исследователи квантовой гравитации не сомневаются в том, что гравитация - это квантовое взаимодействие, способное вызывать запутанность. Конечно, гравитация в чем-то уникальна, и еще многое предстоит узнать о происхождении пространства и времени, но квантовая механика точно должна быть вовлечена, говорят ученые. «Ну правда, какой смысл в теории, в которой большая часть физики квантовая, а гравитация классическая», говорит Дэниел Харлоу, исследователь квантовой гравитации в MIT. Теоретические аргументы против смешанных квантово-классических моделей очень сильные (хотя и не неоспоримые).

Прочитав работы, Дайсон написал: «Предлагаемый эксперимент безусловно представляет большой интерес и требует проведения в условиях настоящей квантовой системы». Однако он отмечает, что направление мысли авторов о квантовых полях отличаются от его. «Мне непонятно, сможет ли этот эксперимент разрешить вопрос существования квантовой гравитации. Вопрос, который я задавал - наблюдаем ли отдельный гравитон - это другой вопрос, и он может иметь другой ответ».

И эта разница имеет значение, когда вы пытаетесь создать квантовую теорию гравитацию. Обычный подход к квантованию чего-либо заключается в определении его независимых частей - частиц, например, - и затем применении к ним квантовой механики. Но если вы не определяете правильные составляющие, вы получаете неправильные уравнения. Прямое квантование трехмерного пространства, которое хотел сделать Бронштейн, работает в некоторой мере со слабой гравитацией, но оказывается бесполезным, когда пространство-время сильно искривлено.

«Но если провести этот простой эксперимент и показать, что гравитационное поле было в суперпозиции, провал классического описания станет очевидным. Потому что будет эксперимент, который подразумевает, что гравитация - квантовая».

По материалам Quanta Magazine