Zadanie 17Historia zaczyna się od pewnego dość młodego, bo ledwie dobiegającego czterdziestki pana.W 1916 roku w swojej pracy naukowej zasugerował on istnienie zjawiska nowego typu.Elektron w atomie może przebywać w stanie podstawowym, o najniższej energii, lub w którymś ze wzbudzonych.Obliczenia wskazywały, że jeśli elektron jest w stanie wzbudzonym, a na atom padnie kwant promieniowania o energii odpowiadającej różnicy między poziomem wzbudzonym a niższym, wówczas elektron przejdzie do stanu niższego, emitując kwant promieniowania identyczny z padającym."Na wejściu" mamy więc jeden foton, a "na wyjściu" już dwa, o tej samej energii, fazie i polaryzacji, poruszające się w tym samym kierunku.Nowe zjawisko jest zatem naturalną metodą powielania fotonów.Współcześni ocenili odkrycie jako mało przydatne, przecież atomy najczęściej przebywają w stanie podstawowym!Inwersja obsadzeń, czyli sytuacja, gdy w układzie fizycznym mamy więcej atomów wzbudzonych niż w stanie podstawowym, wydawała się skrajnie mało prawdopodobna.Sceptyczne przyjęcie nie miało specjalnego wpływu na samopoczucie odkrywcy, bo ten był już światu doskonale znany z innych powodów.Zapewne dlatego dziś tak niewielu pamięta, że opisane zjawisko, czyli emisję wymuszoną, odkrył Albert Einstein.Na podstawie: Jarosław Chrostowski, Era posłusznych fotonów, "Wiedza i Życie" nr 6, 2010.Zadanie 17.1 (0-1) Pewien fizyk twierdzi, że gdy na atom w stanie wzbudzonym pada kwant promieniowania o energii odpowiadającej różnicy między tym stanem a niższym (jak w opisanym zjawisku), to niekiedy przejściu elektronu do stanu niższego towarzyszy emisja dwóch kwantów promieniowania identycznych z padającymczyli z jednego kwantu powstają trzy jednakowe kwanty.Spośród poniższych zdań wybierz jedno, które prawidłowo ocenia i uzasadnia, czy to, co twierdzi fizyk, jest możliwe.A. Jest to możliwe, ale wymaga bardzo starannego dopasowania energii kwantu do różnicy energii stanów atomu.B. Jest to niemożliwe, gdyż zabrania tego zasada zachowania pędu.C. Jest to niemożliwe, gdyż zabrania tego zasada zachowania energii.D. Jest to niemożliwe, gdyż zabrania tego zasada zachowania ładunku.Zadanie 17.2 (0-1) Zaznacz poprawne dokończenie zdania.Wiązkę światła, składającą się z fotonów o jednakowej energii, fazie, polaryzacji i kierunku ruchu, można wytworzyć w A. spektroskopie.B. laserze.C. mikroskopie.D. fotokomórce.Zadanie 17.3 (0-1) Oceń prawdziwość poniższych zdań.Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F -jeśli jest fałszywe.
Zadanie 17Historia zaczyna się od pewnego dość młodego, bo ledwie dobiegającego czterdziestki pana.W 1916 roku w swojej pracy naukowej zasugerował on istnienie zjawiska nowego typu.Elektron w atomie może przebywać w stanie podstawowym, o najniższej energii, lub w którymś ze wzbudzonych.Obliczenia wskazywały, że jeśli elektron jest w stanie wzbudzonym, a na atom padnie kwant promieniowania o energii odpowiadającej różnicy między poziomem wzbudzonym a niższym, wówczas elektron przejdzie do stanu niższego, emitując kwant promieniowania identyczny z padającym."Na wejściu" mamy więc jeden foton, a "na wyjściu" już dwa, o tej samej energii, fazie i polaryzacji, poruszające się w tym samym kierunku.Nowe zjawisko jest zatem naturalną metodą powielania fotonów.Współcześni ocenili odkrycie jako mało przydatne, przecież atomy najczęściej przebywają w stanie podstawowym!Inwersja obsadzeń, czyli sytuacja, gdy w układzie fizycznym mamy więcej atomów wzbudzonych niż w stanie podstawowym, wydawała się skrajnie mało prawdopodobna.Sceptyczne przyjęcie nie miało specjalnego wpływu na samopoczucie odkrywcy, bo ten był już światu doskonale znany z innych powodów.Zapewne dlatego dziś tak niewielu pamięta, że opisane zjawisko, czyli emisję wymuszoną, odkrył Albert Einstein.Na podstawie: Jarosław Chrostowski, Era posłusznych fotonów, "Wiedza i Życie" nr 6, 2010.Zadanie 17.1 (0-1) Pewien fizyk twierdzi, że gdy na atom w stanie wzbudzonym pada kwant promieniowania o energii odpowiadającej różnicy między tym stanem a niższym (jak w opisanym zjawisku), to niekiedy przejściu elektronu do stanu niższego towarzyszy emisja dwóch kwantów promieniowania identycznych z padającymczyli z jednego kwantu powstają trzy jednakowe kwanty.Spośród poniższych zdań wybierz jedno, które prawidłowo ocenia i uzasadnia, czy to, co twierdzi fizyk, jest możliwe.A. Jest to możliwe, ale wymaga bardzo starannego dopasowania energii kwantu do różnicy energii stanów atomu.B. Jest to niemożliwe, gdyż zabrania tego zasada zachowania pędu.C. Jest to niemożliwe, gdyż zabrania tego zasada zachowania energii.D. Jest to niemożliwe, gdyż zabrania tego zasada zachowania ładunku.Zadanie 17.2 (0-1) Zaznacz poprawne dokończenie zdania.Wiązkę światła, składającą się z fotonów o jednakowej energii, fazie, polaryzacji i kierunku ruchu, można wytworzyć w A. spektroskopie.B. laserze.C. mikroskopie.D. fotokomórce.Zadanie 17.3 (0-1) Oceń prawdziwość poniższych zdań.Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F -jeśli jest fałszywe.
Tajemnica spinu elektronuWstęp Mechanika kwantowa, mechanika falowa, a obecnie elektrodynamika kwantowa (QED) coraz dokładniej opisują mikroświat.Mimo wspaniałego postępu teorii w naszym myśleniu nie rezygnujemy z poznania modeli i narzędzi, którymi posługuje się fizyka współczesna.Chcę ułatwić wędrówkę po drodze, jaką przeszli fizycy, opisując spin elektronu, i wskazać na te właściwości spinu, które nie mieszczą się w potocznym "zdrowym rozsądku".W mechanice kwantowej, zapoczątkowanej przez Plancka i Einsteina (1905) oraz Bohra (1913), energia jest ziarnista -może być przekazywana atomowi kwantami hf, gdzie h jest stałą Plancka, a f częstotliwością pola elektromagnetycznego. Takimi porcjami można wzbudzać atom Bohra, który znajduje się tylko w stanach dyskretnych, zwanych poziomami energetycznymi.Mechanikę falową zainicjował de Broglie (1923), który postulował, że każdy obiekt o masie m może ukazać się w postaci fali o długości λ = h/p, tym krótszej, im większy jest jego pęd p. Falowo-korpuskularną naturę elektronu zawiera mechanika falowa Schrödingera (1926), w której dyskretne stany stają się stanami prawdopodobnymi, opisanymi za pomocą operatora gęstości.Tak więc w mechanice falowej każdy stan jest superpozycją stanów występujących z określonym prawdopodobieństwem.Połówkowy spin elektronu spowodował burzliwy rozwój mechaniki falowej.Pojawiło się równanie Pauliego (1925) i relatywistyczne równanie Diraca (1928), a także powstała nowa dziedzina matematyki -algebra spinorów, opisująca przekształcenia obrotów odpowiadające cząstce o spinie S = 1/2.Ukoronowaniem dotychczasowych dokonań fizyki jest elektrodynamika kwantowa (QED), a jej modele najdokładniej opisują właściwości elektronu.Aby przybliżyć nam pojęcia mechaniki kwantowej, Arkadiusz Piekara w książce Nowe oblicze optyki za pomocą klocków ilustrował stany o dyskretnych wartościach energii.Pokazał tam, że leżące na stole pudełko zapałek ma trzy stany energii, przy czym każdy ze stanów jest dwukrotnie zdegenerowany.Idąc tropem tego znakomitego popularyzatora fizyki, można powiedzieć, że dwa poziomy energetyczne mają: elektron o spinie S = 1/2 w polu magnetycznym i stożek znajdujący się na płaskiej powierzchni stołu (ryc.1). Mystery of electron spinElectron being an elementary particle has a spin degree of freedom, which makes its properties mysterious.These strange properties reveal themselves after localization narrowing the wave packet.Correction of the spin magnetic moment leads to the complex electron picture.It is not a "naked" object, but "dressed" in photons and in the multibody effect caused by the vacuum fluctuation.
W pracy uzasadniono, ze w badaniach naukowych systemow empirycznych, zwlaszcza maszyn jak rowniez i innych urządzen energetycznych, nalezy uwzglednic istniejącą w ich eksploatacji przypadkowośc i nieprzewidywalnośc zdarzen. Nawiązano do osiągniec mechaniki kwantowej wskazując na wynikający z nich postulat, ze wielkości nazywane komplementarnymi, mają istotną wlasnośc, ktora polega na tym, ze niemozliwy jest jednoczesny i zarazem dokladny pomiar ich wartości. Wykazano, ze z mechaniki kwantowej wynika, iz przy powtarzaniu badan empirycznych, niezaleznie czy są to obserwacje, doświadczenia, czy eksperymenty, nie mozna oczekiwac takich samych wynikow, ale mozna oczekiwac tej samych czestości uzyskania poszczegolnych wynikow. Wynika z tego, ze uzyskanie konkretnego wyniku badan jest zdarzeniem losowym. W artykule zwrocono tez uwage, ze odkrycie w nauce zasady niejednoznacznej przyczynowości doprowadzilo do zakwestionowania dawnego poglądu o istnieniu determinizmu jednoznacznego (czyli jednoznacznego wynikania skutku z kazdej przyczyny) i przyjecia determinizmu wieloznacznego, czyli determinizmu wynikającego z probabilistycznych praw mechaniki kwantowej, dopuszczającej (jak wiadomo) istnienie wyboru.Uwzgledniając wspomniane dokonania mechaniki kwantowej jak tez wyniki badan empirycznych uzyskiwane w fazie eksploatacji maszyn i innych urządzen energetycznych, zaproponowano uwzglednienie w badaniach empirycznych dorobku mechaniki kwantowej.
Streszczenie wystąpienia na Szkole Dydaktyki Fizyki w Kudowie, jesień 2007.Autorka przedstawia swoje stanowisko w kontrapunkcie do prezentacji Ludwika Lehmana, którego referat opublikowano w Fizyce w Szkole.Nauczanie elementów fizyki kwantowej w szkole i przedstawianie jej laikom w ogólności, jest sztuką karkołomną, stanowi nie lada wyzwanie, które zresztą wielu wybitnych ludzi i nauczycieli podejmuje, nota bene, z różnym skutkiem.W powszechnym kanonie wielu krajów europejskich model Bohra znajduje miejsce w programach szkolnych.U nas także znalazł się w podstawie programowej.Ten fakt spotyka się często z krytyką.Argumentuje się, że model ma znaczenie wyłącznie historyczne, że jest niespójny, że ma założenia zupełnie ad hoc, że ma bardzo ograniczone możliwości zastosowania i przewidywania.Jednym słowem, że jest modelem bardzo ubogim w konfrontacji ze współczesną mechaniką kwantową.Padają mocne argumenty, że należy uczyć prawdy, tak by niczego nie musieć później "odszczekiwać".Pan Krzysztof Prałat z II LO w Poznaniu w liście do Redakcji Fizyki w Szkole (2/2007, s. 63) słusznie zwraca uwagę na szereg błędów metodycznych popełnianych przy nauczaniu o modelu Bohra.Problemem nie do pokonania wydaje się być brak synchronizacji z nauczaniem chemii.Na lekcjach chemii, znacznie wcześniej niż na lekcjach fizyki, uczniowie dowiadują się o orbitalach i chmurach elektronowych.Wiedza ta, nie oparta na solidnej podstawie, wpada w szufladkę o nazwie "chemia" i pozostaje bez związku z fizyką.Oczywiście ograniczenia modelu Bohra jako takiego są znane.Inna sprawa, że te ograniczenia i krytyka modelu, tak jak i sam model wcześniej są przez uczniów przyjmowane na zasadzie informacji podanej przez autorytety, a nie poparte własną wiedzą i zrozumieniem.Uczniowie nie posiadają dostatecznej wiedzy, choćby z elektrodynamiki, aby sami mogli zauważyć te ograniczenia.Wprawdzie nie jest to argument istotny za modelem Bohra w szkole, ale warto go mieć na uwadze.Panu Ludwikowi Lehmanowi ostro atakującemu model Bohra w szkole (Dość bohrowania, Fizyka w Szkole, 3/2007, s. 17) trzeba przyznać rację, gdy zauważa on niepoprawne sformułowania przy nauczaniu modelu.Trzeba dobrze samemu rozumieć jaka jest istota modelu, co on przewiduje i jakie ma ograniczenia.Jeśli nie ma tego zrozumienia, to jest wrażenie, że model Bohra to kłamstwo, a dopiero mechanika kwantowa zapodaje prawdę.
Obecnie uważa się, że teoria kwantów przewiduje splątanie stanów odległych obiektów, wyrażające się w tym, że wyniki pomiaru na jednym z nich natychmiast wpływają na rozkład statystyczny wyników pomiaru odpowiedniej wielkości na drugim. Kluczowe znaczenie dla uzasadnienia tego poglądu ma twierdzenie Bella. Można przypuszczać, że powodem fiaska dotychczasowych prób podważenia tego wyniku teoretycznego jest brak wystarczająco wnikliwej refleksji nad specyfiką pomiarów kwantowych, których wyniki odtworzyć miałby taki model. Przeszkodą może tu być specyficzne dla interpretacji kopenhaskiej przeświadczenie, że przed pomiarem badany obiekt nie będący w stanie własnym odpowiedniej obserwabli nie ma żadnej z własności odpowiadającej pomiarowi aktualnie. Być może należałoby powrócić do wcześniejszych wyobrażeń opartych na „mikroskopie Heisenberga” i zreinterpretować redukcję stanu jako reorientację wektora stanu. Naturalną strategią poszukiwania modelu klasycznego, który miałby odtworzyć łamiące nierówności Bella korelacje kwantowe, jest próbować złożyć je na karb wspólnej przyczyny. Decydującym założeniem twierdzenia Bella jest jednak warunek będący uszczegółowieniem jednego z warunków występujących w teorii wspólnej przyczyny Reichenbacha. Kluczem do jego podważenia może okazać się odróżnienie od determinizmu „prima facie” determinizmu naukowego, dokonane przez Poppera w kontekście zjawisk deterministycznego chaosu. Zgodnie z tą sugestią, nieodłączny od pomiaru kwantowego proces reorientacji miałby być właśnie procesem chaotycznym. Należałoby jeszcze wykazać, że redukcje stanu w eksperymentach EPR, o których mowa w twierdzeniu Bella, można zreinterpretować jako reorientacje. W pracy przedstawiony został jakościowy argument przemawiający za takim przypuszczeniem.
W niniejszej pracy przedstawiamy koncepcje powstawania czasu jako wyniku pierwszego podzialu fotonu. Zakladamy, ze czas nie jest pierwotnie powiazany z przestrzenia ani niezaleznym bytem, lecz emerguje z obserwacji zmiany stanu fotonow. Kazdy podzial fotonu tworzy nowy krok czasowy t0, odpowiadajacy czasowi Plancka, a dlugosc fali fotonu ∆x odpowiada dlugosci Plancka Rozwazania pokazuja, ze czas jest dyskretny w mikroswiecie, ale w makroskali tworzy spojny kontinuum. Podzial fotonu wyznacza kierunek czasu i naturalnie definiuje predkosc swiatla c = ∆x/∆t. Konsekwencja tej teorii jest nowy sposob interpretacji kwantowej nieokreslonosci, losowosci pomiarow oraz fundamentalnych relacji miedzy fotonem, czasem i przestrzenia. Proponujemy weryfikacje tej koncepcji poprzez eksperymenty interferencyjne o ultrakrotkich impulsach oraz badania pojedynczych fotonow w ekstremalnych warunkach. kimbanaszkiewicz@gmail.com
Tematem niniejszej rozprawy jest modelowanie procesu emisji spontanicznej zachodz ącego w ośrodku o strukturze kryształu fotonicznego.Z uwagi na możliwość opisu analitycznego struktury, w pracy ograniczono się do badania jednowymiarowego kryształu fotonicznego, co jednak pozwala opisać najistotniejsze cechy zjawiska w sposób w pełni ścisły.Dzięki temu można sformułować ogólne wnioski, podaj ąc jednocześnie założenia i ograniczenia, którym one podlegaj ą.Jednowymiarowe kryształy fotoniczne charakteryzuj ą się takimi samymi cechami, jak bardziej złożone dwu-lub trójwymiarowe, dlatego przedstawiona analiza i płyn ące z niej wnioski maj ą zastosowanie także dla nich.W rozprawie przedstawiono analityczny model pola elektromagnetycznego w strukturze jednowymiarowego kryształu fotonicznego -oparty na metodzie macierzy przejścia tzw.model efektywnego rezonatora, utworzony według pomysłu autora rozprawy.Podano interpretację fizyczn ą parametru struktury zdefiniowanego w tym modelu, tzw.widma modowego, które pozwala na łatw ą i przejrzyst ą analizę struktury modowej i bezpośrednio przekłada się na szybkość emisji spontanicznej.Wskazano sposób konstrukcji ortonormalnej bazy modów struktury oraz pokazano liczne właściwości matematyczne modelu.W oparciu o model efektywnego rezonatora wyprowadzono wyrażenie na szybkość emisji spontanicznej dla jednego i wielu atomów.W ten sposób otrzymany został opis charakteryzuj ący za pomoc ą widma modowego wpływ warstw jednowymiarowego kryształu fotonicznego na emisję spontaniczn ą.Jest to opis bardzo wygodny z punktu widzenia projektanta struktur tego typu i stanowi oryginalny wkład autora rozprawy.Z przeprowadzonych obliczeń wyci ągnięte zostały wnioski dotycz ące wpływu parametrów i defektów struktury na emisję spontaniczn ą, w szczególności pokazano, że emisja do modu defektowego słabnie wraz z oddalaniem się od zdefektowanej warstwy.Otrzymane wyniki dla przypadku wielu atomów w różnych warstwach struktury uczyniły zasadnym także postawienie hipotezy, iż kolektywna emisja fotonu przez parę atomów, z których jeden znajduje się w otoczeniu silnie hamuj ącym emisję spontaniczn ą, może stanowić dla tego atomu dominuj ący mechanizm emisji.