Какая экспериментальная зависимость способствовала зарождению квантовой. Возникновение и развитие квантовой физики

ВКонтакте Facebook Одноклассники

При взаимодействии на коллайдере частиц высоких энергий образуется огромное количество разнообразных частиц

Этот процесс называется множественным рождением, а различные его характеристики предсказываются с помощью теории сильных взаимодействий - квантовой хромодинамики (КХД). Однако результаты последних подобных экспериментов на БАК (Большом адронном коллайдере) не совпадают с предсказаниями моделей, построенных по результатам прошлых экспериментов на других ускорителях. О возможных причинах этого несовпадения и открывающихся горизонтах новой экспериментальной физики высоких энергий на Гинзбурговской конференции рассказал профессор Университета Бристоля и один из ведущих специалистов в области изучения множественного рождения частиц Ник Брук.

Для идентификации рожденных частиц идеально подходит техника двух экспериментальных проектов, проходящих на БАК. Это проект ALICE (A Large Ion Collider Experiment), оптимизированный для изучения столкновений тяжелых ионов, и LHCb, предназначенный для изучения B-мезонов - частиц, содержащих «прелестный» кварк. А сама информация о рождении частиц является необходимым фундаментом для дальнейшего развития КХД. Комментирует Ник Брук: «Наблюдаемые распределения частиц характеризуют адронное состояние материи и являются чувствительными к лежащей в основе протон-протонных взаимодействий квантовой хромодинамике. ALICE, ATLAS и CMS уже измеряли распределения частиц в центральном регионе взаимодействия, а геометрия LHCb позволяет отследить динамику столкновений и в отдаленной области. Это дает нам столь необходимую информацию для развития моделей и улучшения Монте-Карловских генераторов событий».

Квантовая хромодинамика возникла в 70-х годах прошлого века как микроскопическая теория, описывающая сильное взаимодействие на субадронных масштабах, в котором участвуют кварки, глюоны и составленные из них частицы - адроны, в том числе и связанные сильным взаимодействием протоны и нейтроны атомного ядра. Основной постулат квантовой хромодинамики приписывает всем кваркам особое квантовое число, называемое цветовым зарядом или цветом. Столь привычное слово не имеет ничего общего с обычными оптическими характеристиками, но зато лаконично подчеркивает тот факт, что в природе кварки встречаются лишь в виде бесцветных комбинаций - адронов, составленных из трех кварков (вспоминаем аналогию: красный, зеленый и синий в сумме дают белый), или глюонов из кварка и антикварка с антицветом.

Предсказания КХД о параметрах множественного рождения частиц даются либо в аналитической форме, либо в виде численных компьютерных расчетов по моделям Монте-Карло, которые можно детально сопоставлять с экспериментальными данными. Эти модели называют генераторами событий в том смысле, что вероятность возникновения определенных явлений в этих компьютерных расчетах считается пропорциональной вероятности соответствующего события в реальном мире. Все эти модели хорошо работали в согласовании с прошлыми экспериментами на других ускорителях и даже имели некую предсказательную силу, но они пока никак не совпадают с новыми результатами, полученными на БАК.

Комментирует профессор ФИАН и ведущий научный сотрудник сектора физики высоких энергий Андрей Леонидов: «Изучение множественного рождения при высоких энергиях - это одна из фундаментальных физических проблем, и доклад Брука был посвящен массиву экспериментальной информации, которая была наработана на коллайдере LHC. Там сложилась очень интересная ситуация: имеющиеся модели не описывают многие существенные свойства событий. В типичной их конструкции как-то сшивается физика мягких адронных струй и жесткого адронного излучения, а сами они были откалиброваны, чтобы успешно описывать FNAL, предыдущий ускоритель. В результате в этом докладе буквально не было ни одного графика, в котором теория совпала с новым экспериментом. То есть многие свойства множественного рождения современные модели не описывают вовсе».

Так, профессор Брук рассказал о расхождениях предсказаний с реальными данными по возникновению частиц со «странными» кварками в составе или нарушениях в соотношении барионной и антибарионной материи. Но все эти нестыковки, как подчеркнул Брук, только развязывают исследователям руки и лишний раз показывают сложную структуру КХД. Ведь новые данные могут помочь в улучшении моделей генераторов событий, мягкого производства частиц, мультичастичных столкновений и многих других явлений.

С оптимизмом английского физика согласен и Андрей Леонидов: «Все предыдущие модели в новых экспериментах показали себя в разной степени неуспешными, и это создает интересное поле для изучения. Но ведь эти же модели не просто так собрали: это - лучшее, что человечество может предложить на эту тему. Не то что какие-то провинциальные люди что-то там написали, и это по случайности используется на LHC. На LHC используется лучшее, что есть, и это лучшее пока работает неважно. А тема эта очень важна, потому что процессы множественного рождения постоянно происходят в коллайдере. Это доминирующие процессы с большим сечением, и они потенциально влияют на все остальные процессы, определяют их фон. Кроме того, это фундаментально и интересно. Так что ничего печального нет, ждем новых результатов!».

При столкновении частиц высоких энергий наблюдается множественное рождение новых частиц

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

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»