В опыте по наблюдению. Опыты по наблюдению дифракции
Эксперимент, в котором эффективно устранялась помеха, ставился по схеме локации на просвет. Эксперимент проводился на одном из живописнейших озер Владимирской области - озере Санхар. Размеры озера и его глубина позволяли иметь акустическую трассу длиной порядка 300 м при глубине водоема около 20 м. Подробнее о том, что представляла собою трасса, каковы ее акустические характеристики и какое применялось оборудование, сказано в работах .
В акустику можно перенести оптический метод темного поля . Для этого нужны акустические антенны большого размера - так называемые фокусируемые
антенны . На низких частотах, на которых возможно исследование океанических неоднородностей, фокусируемая антенна представляет собою гигантское, "циклопическое" сооружение. Несмотря на гарантированный и выверенный в оптике успех такого сооружения, строительство таких антенн, судя по литературе, нигде не планируется.
Выше уже описывался акустический метод фильтрации сильного узкополосного сигнала, названного нами методом темного поля, поскольку он, в принципе, позволяет решить те же задачи. С его помощью можно затемнить поле мощного достаточно узкополосного источника и наблюдать малые возмущения среды на фоне сигнала от этого источника . Для реализации этого метода достаточно малой антенны, фокусируемая антенна больших размеров не требуется. Размер антенны должен обеспечивать требуемое угловое разрешение наблюдаемых неоднородностей. Однако этот метод эффективно работает, когда существуют лишь большие объемные неоднородности, создающие малоугловые пространственные возмущения поля. Большую роль в условиях мелкого моря играет рассеяние волн взволнованной поверхностью и неровностями дна моря. Такие структуры рассеивают падающее излучение в широком секторе углов.
Задача о рассеянии акустических волн в мелком море поверхностью и дном моря имеет наглядную оптическую аналогию. Она заключается в явлении синего цвета неба, не позволяющего нам видеть звезды днем. Флуктуации молекул воздуха рассеивают свет под такими же широкими углами, как и поверхность моря. В космосе, где рассеивателей почти нет, звезды видны и днем, так как наш зрительный аппарат в состоянии хорошо отфильтровать прямой солнечный свет. Днем же у поверхности земли это сделать не удается.
По той же причине в условиях мелкого моря становится почти бесполезным тот метод темного поля, который был изложен выше.
Здесь идет речь о модификации метода фильтрации сильного узкополосного сигнала. Описываемый модифицированный метод темного поля основан на использовании узкого спектра помехи во временной области. Такой фильтр может быть реализован различными методами. Мы остановились на использовании вычитания значений сигналов в точках отсчета его во времени, расположенных через некоторое дискретное расстояние Конкретно использовались два фильтра, в одном из которых составило минимальное значение единицу, а в другом случае был использован фильтр с единиц. Эти фильтры позволили получить разные результаты при практически одинаковой помехозащищенности. Фильтр с малым временем дал возможность рассмотреть рассеивающую поверхность, на которой имеются точечные рассеиватели, а фильтр с большим временем позволил рассмотреть большую неоднородность. В этом разделе ограничимся случаем точечного рассеивателя, а наблюдение протяженного рассеивателя рассмотрим в следующей главе.
Описанный метод в натурных условиях интенсивной реверберации позволил получить затемнение поля флуктуирующего прямого сигнала и сопутствующих ему помех по отношению к прямому полю излучателя, освещающего антенну, на 60 дБ. Заметим, что лучшие из существующих адаптивные методы оказались способными затемнить акустическое поле излучателя в условиях интенсивной реверберации не более чем на 30 дБ .
Суть метода покажем на конкретном примере. В акустический волновод поместим мощный излучатель монохроматического сигнала для освещения неоднородностей. Для наблюдения неоднородностей на некотором расстоянии от излучателя разместим акустическую антенну. Пусть это будет линейная горизонтальная антенна, состоящая из ряда эквидистантно расположенных приемных элементов (антенная
Рис. 2.10. Схема опыта: 1 - излучатель, 2-2 - линия расположения приемных элементов антенной решетки, 3-3 - линия перемещения рассеивателя.
решетка). У монохроматического колебания есть всего два параметра, которые могут изменяться от точки к точке и во времени, - это амплитуда и фаза. Оба параметра можно записать в виде одного комплексного числа, называемого комплексной амплитудой. Его модуль равен амплитуде колебания в акустическом поле, а аргумент - фазе . Эксперимент проводился в два этапа. На первом велась запись значений комплексных амплитуд сигналов во всех 64 элементах акустической антенной решетки в течение некоторого интервала времени. На втором этапе производилась обработка зафиксированных на первом этапе акустических сигналов.
Первый этап включал следующие операции. Во-первых, сигналы, принимаемые каждым гидрофоном, фильтровались в полосе ±3 Гц от каждой дискретной частоты, идущей от излучателя. Во-вторых, профильтрованные сигналы смешивались с сигналом излучаемой частоты, образуя при этом сигналы разностной частоты в двух квадратурных каналах . В одном квадратурном канале сигнал представлял собою а в другом где А - амплитуда принимаемого сигнала, а - его фаза. Сигналы с обоих квадратурных каналов фиксировались в цифровом виде с помощью компьютера. Такая предварительная обработка сигналов позволяла получать запись сигналов с антенны в виде, эквивалентном комплексным амплитудам, рассматриваемым в , - запись полного поля или голограмму принимаемого акустического сигнала, позволяющую при последующей обработке получать те же результаты, что и при соответствующей обработке непосредственно принимаемого акустического поля.
Остановимся на зависимости сигналов от времени, так как именно она используется при фильтрации. Как уже было отмечено выше, излучался чисто монохроматический сигнал. Это не означает, что точно такой же сигнал будет принят приемным элементом антенны. Такой рассеиватель, каким является поверхность моря, не является неподвижным. Движение рассеивателя приводит к смешению частоты принимаемого сигнала в соответствии с эффектом Доплера. Так как сигнал принимается от множества рассеивателей, находящихся под разными углами к трассе распространения сигнала и по-разному двигающихся, то временная частота принимаемого сигнала будет размыта. Мы сохраняли эту информацию путем выбора частоты квантования записываемых сигналов. Чтобы при этом избежать неоднозначности при приеме колебаний, проводилась фильтрация с шириной полосы в 3 Гц (при несущей частоте порядка 3 кГц).
В качестве простейшей модели выберем наблюдение одиночного рассеивателя, освещаемого плоской волной, движущегося по прямолинейной траектории, как это показано на рис. 2.10. Объект, подлежащий наблюдению, являвшийся рассеивателем, двигался в направлении поперек трассы, что приводило к смещению частоты. Найдем это смещение частоты исходя из параметров движения объекта. (Эта модель позволит нам не только показать действие преобразования, но и получить калибровочный сигнал, необходимый для оценки величины наблюдаемых неоднородностей). Пусть между излучателем 1 и приемной антенной 2-2 по трассе 3-3 двигается рассеиватель 4 с постоянной скоростью (см. рис. 2.10). Найдем
комплексную амплитуду рассеянного поля, излученного движущимся рассеивателем на каждом элементе приемной антенны. Введем следующие геометрические параметры:
Расстояние от рассеивателя до точки приема где - координата приемного элемента антенны (см. рис. 2.10);
Длину пути пройденного рассеивателем при его движении вдоль траектории 3-3;
Дистанцию от траектории рассеивателя до антенны (см. рис. 2.10).
В принятых обозначениях и предположениях получим
где - время.
Фаза сигнала, поступающего от рассеивателя в каждую точку приема, в результате изменения расстояния будет зависеть от времени как
где X - длина волны.
Предположим, что излучатель расположен так далеко от антенны, что создаваемое им прямое поле имеет разность фаз между соседними элементами антенной решетки, не зависящую от номера антенного элемента (следствие того, что антенна не фокусируемая). Пусть эта фаза не зависит от времени (излучатель и антенна неподвижны) и для определенности равна нулю. Искомую комплексную амплитуду мы получим (с точностью до постоянной фазы и постоянного амплитудного множителя, не влияющих на алгоритм обработки) с помощью следующей формулы:
где - прямое поле излучателя на антенне.
Выражение (2.3.3) представляет собою математическую модель сигнала, приходящего от точечного объекта рассеяния. Она может быть использована не только для пояснения ситуации, но и для математического моделирования объекта рассеяния. Из полученного выражения следует возможность фильтрации рассеянного сигнала, так как его спектр вследствие эффекта Доплера отличается от спектра прямого сигнала. Есть ли такая возможность в условиях натурного опыта и какова она, может дать ответ только эксперимент, в котором в качестве метода обработки применена фильтрация сигналов во времени.
Перейдем к обработке сигнала. На элементе антенны, имеющем номер к в дискретный момент времени комплексная амплитуда будет Алгоритм фильтрации поля включает выполнение следующих действий с комплексными амплитудами поля, принимаемыми отдельными приемными элементами антенной решетки:
где - целое число, являющееся параметром фильтра.
Действие преобразования (2.3.4) сначала покажем на чистой математической модели (2.3.3), которая позволит нам не только показать действие преобразования (23.4), но и получить калибровочный сигнал, необходимый для оценки величины наблюдаемых движущихся рассеивателей.
На рис. 2.11, а показан результат наблюдения движущегося рассеивателя с помощью антенны без использования временной фильтрации. В данном случае это удалось, так как никаких посторонних рассеивателей или никакой реверберации нет. Обработка сигнала состоит в следующем. Функция определяемая (2.3.3), подвергается спектральному анализу только по координате х (вдоль линии расположения антенны), оставаясь при этом функцией времени На рис. 2.11, а по горизонтали отложен пространственный спектр функции по координате Связь между значениями пространственной частоты являющейся аргументом графика, и углом по которому сканируется зона наблюдения антенной решеткой, следующая :
где - максимальное значение пространственной частоты, равное половине общего числа точек спектрального разложения Фурье; - расстояние между приемными элементами антенной решетки. При моделировании предполагалось, что Интервал пространственных частот, показанный на графиках, простирается в пределах
Рис. 2.11. Движение рассеивателя на плоскости "время и пространственная частота" с применением темного поля
На рис. 2.11, а в виде вертикальной линии в центре (при виден излучатель. Имитируемый рассеиватель отображен наклонной линией, так как согласно (2.3.3) направление на рассеиватель изменяется примерно пропорционально времени.
На рис. показан результат точно такой же обработки сигнала с применением фильтра с параметром но только не для сигнала а для сигнала прошедшего дополнительную обработку по формуле (2.3.4). В результате сигнал излучателя не виден (поле затемнено), сигнал рассеивателя наблюдается под теми же углами, что и на рисунке а с интенсивностью, зависящей от величины его доплеровского смещения частоты в соответствующий момент времени и частотной характеристики фильтра.
Предлагаемый нами алгоритм обработки сигнала содержит нелинейную операцию - логарифмирование. Это дань кепстральному анализу. Логарифмирование
единственное математическое преобразование, позволяющее свести мультипликативную помеху к аддитивной и в таком виде фильтровать ее. Здесь это обстоятельство не имеет особого значения, так как в (2.3.4) логарифм очень хорошо линеаризуется.
На рис. 2.12 показана математическая программа, приводящая к получению рис. 2.11. Верхняя строчка программы представляет массив данных и диапазонные переменные. Переменная к - пространственная. Единица составляет половину длины волны. Переменная - время. Единица равна одной секунде. Далее следует программа, моделирующая движение точечного рассеивателя. Расстояние указано в метрах. Длина волны - тоже в метрах. Для разности хода лучей определена специальная функция, в которой параметру и можно придавать любое значение, зависящее от пространства и времени. По сути дела, выражает теорему Пифагора, в которой один из катетов - это и, а другой катет - это Скорость - это скорость (в метрах в секунду) перемещения рассеивателя вдоль его траектории. На следующей строчке программы определено - изменение в пространстве (вдоль антенны) и во времени разности хода лучей, прямого и рассеянного. Определен временной интервал в точках отсчета по времени.
Следом идет выражение для комплексной амплитуды волнового поля, принимаемого каждым элементом антенной решетки во времени. (Это формула (2.3.3)). Далее программа разветвляется на две части: та, что слева, приводит к рис. 2.11, а, та, что справа, ведет к рис. 2.11, б. Обе ветви программы почти совпадают, кроме небольших, но очень существенных отличий. Общее в этих программах - их финальная часть - это представление результата в виде трехмерной функции в переменных угол - время - амплитуда сигнала. Отличия состоят в алгоритмах фильтрации. Слева фильтрация только пространственная. Такой фильтр позволяет выделить сигнал рассеивателя только при отсутствии флуктуаций прямого сигнала. Слева показан фильтр, построенный по формуле (2.3.4), включающий не только пространственную, но и временную фильтрацию.
Описываемый эксперимент имел целью выяснение возможностей наблюдения природных факторов, под действием которых рассеивается акустическое поле. Сначала опишем ту часть эксперимента, в которой в поле зрения антенны не перемещались никакие предметы, а работали только излучатель и приемная антенна. Поэтому для определения силы цели рассеянных сигналов, к сигналу, считываемому с антенны, при его обработке добавлялся сигнал, имитирующий поле точечного рассеивателя, перемещающегося поперек трассы распространения акустического сигнала. Имитация сигнала движущегося рассеивателя производилась путем добавления к сигналу, принимаемому антенной, его же (при этом пренебрегаем рассеянным полем, так как оно мало по сравнению с прямым полем излучателя, и считаем, что прибавляем только прямое поле) с внесенными в него следующими изменениями. Сигнал был ослаблен на известное число децибел (например, 40 дБ) и умножен на функцию вида (2.3.3) без постоянной составляющей. Тем самым в сигнал, в котором доминирует прямое поле излучателя, вводится доплеровское смещение частоты, пропорциональное пространственной частоте (угловому смещению). Благодаря этой операции прямое поле излучателя в добавленном ослабленном сигнале, получив доплеровское и угловое смещения, играет роль движущегося рассеивателя. Его уровень по отношению к излучателю известен. Использованный нами метод моделирования движущегося рассеивателя позволяет получить его математическую модель, обладающую известными параметрами и таким уровнем флуктуаций уровня и фазы, которым обладает прямое поле излучателя в условиях проводимого эксперимента.
(кликните для просмотра скана)
Конкретизируем задачу эксперимента посредством привлечения рис. 2.13. На нем показан временной спектр акустических сигналов, принятых отдельными гидрофонами антенны. Эти спектры имеют вид, очень похожий на спектры, приведенные в монографии . На спектре виден максимум при нулевой частоте. На эту частоту было смещено поле излучателя. Частоты выше частоты излучателя на графике положительные, а отрицательные частоты - это те, которые лежат ниже частоты излучателя. В спектре видны еще максимумы на частотах около ± 2 Гц. Такие максимумы спектра акустических сигналов, распространяющихся в море, объясняются рассеянием волн при поверхностном волнении, модулирующем сигнал и тем самым смещающем его спектр . В книге рассматривается метод диагностики состояния морской поверхности на основе таких спектров. Конкретная задача настоящего эксперимента состояла в том, чтобы попытаться с помощью антенны увидеть те поверхностные волны, которые модулируют сигнал излучателя.
Рис. 2.13. Временной спектр сигнала в элементах антенной решетки, усредненный по всем элементам.
На рис. 2.14 показаны результаты обработки сигнала, принятого антенной решеткой. Чтобы на рисунках было меньше черного, показаны негативы, в которых черное поле соответствует максимальному сигналу, а белое - минимальному. Обработка заключалась в получении пространственных спектров вдоль линии расположения приемных гидрофонов антенны. Сигналы, показанные на рис. 2.14 (а-г), обрабатывались дополнительно. Осуществлялось затемнение поля антенны по формуле (2 3 4) и дополнительная фильтрация сигналов во времени.
На рис. 2.14, а сигнал, принятый антенной, обрабатывался во всей полосе временных частот, показанной на рис. 2.13. На рис. 2.14, б показан результат обработки профильтрованного сигнала с исключением обеих боковых частот, отстоящих от несущей частоты по абсолютной величине более чем на 1 Гц, тем самым были существенно подавлены сигналы, вызванные рассеянием на ветровом волнении. Таким образом, сравнивая рисунки а и б, можно видеть вклад рассеяния поверхностью водоема в совокупный рассеянный сигнал. Например, на рисунке а излучатель виден в виде интенсивной линии, а на рисунке б он едва заметен, т. е. антенна видит отражение излучателя на поверхности водоема так, как мы привыкли видеть "лунную" или "солнечную" дорожку на взволнованной водной поверхности. На рис. 2.14, а видно угловое распределение уровня сигнала, рассеиваемого поверхностью. Волны, рассеиваемые взволнованной поверхностью водоема, уверенно наблюдаются. Видно, что при наблюдении с затененным полем рассеяние поверхностью составляет заметную долю рассеянного сигнала. Это ясно видно по различию заметности наклонной линии, являющейся результатом добавления сигнала, имитирующего рассеиватель. На
рисунках а и б заметность имитированного сигнала существенно различается, хотя его уровень на этих двух рисунках одинаков.
Рис. 2.14. (см. скан) Сигнал в зависимости от угла сканирования и времени в полосе частот от -3 до +3 Гц (а), в полосе частот от -0,8 до +0,8 Гц (б), от -0,8 до +3 Гц (в), от -3 до +0,8 Гц (г) и без темного поля (д).
На рис. 2.14, в и 2.14, г приведены результаты, полученные при исключении лишь одной из боковых частот - нижней (в) или верхней (г). На этих рисунках видны волны, рассеянные поверхностью либо только с увеличением частоты Доплера, либо только с ее уменьшением. Анализ пространственного распределения рассеяния акустического сигнала на ветровом волнении с учетом знака эффекта Доплера в этом опыте был проведен впервые.
На рис. 2.14, д показан результат обработки того же сигнала, обработанного без использования формулы (2.3.4), создающей темное поле. В сигнале, показанном на рис. 2.14, д, тоже имитировался рассеиватель, имеющий по отношению к излучателю на 10 дБ более высокий уровень. Однако его еще не видно. Чтобы сделать имитируемый сигнал заметным, надо увеличить его уровень еще на 10 дБ. Фильтрация доплеровских составляющих также не оказывает влияния на вид рисунка д, т. е. на фоне реверберации локализовать очаги рассеяния сигнала на ветровом волнении без затемнения поля антенны не удается.
Рисунки 2.14 носят качественный характер, на них отчетливо видны временные изменения сигналов. По таким яркостным картинкам трудно судить о количественной стороне показанных результатов. Количественная сторона явления показана с помощью рис. 2.15, на котором изображены значения модуля отклика антенны, показанные на рис. 2.14, относящиеся к одному моменту времени. Как видно из рис. 2.15, метод темного поля без дополнительной фильтрации позволяет достичь эффективности порядка 60 дБ, а последующая временная фильтрация дает еще около 10 дБ дополнительно. Это весьма существенно!
Рис. 2.15. Акустическое темное поле (натурный эксперимент на озере Санхар).
На рис. 2.15 виден отклик антенны на сигнал, имитирующий рассеиватель, - это максимальный отклик на жирной линии (временной срез рис. 2.14, б) под углом порядка -40 градусов. Его уровень составляет примерно -57 дБ по отношению к сигналу излучателя, в то время как он задавался -40 дБ относительно этого уровня. Разница
объясняется тем, что моделируемый сигнал слишком медленно смещается, вследствие чего его доплеровское смещение даже при максимальном угле существенно ослабляется фильтром, затемняющим поле зрения антенны. По временному сечению рис. 2.14, д, показанному на рис. 2.15, видно, что реверберация в озере оказывает более существенное влияние на форму отклика антенны, чем при аналогичных экспериментах в море . Это объясняется тем, что в море более ровное дно и совсем нет отражений от берегов, которые отчетливо видны на рис. 2.15 под углами, близкими к 90 градусам.
Эффективность фильтрации может быть показана также с помощью временных спектров сигналов с антенны, приведенных на рис. 2.16. На рис. 2.16, а приведен временной спектр сигнала на одной пространственной частоте без фильтрации. Пространственная частота (угол наблюдения) выбрана так, чтобы в нее попал имитируемый сигнал на своей максимальной доплеровской частоте. Его уровень на 20 дБ ниже уровня сигнала излучателя. На рисунке уровень этого сигнала ниже уровня излучателя на 30 дБ, хотя сигнал излучателя на этой пространственной частоте (этом значении угла) далеко не максимален. Это различие уровней связано с тем, что имитируемый сигнал присутствует на этой пространственной частоте лишь в немногих реализациях, а сигнал излучателя накапливается во всех 2048 временных реализациях когерентно, возрастая на 66 дБ.
На рис. 2.16, б показан спектр на той же пространственной частоте, но при использовании фильтрации. Здесь сигнал излучателя затемнен так, что и 66 дБ ему не помогают. Сравнение рисунков а и б позволяет судить об эффективности использования предлагаемого метода фильтрации в натурных условиях.
Рис. 2.16. Временной спектр сигнала в элементах антенной решетки на одной пространственной частоте (а) и в темном поле (б).
Результаты эксперимента показывают, что с помощью предлагаемого метода акустического темного поля возможно наблюдение за структурой водной поверхности и ее изменениями. Можно локализовать области интенсивного поверхностного волнения, узнать скорости волн, направление ветра и другие параметры, а можно, убрав доплеровские частоты, связанные с поверхностным волнением, тем самым отфильтровать его. В этом случае появляется возможность следить за внутренними движущимися неоднородностями, течениями, видеть их так, как это позволяет применяемая антенная система. Появляется возможность поставить опыт в соответствии с расчетами рассеяния от взволнованной поверхности океана, выполненными, например, в работах . В связи с предлагаемой методикой измерения актуальными могут стать расчеты не только обратного рассеяния от объектов, представляющих интерес, но и прямого рассеяния вперед, которое может быть существенно больше.
Никто в мире не понимает квантовую механику - это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.
Кот Шредингера
Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция - математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.
По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.
У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому - тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедолагой-котом как раз был призван показать абсурдность этого явления.
Итак, напоминаем содержание эксперимента. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм, который может в случайный момент пустить яд в действие. Например, один радиоактивный атом, при распаде которого разобьется ампула. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%.
Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.
Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.
Дифракция электронов
По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?
Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов - медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.
В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а где-то усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.
При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики - объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).
Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.
Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.
Нагретый фуллерен
Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах - крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).
Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.
Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.
Охлаждающее измерение
Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.
Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр - около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте - крошечной алюминиевой полоске.
Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.
В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно - после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.
Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись - теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.
Замирающие частицы
Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.
Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье , опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.
В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать - просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).
Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.
Квантовая механика и сознание
Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?
Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» - комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин - декогеренция.
Дело вот в чем - во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.
Как раз это объясняет термин «декогеренция» - необратимый с точки зрения процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.
В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».
Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните - сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность - выбирать приходится каждому из нас.
Задача 23.1.3. Один раз магнит протаскивается через кольцо южным полюсом к кольцу, второй раз - северным.
В каком из этих случаев будет возникать ток в кольце, и если в обоих, то будет ли одинаковым направление тока?
Задача 23.1.4. Металлическое кольцо проносят рядом с постоянным магнитом (см. рисунок). Будет ли в этом случае в кольце возникать индукционный ток?
Задача 23.1.5. В однородном магнитном поле вращают две рамки. В каком случае в рамке будет возникать индукционный ток?
Задача 23.1.6. Рядом с прямым проводником, по которому течет электрический ток , расположена квадратная проводящая рамка. В некоторый момент времени рамку начинают перемещать. При каком направлении перемещения рамки (см. рисунок) в ней будет возникать электрический ток?
Задача 23.1.7. Через металлическое кольцо следующим образом протаскивают постоянный магнит: в течение двух секунд магнит подносят с большого расстояния и вставляют в кольцо, в течение следующих двух секунд магнит оставляют неподвижным внутри кольца, в течение последующих двух секунд его вынимают из кольца и уносят на большое расстояние. В какие промежутки времени в кольце течет ток?
Задача 23.1.9. В опытах по наблюдению электромагнитной индукции квадратная рамка из тонкого провода со стороной находится в однородном магнитном поле, перпендикулярном плоскости рамки. Индукция поля равномерно возрастает от значения до значения . Опыт повторяют, увеличив сторону рамки вдвое. Как при этом изменится ЭДС индукции, возникающая в рамке?
в)чтение учебника дома -4%;
г)рассказ учителем нового материала -17%;
д)самостоятельное выполнение опытов -36%;
е)ответ у доски -3%.
Какое домашнее задание вы предпочитаете выполнять?
а)чтение учебника -22%;
б)решение задач из учебника -20%;
в)наблюдение физических явлений -40%;
г)составление задач -75;
д)изготовление простых устройств, моделей -8%;
е)решение трудных задач -3%.
На каком уроке вам интересно?
а)на контрольной работе -3%;
б)на лабораторной работе -60%;
в)на уроке решения задач -8%;
г)на уроке изучения нового материала -29%;
д)не знаю -7%.
Анализ ответов показал, что четко фиксируется интерес учащихся к эксперименту. И это неудивительно, так как особенностью физики является ее экспериментальный характер. Поэтому наряду с обычными домашними заданиями - изучением текста учебника, выучиванием правил, законов, решением задач и упражнений - необходимо, чтобы учащиеся выполняли задания практического характера: наблюдение явлений в природе, выполнение качественных опытов, измерений.
В учебниках “Физика-7”, “Физика-8” (авторы А.В.Перышкин, Н.А.Родина) учащимся после изучения отдельных тем предлагаются экспериментальные задания для наблюдений, которые можно выполнить в домашних условиях, объяснить их результаты, составить краткий отчет о работе...
Систематическое выполнение учащимися экспериментальных лабораторных работ способствует более осознанному и конкретному восприятию изучаемого на уроке материала, повышает интерес к физике, развивает любознательность, прививает ценные практические умения и навыки. Эти задания являются эффективным средством повышения самостоятельности и инициативы учащихся, что благоприятно сказывается на всей их учебной деятельности”
Из статьи И.В.Литовко видно, что многим учащимся при изучении физики нравится наблюдать за опытами, а многие не прочь проделать какие-либо опыта дома в качестве домашнего задания. Какие еще плюсы у домашних экспериментов по сравнению с опытами и лабораторными, проводимыми в классе? Как уже говорилось, это менее жесткое ограничение по времени. Так же дети дома чувствуют себя более комфортно, чем на лабораторных занятиях в школе, где многие дети могут пребывать в стрессовом состоянии, что может отрицательно влиять на продуктивность выполнения работы. При выполнении задания дома школьники полностью самостоятельно выполняют задание, занимаются творческой деятельностью, что благоприятно сказывается на их развитии. О том, что домашние опыты полезно использовать учителю в процессе обучения школьников сказано достаточно много. Теперь посмотрим, что же представляют собой эти опыты и как с ними можно работать учителю.
Требования, предъявляемые к домашним экспериментам. Прежде всего, это, конечно, безопасность. Так как опыт проводится учеником дома самостоятельно, без непосредственного контроля учителя, то в опыте не должно быть никаких химических веществ и предметов, имеющих угрозу для здоровья ребенка и его домашнего окружения. Опыт не должен требовать от ученика каких-либо существенных материальных затрат, при проведении опыта должны использоваться предметы и вещества, которые есть практически в каждом доме: посуда, банки, бутылки, вода, соль и так далее. Выполняемый дома школьниками эксперимент должен быть простым по выполнению и оборудованию, но, в то же время, являться ценным в деле изучения и понимания физики в детском возрасте, быть интересным по содержанию. Так как учитель не имеет возможности непосредственно контролировать выполняемый учащимися дома опыт, то результаты опыта должны быть соответствующим образом оформлены (примерно так, как это делается при выполнении фронтальных лабораторных работ). Результаты опыта, проведенного учениками дома, следует обязательно обсудить и проанализировать на уроке. Работы учащихся не должны быть слепым подражанием установившимся шаблонам, они должны заключать в себе широчайшее проявление собственной инициативы, творчества, исканий нового. На основе вышесказанного кратко сформулируем предъявляемые к домашним экспериментальным заданиям требования :
Безопасность при проведении;
Минимальные материальные затраты;
Простота по выполнению;
Иметь ценность в изучении и понимании физики;
Легкость последующего контроля учителем;
Наличие творческой окраски.
Таким требованиям должны соответствовать опыты, предлагаемые учителем школьникам для самостоятельного проведения в домашних условиях. Далее рассмотрим, как домашние опыты и наблюдения учитель может применять в процессе обучения школьников физике.
Методика работы учителя с домашними экспериментальными заданиями. Так как одно из требований к домашнему опыту - простота по выполнению, следовательно, их применение целесообразно проводить на начальном этапе обучения физике, когда в детях еще не угасло природное любопытство. К тому же вряд ли удастся придумать эксперименты для домашнего проведения по таким темам, как, например: большая часть темы “Электродинамика” (кроме электростатики и простейших электрических цепей), “Физика атома”, “Квантовая физика”.
Домашний эксперимент можно задавать после прохождения темы в классе. Тогда ученики увидят собственными глазами и убедятся в справедливости изученного теоретически закона или явления. При этом полученные теоретически и проверенные на практике знания достаточно прочно отложатся в их сознании.
А можно и наоборот, задать задание на дом, а после выполнения провести объяснение явления. Таким образом, можно создать у учащихся проблемную ситуацию и перейти к проблемному обучению, которое непроизвольно рождает у учащихся познавательный интерес к изучаемому материалу, обеспечивает познавательную активность учащихся в ходе обучения, ведет к развитию творческого мышления учеников. В таком случае, даже если школьники не смогут объяснить увиденное дома на опыте явление сами, то они будут с интересом слушать рассказ преподавателя.
Летние работы и наблюдения. Практические задания по физике можно давать учащимся и на летний период, чтобы использовать богатейшую лабораторию - природу и разнообразные объекты техники, которых нет под рукой во время обучения на уроках в школе. Учителю, дающему летнее задание, не следует гнушаться его простотой и несложностью. Задания, даваемые учащимся на каникулы, должны быть краткими и простыми.
Если учащийся, живущий на даче, в деревне, подойдя за водой к деревенскому колодцу, обратит внимание (по заданию учителя) на устройство ворота или на устройство колодезного журавля да еще сравнит диаметр вала с диаметром колеса или “длины плеч” журавля, то выполнение уже этого простенького задания принесет пользу. Этот учащийся при проработке или при повторении темы “Простые механизмы” будет воспринимать (или воспроизводить) материал гораздо сознательнее, чем тот учащийся, который никогда не видел или не обращал внимания на подобные механизмы.
Особенно разнообразные задания можно предложить тем ученикам, которые будут купаться и кататься на лодке. Не чувствуя обстановки урока, эти учащиеся с особенным интересом вспомнят о заданиях учителя и с большой охотой будут наблюдать различные явления и проделывать несложные опыты. По-новому будут смотреть они на зеркальную поверхность пруда или озера, в которой отражаются противоположный берег и облака, видя в этих явлениях действие законов отражения и преломления. А как просты и разнообразны опыты по образованию и распространению волн от брошенного в воду камня! Сколько раз учащийся может повторить эти опыты, находясь на мостках пруда. Еще можно предложить ученикам понаблюдать за плаванием тел, за “потерей в весе” по закону Архимеда, за понижением температуры собственного тела при выходе из воды наружу при ветре (теплота парообразования и интенсивность испарения). При плавании на лодке следует обратить внимание учащихся на проявление инерции, когда быстро плывущая лодка с разгона врезается в берег и на проявление третьего закона Ньютона при прыжках с лодки на берег или просто в воду. Или еще пример. Вот учащиеся пересекают речку на лодке. Кажется, маленький факт. Однако и здесь можно обратить их внимание на сложение движений и указать на правило параллелограмма.
Задача учителя в организации летних работ и наблюдений состоит главным образом в том, чтобы натолкнуть на мысль, направить, сделать намек. Все остальное добавит собственная зрения учащихся и их неиссякаемая любознательность.
Если учитель задал ученикам на дом провести эксперимент или наблюдение, то совершенно не обязательно, что все учащиеся (как и при любом домашнем задании) выполнят это задание. При любом домашнем задании есть ученики, выполнившие домашнюю работу и не сделавшие ее по какой-либо причине. Однако, следует ожидать, что учеников, желающих провести дома самостоятельно опыт, будет больше чем желающих читать учебник. Как карать за невыполненное домашнее задание и насколько сильно требовать выполнения опыта зависит от конкретного учителя. Обсуждение механизма выставления оценок не входит в тему данной работы, поэтому здесь мы не будем останавливаться. Ясно то, что выполнение дома опыта должно поощряться учителем. Это может быть выставление хороших оценок, постановка выполнивших в пример невыполнившим, тут опять же все зависит от конкретного учителя, от его характера работы с каждым отдельным классом.
Проверка выполнения работы. При выполнении работы будет очень хорошо, если ученики будут записывать свои наблюдения в виде письменного отчета о проделанной работе (кратко: что делали, что увидели, сделать попытку дать объяснение увиденному). Это даст учителю возможность проверить выполнение, точнее оценить каждого ученика. При проверке заданного на дом опыта учитель должен обязательно обсудить в классе со всеми учениками теоретические основы наблюдаемого явления. Сначала учителю следует выслушать учеников, как они объяснят увиденное. Далее следует отметить верные мысли учеников, дающих правильное (или почти правильное) объяснение. В заключении учителю следует вкратце напомнить ученикам про опыт и самому четко проговорить ученикам объяснение происходящего при опыте явления, отметить заблуждения учеников (если таковые будут присутствовать в их ответах), указать, где еще на практике можно столкнуться с проявлениями подобного явления. После самостоятельного проведения опыта учениками и обсуждения увиденного с научной точки зрения при участии учителя, у учеников должна сложиться достаточно полная картина об изучаемом явлении. Это представление (а учитель должен приложить все усилия для того, чтобы оно сформировалось правильно) останется у учеников в памяти надолго. Примерно так, по мнению автора, должна выглядеть проверка выполнения опыта, заданного на дом. Такая проверка отнимет от урока времени не больше, чем проверка любого другого домашнего задания, и, в то же время, принесет немалую пользу для формирования у учащихся верных представлений об окружающем мире.
За это задание вы можете получить 2 балла на ЕГЭ в 2020 году
Задание 21 ЕГЭ по физике – одновременно и сложное, и простое для учащихся. Сложным оно является, потому что тема его – одна из самых трудных для усвоения: «Квантовая физика». А простым его можно назвать, потому что этот учебный материал изучается в старших классах, потому контроль знания производится практически «по горячим следам». Также в билет входят задачи по темам «Ядерная физика» и «Волновая оптика» .
Разработчики тестов предлагают два типа задания № 21 ЕГЭ по физике – изменение физических величин в процессах и установление соответствия. В первом случае учащемуся будет предложено определить – как поведет себя та или иная величина – уменьшится, увеличится, не изменится. Ответ представляет собой некий буквенно-цифровой код, заносимый учеником в таблицу. Если в вопросе будет необходимо установить соответствие между физическими явлениями и приборами, в которых используются или наблюдаются эти явления, между физическими понятиями и их определениями, между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать, ученик также составляет мини-таблицу ответов.