Fizyka kwantowa i astronomia

Prowadzący

Czas Trwania Warsztatów

25 godzin lekcyjnych (5 dni po 5 godzin lekcyjnych)

Fizyka kwantowa i astronomia

Warsztaty z pogranicza fizyki, matematyki i programowania

Warsztat poświęcony podstawom fizyki kwantowej, konsekwencjom wynikającym z tego dla współczesnej nauki i zrozumienia otaczającego nas świata (od pojedynczych cząstek, do całego Wszechświata). Jak narodziła się idea fizyki kwantowej? W jaki sposób współczesna astronomia czerpie z bogactwa jej teorii? Czy materia, którą widzimy, jest jedyną istniejącą? Czy nasz Wszechświat rzeczywiście jest unikatowy, czy może jest tylko jednym z wielu?

Do kogo kierowany jest ten warsztat?

Warsztat kierowany jest do uczniów liceów lub III klasy gimnazjum, bardziej zainteresowanych teoretycznym obliczem fizyki (matematyką stojącą za opisem obserwowanego świata, eksperymentami myślowymi, czy symulacjami komputerowymi), niż jej stroną laboratoryjną. Dla rozważających wybór studiów związanych z dziedzinami, takimi jak matematyka, fizyka, astronomia.

Uczestnicy, którzy chcą wziąć udział w warsztacie powinni posiadać bardzo dobre rozumienie następujących zagadnień z:

  •        kinematyki i grawitacji: opis ruchu, formy energii, zasady dynamiki Newtona, pole grawitacyjne, prawa Keplera;
  •        fal mechanicznych: zjawiska interferencji i dyfrakcji, odbicie i załamanie fali;
  •        matematyki: przekształcanie wzorów, rozwiązywanie równań i nierówności, pojęcie funkcji;
  •        technologii informacyjnej: umiejętność korzystania z chmur danych.

   Niezbędny sprzęt i oprogramowanie

Komputer z systemem Windows/Linux, zainstalowane Zintegrowane Środowisko Programistyczne (IDE) dla języka C/C++ (np. Dev-C++, Code::Blocks)*

*są to środowiska darmowe w pełnej wersji, bez limitu czasowego

Dlaczego warto wziąć udział w tym warsztacie?

Podczas warsztatu uczestnicy:

  •          rozszerzą wiedzę z matematyki;
  •          udoskonalą używanie aparatu matematycznego w fizyce;
  •          zdobędą wiedzę z niezwykle interesującej, ale też niełatwej dziedziny fizyki (często pomijanej w szkołach);
  •          nabędą umiejętności poszukiwania materiałów (film, artykuł, literatura) z interesujących uczestnika zagadnień.

Program warsztatu

Dzień pierwszy

Narodziny fizyki kwantowej


Na zajęciach zajmiemy się tym, skąd wzięły się podstawy teoretyczne fizyki kwantowej (m. in. teoria Planka, zasada nieoznaczoności Heisenberga) i jaki ma to związek z atomową budową materii (teorie Bohra i Rydberga). A także,  jak starano się doświadczalnie, na drodze eksperymentu laboratoryjnego lub myślowego, sprawdzić poprawność tych przewidywań.

 

Zadania:

  •          eksperymenty myślowe (tworzenie ciągów przyczynowo-skutkowych);
  •          zajęcia rachunkowe.

Dzień drugi


Skąd się wzięło Równanie Schrödingera?


Tego naukowca nikomu przedstawiać chyba nie trzeba, podobnie jak jego kota ;) Na zajęciach zajmiemy się tym, jaką filozofię nauki prezentował słynny żywy i martwy zwierzak, a także jak Erwin Schrödinger doszedł do swojego równania. Zastanowimy się, jakie konsekwencje wynikają z tego dla współczesnej nauki. Zajmiemy się również symulacjami cząstek, które (jak się dowiemy) podlegają zjawiskom kwantowym.

 

Zadania:

  •          dyskusja z eksperymentem myślowym (kot Schrödingera);
  •          zajęcia rachunkowe;
  •          realizacja/obserwacja symulacji komputerowych.

 

Dzień trzeci

Szczególna teoria względności Einsteina


Przed nami teoria kolejnego z wielkich naukowców, którego nikomu przedstawiać nie trzeba. Zajęcia poświęcone Szczególnej Teorii Względności  – jej powstaniu, podstawom matematycznym i przewidywanym na podstawie równań zjawiskom. Odpowiemy na pytania: czy znalazły one pokrycie w rzeczywistości? Jak i kiedy sprawdzono to eksperymentalnie? Czy możemy obejrzeć je na własne oczy, czy polegamy wyłącznie na obliczeniach i symulacjach?

 

Zadania:

  •          zajęcia rachunkowe;
  •          obserwacja zjawisk kwantowych i astronomicznych (źródło: wolny dostęp od jednostek badawczych z całego świata);
  •          realizacja/obserwacja symulacji komputerowych.

 

Dzień czwarty

 

Współczesny opis Wszechświata


Na zajęciach poprzedniego dnia rozmawialiśmy o konsekwencjach i paradoksach matematycznych oraz ich odzwierciedleniu w otaczającej nas (czasami bardzo, bardzo daleko) rzeczywistości. Czas jednak zadać sobie pytanie, co dalej? W trakcie zajęć porozmawiamy o teorii strun, teorii fluktuacji oraz koncepcji multi–Wszechświatów.  Spróbujemy pomóc naszej wyobraźni to „ogarnąć” dzięki symulacjom komputerowym. W tym dniu czeka nas również eksperyment myślowy, samodzielnie zaprojektowany na podstawie wiedzy z poprzednich dni – jaka przyszłość czeka nasz Wszechświat? Czy przetrwa? A może zniknie? Jakie są możliwości końca Wszechświata?

 

Zadania:

  •          dyskusja ze współczesnymi teoriami o potencjalnym rozwoju i końcu Wszechświata;
  •          projektowanie własnego eksperymentu myślowego;
  •          realizacja/obserwacja symulacji komputerowych;
  •          wyciąganie wniosków ze zgromadzonych danych.

 

Dzień piąty

Komputery i inne kwantowe przygody

Dzień poświęcony wykorzystaniu zjawisk kwantowych w innych dziedzinach fizyki, niż wielkie obserwacje i odkrycia astronomiczne, a także prototypowym rozwiązaniom technologicznym, które na nich bazują… i mają z nimi problemy ;) Odpowiemy na pytania: czym jest splątanie kwantowe i jaki ma związek z komputerami kwantowymi, czy magazyny energii mogą korzystać z efektów kwantowych (lub czy mogą im one przeszkadzać) i dlaczego obecnie mamy „mały problem” z zaprojektowaniem szybszych, mniejszych procesorów? Ostatni dzień warsztatów, pełen ciekawych symulacji, z małą dawką rachunków o zaskakujących wynikach.

Zadania:

  •          zajęcia rachunkowe dotyczące występowania efektów kwantowych;
  •          symulacje dotyczące komputerów kwantowych i innych urządzeń wykorzystujących te efekty.

Mechanika kwantowa opisuje przyrodę, jako absurdalną z punktu widzenia zdrowego rozsądku. I w pełni zgadza się z doświadczeniem. Mam więc nadzieję, że zaakceptujecie naturę taką, jaka jest – absurdalną.

Richard Feynman