Квантовая физика на пальцах. Рассказывает журнал «Лучик»
Многим кажется, что квантовая физика это какая-то заумь. А между тем слове «квантовый» нет ровным счётом ничего страшного.
Все процессы, явления и величины в окружающем нас мире можно разделить на две группы: непрерывные (по-научному континуальные) и прерывные (по-научному дискретные или квантованные).
Представьте себе стол, на который можно положить книгу. Вы можете положить книгу в любое место на столе. Справа, слева, посередине... Куда хотите – туда и положите. В этом случае физики говорят, что положение книги на столе изменяется непрерывно.
А теперь представьте книжные полки. Вы можете поставить книгу на первую полку, на вторую, на третью или на четвёртую – однако не можете поставить книгу «где-то между третьей и четвёртой». В этом случае положение книги изменяется прерывно, дискретно, квантовано (все эти слова обозначают одно и то же).
Окружающий мир полон непрерывных и квантованных величин. Вот горка на детской площадке. Дети скатываются с неё вниз – и их местоположение изменяется плавно, непрерывно. Теперь представьте себе, что эта горка вдруг (взмах волшебной палочки!) превратилась в лестницу. Скатиться с неё на попе уже не выйдет. Придётся идти ногами – сперва один шаг, потом второй, потом третий. Величина (высота) у нас изменялась непрерывно – а стала изменяться шагами, то есть дискретно, квантованно.
Давайте проверим!
1. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «отдохну где-нибудь по дороге».
2. Сосед по даче Иван Иванович отправился в соседнюю деревню и сказал «поеду каким-нибудь автобусом».Какая из этих двух ситуаций («систем») может считаться непрерывной, а какая – квантованной?
Ответ: в первом случае Иван Иванович идёт пешком и может остановиться отдохнуть в абсолютно любой точке. Значит, данная система – непрерывная.Во втором – Иван Иванович может сесть в подошедший на остановку автобус. Может пропустить и подождать следующего автобуса. Но вот сесть «где-то между» автобусами у него не получится. Значит, данная система – квантованная!
Во всём виновата астрономия
О существовании непрерывных (континуальных) и прерывных (квантованных, разрывных, дискретных) величин прекрасно знали ещё древние греки. В своей книге «Псаммит» («Исчисление песчинок») Архимед даже сделал первую попытку установить математическую связь между непрерывными и квантованными величинами.
Тем не менее, никакой квантовой физики в те времена не существовало. Её не существовало вплоть до самого начала 20 века. Такие великие физики, как Галилей, Декарт, Ньютон, Фарадей, Юнг или Максвелл слыхом не слыхивали ни про какую квантовую физику и прекрасно без неё обходились.
Вы можете спросить: зачем же тогда учёные придумали квантовую физику? Что такое особенное в физике приключилось? Представьте себе, приключилось. Только совсем не в физике, а в астрономии!
Загадочный спутник
В 1844 году немецкий астроном Фридрих Бессель наблюдал самую яркую звезду нашего ночного неба – Сириус. К тому времени астрономы уже знали, что звёзды в нашем небе не являются неподвижными – они движутся, только очень-очень медленно. При этом каждая звезда – это важно! – движется по прямой линии. Так вот, при наблюдениях Сириуса оказалось, что он движется совсем не по прямой. Звезду как бы «шатало» то в одну сторону, то в другую. Путь Сириуса в небе был похож на извилистую линию, которую математики называют «синусоида».
Звезда Сириус и её спутник - Сириус Б
Было понятно, что сама по себе звезда так двигаться не может. Чтобы превратить движение по прямой линии в движение по синусоиде, нужна некая «возмущающая сила». Поэтому Бессель предположил, что вокруг Сириуса вращается тяжёлый спутник – это было самое естественное и разумное объяснение.
Однако расчёты показывали, что масса этого спутника должна быть приблизительно как у нашего с вами Солнца. Тогда почему же мы не видим этот спутник с Земли? Сириус расположен от солнечной системы недалеко – каких-то два с половиной парсека, и объект размером с Солнце должен быть виден очень хорошо...
Трудная получалась задачка. Одни учёные говорили, что этот спутник представляет собой холодную, остывшую звезду – поэтому она абсолютно чёрная и невидима с нашей планеты. Другие говорили, что этот спутник не чёрный, а прозрачный, – потому мы его и не видим. Астрономы всего мира смотрели на Сириус в телескопы и пытались «поймать» загадочный невидимый спутник, а он как будто издевался над ними. Было от чего удивиться, сами понимаете...
В такой телескоп люди впервые увидели спутник Сириуса
И надежды астрономов блестяще оправдались – в первую же ночь неуловимый спутник Сириуса, предсказанный Бесселем, был обнаружен.
Однако, получив данные наблюдений Кларка, астрономы радовались совсем недолго. Ведь, согласно расчётам, масса спутника должна быть приблизительно такая же, как у нашего Солнца (в 333 000 раз больше массы Земли). Но вместо огромного чёрного (или прозрачного) небесного светила астрономы увидели... крохотную белую звёздочку!
Эта звёздочка была очень горячей (25 000 градусов, сравните с 5 500 градусами нашего Солнышка) и одновременно крохотной (по космическим меркам), размерами не больше Земли (впоследствии такие звёзды назвали «белыми карликами»). Получалось, что у этой звёздочки совершенно невообразимая плотность. Из какого же она тогда состоит вещества?!
На Земле мы знаем материалы с высокой плотностью – скажем, это свинец (кубик со стороной в сантиметр, сделанный из этого металла, весит 11.3 грамма) или золото (19.3 грамма на кубический сантиметр). Плотность вещества спутника Сириуса (его назвали «Сириус Б») составляет миллион (!!!) граммов на кубический сантиметр – оно в 52 тысячи раз тяжелее золота! Возьмём, например, обычный спичечный коробок. Его объём – 28 кубических сантиметров. Значит, спичечный коробок, наполненный веществом спутника Сириуса, будет весить... 28 тонн! Попробуйте представить – на одной чашке весов спичечный коробок, а на второй – танк!
Была ещё одна проблема. В физике есть закон, который называется законом Шарля. Он утверждает, что в одном и том же объёме давление вещества тем выше, чем выше температура этого вещества. Вспомните, как срывает давлением горячего пара крышку с закипевшего чайника – и сразу поймёте, о чём речь. Так вот, температура вещества спутника Сириуса этот самый закон Шарля нарушала самым бессовестным образом! Давление было невообразимым, а температура – относительно низкой.
В итоге получались «неправильные» физические законы и вообще «неправильная» физика. Как у Винни-Пуха – «неправильные пчёлы и неправильный мёд».
Голова кругом...
Чтобы «спасти» физику, в начале 20 века учёным пришлось признать, что в мире существует сразу ДВЕ физики – одна «классическая», известная уже две тысячи лет. А вторая – необычная, квантовая. Учёные предположили, что на обычном, «макроскопическом» уровне нашего мира работают законы классической физики. А вот на самом маленьком, «микроскопическом» уровне вещество и энергия подчиняются совершенно другим законам – квантовым.
Представьте себе нашу планету Земля. Вокруг неё сейчас вращается больше 15 000 самых разных искусственных объектов, каждый по своей орбите. Причём эту орбиту при желании можно поменять (скорректировать) – скажем, периодически корректируется орбита у Международной космической станции (МКС). Это макроскопический уровень, здесь работают законы классической физики (например, законы Ньютона).
А теперь перенесёмся на микроскопический уровень. Представьте себе ядро атома. Вокруг него, подобно спутникам, вращаются электроны – однако их не может быть сколь угодно много (скажем, у атома гелия – не больше двух). И орбиты у электронов будут уже не произвольные, а квантованные, «ступенчатые». Такие орбиты физики ещё называют «разрешёнными энергетическими уровнями». Электрон не может «плавно» перейти с одного разрешённого уровня на другой, он может только мгновенно «перепрыгнуть» с уровня на уровень. Только что был «там», и мгновенно оказался «тут». Он не может оказаться где-то между «там» и «тут». Он меняет местоположение мгновенно.
Удивительно? Удивительно! Но это ещё не всё. Дело в том, что, по законам квантовой физики, два одинаковых электрона не могут занимать один и тот же энергетический уровень. Никогда. Учёные называют это явление «запрет Паули» (почему этот «запрет» действует, они пока объяснить не могут). Больше всего этот «запрет» напоминает шахматную доску, – если на клетке доски стоит пешка, другую пешку на эту клетку уже не поставить. В точности то же самое происходит с электронами!
Решение задачи
Каким же образом – спросите вы – квантовая физика позволяет объяснять такие необычные явления, как нарушение закона Шарля внутри Сириуса Б? А вот каким.
Представьте себе городской парк, в котором есть танцевальная площадка. На улице гуляет много людей, они заходят на танцплощадку потанцевать. Пусть количество людей на улице обозначает давление, а количество людей на дискотеке – температуру. На танцплощадку может зайти огромное количество народу, – чем больше людей гуляет в парке, тем больше людей танцует на танцплощадке, то есть чем выше давление, тем выше температура. Так работают законы классической физики – в том числе закон Шарля. Такое вещество учёные называют «идеальным газом».
Люди на танцплощадке – «идеальный газ»
Однако на микроскопическом уровне законы классической физики не работают. Там начинают действовать квантовые законы, и это коренным образом меняет ситуацию.
Представим себе, что на месте танцплощадки в парке открыли кафе. В чём разница? Да в том, что в кафе, в отличие от дискотеки, «сколько угодно» людей не войдёт. Как только будут заняты все места за столиками, охрана прекратит пропускать людей внутрь. И пока кто-то из гостей не освободит столик, охрана никого не впустит! В парке гуляет всё больше и больше народу – а в кафе сколько людей было, столько и осталось. Получается, давление увеличивается, а температура «стоит на месте».
Внутри Сириуса Б, само собой, никаких людей, танцплощадок и кафе нет. Но принцип остаётся всё тот же: электроны заполняют все разрешенные энергетические уровни (как посетители – столики в кафе), и дальше никого «пустить» уже не могут – в точности согласно запрету Паули. В итоге внутри звезды получается невообразимо огромное давление, а вот температура при этом – высокая, но для звёзд вполне себе обыкновенная. Такое вещество в физике называется «вырожденным квантовым газом».
Продолжим?..
Аномально высокая плотность белых карликов – далеко не единственное явление в физике, требующее использования квантовых законов. Но пока давайте запомним главное:
1. В нашем с вами мире (Вселенной) на макроскопическом (т. е. «большом») уровне действуют законы классической физики. Они описывают свойства обычных жидкостей и газов, движения звёзд и планет и многое другое. Именно эту физику вы изучаете (или будете изучать) в школе.
2. Однако на микроскопическом (то есть невероятно маленьком, в миллионы раз меньше самых мелких бактерий) уровне действуют совершенно другие законы – законы квантовой физики. Законы эти описываются очень сложными математическими формулами, и в школе их не изучают.
Однако только квантовая физика позволяет относительно внятно объяснить строение таких удивительных космических объектов, как белые карлики (вроде Сириуса Б), нейтронные звёзды, чёрные дыры и так далее.
Это была статья из журнала «Лучик». В нём мы рассказываем:
Зачем человеку совесть?
Что такое тавтология и экстраполяция?
Как видят животные и растения?
Как Рим стал империей и отчего распался?
Отчего случаются войны?
Как кроманьонцы одолели неандертальцев?
Познакомиться с журналом можно по ссылке.
Ответ на пост «О студентах-должниках»
Да, воспоминание разблокировано. Были и у меня истории с учениками.
В седые годы это было. Преподавал я физику. Готовил в поступлению в основном, но и школьников просто подтягивал по основной программе.
Брал я дорого. Потому что преподавал хорошо.
По опыту- самыми прилежными учениками являлись те, кто платил дороже всех. Ученики которые платили немного (скидки там, набор в несезон или когда кто отказался летом или ещё чего) - обычно и относились к занятиям как к дешёвой шмотке с рынка, а не эксклюзивному продукту, от которого, на минуточку, зависит их собственное будущее.
что я понял за это время и какие уроки извлёк:
1) Если ты профессионал - бери за занятия дорого. Лучше по верху рынка или выше. Клиентов будет столько же, а заниматься будут прилежнее.
2) Онлайн подбор репетиторов - это гавно. (Выполнение технических курсовых кстати - тоже). Если ты профессионал - то лишние посредники тебе не нужны.
3) Если ученик не выучил урок 1 раз - уточни почему. 2 раз - поговори с родителями. 3 раз- это последний раз.
4) Если слышишь от родителя фразу по телефону "а почему так дорого" - не бери этого ученика. Такие родители всегда будут считать что тебе переплачивают. Вне зависимости от результата.
5) Не езди к ученикам. Это твоё время которое никто не оплатит. Они должны приезжать к тебе домой или в офис/класс где ты проводишь занятия.
6) Занятие (и соответственно - цена) это 45 минут, а не 60. За один урок можно провести 2 занятия, это 1 час и 35 минут, с 5 минутным перерывом между занятиями.
7) Если ученик не пришёл на урок, и не отменил его за 2 дня до - то должна быть причина. Причина либо болезнь либо что то другое серьёзное. "Поездка к бабушке" не оговорённая за 2 дня до - не причина. Деньги за такой урок не возвращаются.
8) Бесплатных пробных занятий не проводи. Это бессмысленно.
9) Как дополнение к 7 - деньги за урок получай сразу после урока или до.
10) Если ученик часто пропускает по любой причине - лучше отказаться совсем или предложить перенести уроки на следующий "сезон". Даже если причины серьёзные, толку от таких несистемных занятий не будет особо, а родители потом будут говорить "вот учили, да не научили...". Будут говорить обязательно, а про то что ходили раз через два не упомянут. Оно вам надо?
11) Цени возможность послать лесом балбесов и их родителей (там частенько яблоко от яблони). Поэтому трижды подумай идти ли в школу (без разницы частную либо государственную) или ВУЗ. Если и идёшь, это должны быть очень хорошие деньги. Но имей ввиду, за деньги нервы не восстановить.
а какой у вас опыт взаимодействия с учениками или репетитором?
Пересказывать – это легко?
По результатам опроса: письменные предметы - русский и язык и математика - были отмечены как самые трудные предметы в школе.
Именно поэтому, письменные предметы родители часто делают вместе с детьми. Потом отправляют детей читать и пересказывать самостоятельно.
Так ли легко пересказывать?
Как происходит процесс пересказывания:
- читает параграф и пытается понять;
- представляет в своем воображении описанную информацию;
- упорядочивает полученную информацию;
- своими словами передает эту информацию (когда слов не хватает, нужно запомнить новые).
Пересказ – это результат большой умственной работы ребенка.
Представьте, что на каком-то этапе у него сложности и он не получает помощи.
Тогда дети либо пытаются заучить наизусть. Либо не выполняют задания.
А еще, дети чувствуют себя неуспешными. Боятся отвечать на уроках. Потом, даже если они научатся хорошо пересказывать, нужно будет время, чтобы поверить в себя.
Можно ли помочь ребенку и как? Смотрите ответы в видео
Игры "Запомни букву"
Как можно легко и интересно с помощью методики «Читайки» познакомить ребёнка с буквами?Сегодня покажем Вам игры, которые легко можно использовать дома, на занятиях в детском саду и даже в школе.
Эти игры направлены на запоминание детьми образа новой буквы.
«Зачем мне играть?» - скажете Вы. «Если я назову букву пару раз, ребёнок её сразу запоминает».
Да, сразу запоминает. Но в долгосрочную память буква не отложилась.
Для того, чтобы буквы запомнились надолго и навсегда нужно закреплять полученные знания. Лучше всего это делать в играх.
Зачем учить читать до школы?
Мы спросили об этом родителей. Посмотрите, что они ответили:
📍«Возможно не обязательно. Но при современной системе обучения ребенок уже в 1 классе должен быть многозадачным, быстрым, и желательно самообучаемым. Так построены современные школьные программы. Поэтому чтобы хоть как-то облегчить ребенку путь, считаю, что нужно» (Елена)
📍«В школе сейчас сложная программа, в отличие от того времени, когда учились мы, поэтому ребёнку лучше идти в школу подготовленным» (Ольга)
📍«Если ребенок не будет подготовленным, ему будет тяжело успеть за программой» (Гузель)
📍«Умеющий читать и писать ребенок с легкостью освоит азы школы» (Залина)
«Пробовали ли сами научить читать и какие возникали сложности?»
📌 «У самих не получается, потому что отсутствует опыт, нет нужной информации, а также для этого нужно много нервов и времени» (Анастасия)
💯 Скажите ЧТЕНИЮ - ДА!
Подписывайтесь, следите за новостями.
С нами все дети становятся читателями!
Репетиторы. На каких сайтах вы размещали уже объявления?
ДЕДУШКИНА МУДРОСТЬ
Педагог от Бога – именно так я называю своего дедушку. К сожалению, его уже нет в живых. Но его заповеди в отношении детей останутся со мной на всю жизнь, и я их передам своим детям.
До сих пор удивляюсь, откуда в таком простом человеке было столько мудрости? Дедушка окончил 7 классов школы и ремесленное училище. Прошел войну, встретил бабушку, создал семью, построил дом и воспитал двух дочерей. Сам всю жизнь проработал в рыбколхозе, в механическом цеху по ремонту судов.
Когда мама родила меня, он ей подсказывал кое-что в отношении моего воспитания и развития. Причем он не читал никаких умных книг по детской педагогике и психологии. Он давал советы интуитивно, исходя из собственного опыта и убеждений. И когда я, наконец, стала мамой (грустно, что дедушка не дожил до этого момента), моя мама пересказала мне все дедушкины идеи. Сейчас, имея уже троих детей и прочитав массу книг о детях, я снимаю шляпу перед дедушкиной мудростью в вопросах педагогики.
Итак, дедушкины заповеди:
1. Ребенок – это Личность
На все мамины возмущения по поводу моего поведения, когда я поступала не так, как ей хотелось, он говорил: «Дочка, запомни. Ребенок – это личность. Он не должен становится удобным для тебя. У него на все есть свои взгляды. Постарайся принимать его видение мира».
2. Если что-то пообещал – выполни!
Если родитель что-то пообещал, даже в порыве, лишь бы ребенок отстал, а потом забыл выполнить, или это неудобно исполнить, или на это сейчас нет времени, будь добр – держи обещание. Или не обещай. Иначе ребенок перестанет тебе верить. А вот восстановить доверие потом сложнее.
3. Не просто «нельзя», а объясни почему «нельзя»
Слово «нельзя» для ребенка – пустой звук. А вот если ты объяснишь, почему именно «нельзя», чем это может для ребенка обернуться, объяснить все причинно-следственные связи этого «нельзя» – ребенок точно тебя услышит.
4. Пять минут ничего не решат
Помню, дедушка что-то делает по хозяйству (бабушка всегда ему что-нибудь поручала), а я подбегу к нему и начинаю: «Деда, деда! А почему…? А зачем…? А что это такое…?» И дедушка откладывал свое дело и начинал со мной беседовать. А бабушка, видя это, кричала «Михаил! Не отвлекайся! Давай быстрее!». А он ей невозмутимым голосом: «Лида, 5 минут ничего не решат. А вот для ребенка они могут решить многое». Стараюсь вспоминать об этом, когда, кажется, что нет времени, а дети постоянно дергают вопросами.
5. Давать ребенку возможность все делать самому
До сих пор в памяти стоит картинка, как я забиралась на маленький стульчик и мыла посуду. Мне, наверное, было года 3-4. Дедушка часто мыл посуду, а мне, как любому ребенку, хотелось ему помогать. Вот он и позволял мне ему помогать. Здесь тоже срабатывал принцип «Пять минут». Он знал, что через 5 минут мне это надоест, но не говорил «Еще маленькая», или «Еще разобьешь, не надо», или «Не отвлекай, сам быстрее сделаю», а подставлял к раковине стульчик, и я мыла. Как уж мыла – вопрос пятый. Он, разумеется, за мной перемывал. Да, мне быстро это надоедало. Но сам факт! Ребенку давали возможность делать то, что он хочет, в чем он хочет помочь, проявить себя. А потом еще и хвалили за его познавательный интерес. Кстати, в определенный период жизни (в юности) я очень любила мыть посуду.
6. Расширение кругозора ребенка
Свое детство я вспоминаю с теплотой. Я росла у бабушки с дедушкой. Какое-то время я ходила в садик, но вот оттуда я как раз ничего не помню. А вспоминаю бесконечные прогулки и постоянное общение с дедушкой. Мы с ним много путешествовали по нашему маленькому городку (я росла в Темрюке), и он мне – маленькой девочке, рассказывал обо всем, что видел на своем пути. Или вспоминал свое детство и юность, и делился со мной. Или мы вместе рассуждали на какие-нибудь «взрослые» серьезные темы: о смысле жизни, о мироустройстве, о Боге. Или сочиняли истории. В наших прогулках и беседах он всегда старался расширять мой кругозор в любом направлении. И, наверное, благодаря этому, я до сих пор могу иметь параллельно несколько интересов и разбираться в совершенно противоположных темах.
И еще. Наверное, именно благодаря его чуткому отношению к моему внутреннему миру, я пишу.
С чего все началось? Помню, я в возрасте лет 7-8 лет, сочинила одну историю. В советское время был мультик про Бобика и Барбоса, а дедушка потом, на основе этого мультика, сочинял мне истории про неразлучных друзей – собак, только вот клички им почему-то поменял. Его рассказы были «Про Палкана и Шавку». И я часто его просила: «Деда, расскажи про Палкана и Шавку». Это были веселые истории о добрых, но озорных псах. И вот однажды рассказ сочинила я. Помню, меня так увлек творческий процесс! Я сочиняла на ходу и придумывала такие неожиданные повороты сюжета, что сама начинала во все это верить. Думаю, любой другой взрослый на это сказал бы: «Ну, фантазерка! Разошлась! Сама-то веришь в то, что говоришь?» Только не мой дедушка! Он стал меня хвалить! А потом всем рассказывать: «Так вот Юляша – какая молодец! Такую историю сочинила! Это же надо, какое у нее воображение! Еще и писателем станет». Причем говорилось все это искренне, с нескрываемым восхищением и гордостью за внучку.
Наверное, именно тогда я «расправила крылья» и поверила в себя. И потом, в школе, я стала писать сочинения, которые зачитывали всему классу, а в течение 5 лет студенческой жизни – дневники (недавно перечитывала: 4 толстые, исписанные мелким почерком, тетради - какая память о тех годах!), по окончанию ВУЗА сразу попала в местный глянцевый журнал, где вела колонку о культурной жизни города, во время работы в театре – интервью с актерами для сайта театра, и наконец – статьи о детях.
Вот как важно поверить в маленького человечка и вовремя его поддержать! И делать это нужно искренне, от всего сердца. К сожалению, часто то, что ребенок делает (сочиняет, рисует, лепит), кажется нам, взрослым – смешным, глупым или неинтересным. А для ребенка это – огромный труд, невероятные движения ума и творческие порывы! И он хочет быть услышанным, понятым и принятым.
Откуда дедушка знал такие простые истины – для меня загадка.
Дедушка, благодарю тебя за твою мудрость! Ведь отчасти, благодаря тому, что ты в меня вложил, я стала тем человеком, какой являюсь сейчас.
По отношению к своим детям я стараюсь следовать тем заповедям, о которых ты в свое время поведал моей маме, а она передала их мне, а я передам своим детям.
( С ) Юлия Горячева
_____________________
ПРОДОЛЖЕНИЕ И РАСКРЫТИЕ ТЕМЫ :
Художник Леонид Павлович Баранов