Κυριακή, 31 Αυγούστου 2008

Richard Feynman. Ο δάσκαλος των δασκάλων

Ο Richard Feynman γεννήθηκε σε ένα προάστιο της Νέας Υόρκης στις 11 Μαϊου του 1918. Μεγάλωσε στο Μανχάτταν. Οικονομικά η οικογένειά του δεν ήταν ούτε πλούσια ούτε φτωχή. Υπήρχε άνεση, αλλά δεν ήταν πλούσιοι. Με την βοήθεια του πατέρα του -που δεν είχε ιδιαίτερη μόρφω­ση, αλλά ήταν φιλοπερίεργος και ζωντανός άνθρωπος- συνειδητοποίη­σε πως η επιστήμη δεν είναι απομνημόνευση, αλλά αναζήτηση βασι­κών αρχών. «Έμαθα», γράφει ο ίδιος, «ότι αν γνωρίζεις το όνομα ενός πουλιού σε όλες τις γλώσσες, δεν γνωρίζεις τίποτε, απολύτως τίποτε, για το ίδιο το πουλί».
Ως νεαρός είχε την ευκαιρία να μάθει να δουλεύει εραστηριακά. Όταν ήταν περίπου 10 χρονών, ξεκίνησε να αγοράζει παλαιά ραδιόφωνα με σκοπό να τα χρησιμοποιήσει στο "προσωπικό του εργαστήριο", μια συλλογή από ηλεκτρικά "gadgets" και κομμάτια ηλεκτρονικών. Στην ηλικία όμως των 12, ήταν ήδη σε θέση να φτιάχνει τα ραδιόφωνα της γειτονιάς του.
Ήταν καλός στα περισσότερα επιστημονικά πράγματα, δηλαδή, σε θέματα που άπτονται με τη λέξη "επιστήμη": αστρονομία, φυσική, χημεία, βιολογία, γεωλογία, κ.λπ.. Ήταν επίσης εξαιρετικά ταλαντούχος στα μαθηματικά, ακόμη και σε σημείο να διδαχθεί ουσιαστικά πολλά μαθηματικά, που θα τα χρησιμοποιούσε αργότερα σε μια καθημερινή βάση. Από 15 χρονών μπορούσε να λύνει διαφορικές εξισώσεις και ολοκληρώματα.
Ο Feynmann εργαζόταν χωρίς πίεση για να φτιάξει κάτι. Αυτό ήταν ένα θέμα που συνεχώς ανακαλύπτεται περιοδικά κατά τη διάρκεια της ζωής του. Οι ανταμοιβές για τις εργασίες του ήταν αποκλειστικά δικές του. Ήταν ο κριτής της αξίας του. Ήταν ένα ελεύθερο άτομο.
Όπως είναι σύνηθες για τα προικισμένα μυαλά στις Ηνωμένες Πο­λιτείες, ο Feynman απέκτησε την ισχυρή παιδεία του σε φημισμένα πα­νεπιστήμια της χώρας. Αρχικά στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μα­σαχουσέτης (Μ.Ι.Τ.), ενώ στην συνέχεια εκπόνησε την διδακτορική του διατριβή -και τις πρώτες του εργασίες- στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Εκεί μάλιστα έδωσε και την πρώτη του διάλεξη, μπροστά σε ένα ακροατήριο που περιελάμβανε τον Αϊνστάιν, τον Pauli και τον κορυφαίο μαθηματικό von Neymann! Όπως και άλλοι σπουδαίοι φυσικοί της επο­χής, ο Feynman ξεπέρασε τα ηθικά διλήμματα και δούλεψε για ένα διά­στημα στο πρόγραμμα κατασκευής της ατομικής βόμβας. Μετά τον πόλεμο εκλέγεται καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Cornell και, αφού διδάξει ένα χρόνο στην Βραζιλία, το 1950 θα μετακινηθεί και θα παρα­μείνει ως το τέλος της ζωής του στο επίσης φημισμένο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας (Caltech). Σε αντίθεση με την προηγούμε­νη γενιά των κορυφαίων Ευρωπαίων φυσικών, ο Feynman δεν είχε ιδι­αίτερη κουλτούρα ούτε κάποια φιλοσοφική προδιάθεση. Αντιπροσώ­πευε τον νέο και επιθετικό αμερικανικό πραγματισμό" και ήταν ένας τύπος μποέμ, με μοναδικό χιούμορ και ασίγαστη περιέργεια. «Έχω μια έμφυτη έλξη για τα αινίγματα, τις σπαζοκεφαλιές», γράφει ο ίδιος στις διασκεδαστικές αυτοβιογραφικές του σελίδες. «Γι' αυτό νιώθω σφοδρή επιθυμία να αποκρυπτογραφήσω τα ιερογλυφικά των Μάγια, όπως και να μπορώ να ανοίγω χρηματοκιβώτια». Χαρακτηριστικές είναι οι "πλάκες'' που έκανε στο προσωπικό του Los Alamos. Προσπαθώντας να διασκεδάσει με το δικό του μοναδικό τρόπο, αλλά και να αποδείξει τα ελλειπή μέτρα ασφαλείας, άνοιγε τα χρηματοκιβώτια που περιείχαν τα έγγραφα για την κατασκευή της ατομικής βόμβας.Σε μια περίπτωση, ακριβώς μετά από το τέλος του πολέμου, είχε μια σπάνια ευκαιρία να χρησιμοποιήσει αυτό το ταλέντο, όπου κατόρθωσε να ανοίξει μια τράπεζα των αρχείων που περιείχε κάθε έγγραφο για την κατασκευή της βόμβας, εμφανίζοντας κατά συνέπεια το ταλέντο του.
Η αντιπάθεια του προς τις αφηρημένες εκφράσεις της κβαντομηχα­νικής τον οδήγησε αρχικά σε μια παραστατική, δική του διατύπωση. Η κάθε κβαντική διαδικασία περιγραφόταν ως σύνολο όλων των πιθανών δρόμων, ως άθροισμα όλων των δυνατών ιστοριών που συνέδεαν δύο διαφορετικές καταστάσεις ενός σωματιδίου. Οι ιδέες αυτές αποτέλεσαν τον προπομπό της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής. Και ενώ η θεωρία αυ­τή αποτελεί την μέγιστη συμβολή του, ο Feynman θα διακριθεί επίσης, με την εκπλήσσουσα διορατικότητα και γνώση του, σε ποικίλα ερευνη­τικά θέματα: από την μελέτη του υγρού ηλίου στην εσωτερική δομή των πρωτονίων και από τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις σε μια ολο­κληρωμένη θεωρία για τα ποζιτρόνια. Τα αντισωματίδια αυτά τα ερ­μήνευσε ως ηλεκτρόνια, αλλά που κινούνται προς τα πίσω ως προς τον χρόνο! «Υπάρχουν δύο μόνον τρόποι», έγραφε ένας συνεργάτης του, «για να λύσει κανείς δύσκολα προβλήματα στην φυσική. Ο ένας είναι να χρησιμοποιήσει μαθηματικά. Ο άλλος να ρωτήσει τον Feynman». Ενώ ο βιογράφος του James Gleick σημειώνει: «Δεν πρέπει να υπήρξε άλλος φυσικός στην Γη που να μπορεί να συγκριθεί με τον Feynman ως προς την πληθωρική γνώση του της επιστήμης».
Πληθωρικός, επίσης, υπήρξε και στην ζωή του. Πάντοτε ανοιχτός στις προκλήσεις, ικανός να αναλώνεται σε ένα καθημερινό πρόβλημα ή στην γοητεία μιας γυναίκας, ειλικρινής στις αρετές αλλά και στις αδυ­ναμίες του. Συζητεί προβλήματα φυσικής με όλους τους σπουδαίους της εποχής, τον Bohr, τον Dirac ή τον Wheeler. Γνωρίζεται όμως και με τον διάσημο χαρτοπαίκτη Nick the Greek ή συνοδεύει με το τύμπανο του την παράσταση ενός μπαλέτου. Διατυπώνει την ακριβέστερη θεω­ρία της φυσικής" στοιχηματίζει όμως επίσης -και κατορθώνει!- να διαρρήξει ένα χρηματοκιβώτιο που φύλασσε ατομικά μυστικά.
Το 1926, ο βρετανός φυσικός Dirac ανακάλυψε μια εξίσωση που περιέγραφε την κίνηση και την ιδιοπεριστροφή των ηλεκτρονίων. Μια εξίσωση που ενσωματώνονται η κβαντική θεωρία και η θεωρία της σχετικότητας. Αυτή η εξίσωση βοήθησε τον Feynman να ανακαλύψει την QED.
Για αυτήν την εργασία, που η τελική της μορφή αποκτήθηκε το 1947, τελικά του απονεμήθηκε το 1965, το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική. Το βραβείο το μοιράστηκε με τους Schwinger και Tomonaga, οι οποίοι επίσης ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, βρήκαν τις δικές τους μεθόδους στο ίδιο πρόβλημα, την επανακανονικοποίηση των εξισώσεων της κβαντομηχανικής. Ίσως η θεμελίωση της QED είναι το τελειότερο δημιούργημα του ανθρώπινου νου, αφού συμφωνεί με τα πειραματικά δεδομένα με ακρίβεια 13 δεκαδικών ψηφίων.
Ο Feynman ήταν σε θέση επίσης να κάνει μια σημαντική ανακάλυψη στη φυσική της υπερρευστότητας του υπερψυχρου υγρού ηλίου, όπου το υγρό δεν παρουσιάζει καμία αντίσταση λόγω τριβής ενώ ρέει. Εφάρμοσε επιτυχώς την καλά γνωστή εξίσωση του Schrodinger στο ζήτημα αυτό, δείχνοντας ότι η υπερρευστότητα που εμφανίστηκε, ήταν όπως υπολογίστηκε με την κβαντομηχανική συμπεριφορά, σε μακροσκοπικές κλίμακες.
Παράλληλα με την ερευνητική του παρουσία, ανατρεπτική υπήρξε η συμβολή του Feynman στην διδασκαλία της φυσικής. Στα πανεπιστη­μιακά του μαθήματα, αλλά και στις πολλές εκλαϊκευτικές ομιλίες του, κάθε πρόβλημα αντιμετωπίζεται με παρθενική ματιά, με βαρύτητα στην ακρίβεια των εννοιών και στο καίριο των ερωτημάτων. Τα βιβλία που αποτύπωσαν αυτά τα μαθήματα, οι περίφημες Διαλέξεις στην Φυ­σική, μεταφράστηκαν και διαδόθηκαν σε πολλές χώρες. Διδάσκουν ακόμη και σήμερα τους φοιτητές -συχνά όμως και τους ώριμους επι­στήμονες!- να αποφεύγουν την τυπολατρία και να αναζητούν τις βασι­κές αρχές των φαινομένων. Νευρώδης και κινητικός, ο Feynman απείχε από την κλασική εικόνα του δασκάλου που διαθέτει ήρεμο και δομημένο λόγο. Αισθανόσουν ότι ο ίδιος ζούσε και πάλι μια μεγάλη περιπέτεια, στην οποία καλούσε τους μαθητές του.
Η ιδιόμορφη ακεραιότητα αλλά και η ικανότητα του να αντιμετω­πίζει κάθε είδους πρόβλημα θα αναδειχθεί με τρόπο εντυπωσιακό λίγο πριν από τον θάνατο του. Το 1986, και σχεδόν αμέσως μετά την εκτό­ξευση του, το διαστημικό λεωφορείο Challenger εκρήγνυται στον αέρα, μπροστά στα μάτια εκατομμυρίων θεατών. Ο ίδιος ο πρόεδρος των Ηνωμένων Πολιτειών ζητά να γίνει εμπεριστατωμένη έρευνα γύρω από το τραγικό δυστύχημα" και η NASA, που είχε πληγεί βαρύτατα στην δημόσια εικόνα της, καλεί μάλλον απερίσκεπτα τον Feynman να συμμετάσχει στην σχετική επιτροπή.


Υπήρχαν στοιχεία από τις προηγούμενες πτήσεις, πως κάποια λαστιχένια δακτυλίδια (Ο-ring), τσιμούχες, που σφράγιζαν τις διόδους της δεξαμενής καυσίμων, πάθαιναν ζημιά κατά τις πτήσεις, ακόμα και μερικές φορές έφθαναν κοντά στην ολοκληρωτική καταστροφή τους. Φυσικά έφταιγε η κακή κατασκευή τους.
Κατάλαβε τελικά, ότι ότι οι ελαστικές ιδιότητες των δαχτυλιδιών, O-ring, στις χαμηλές θερμοκρασίες, καταστρέφονταν. Γιατί το πρωί της μοιραίας έναρξης της πτήσης, ο καιρός είχε φτάσει σε ιδιαίτερα χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω τού μηδενός στην πραγματικότητα), τις χαμηλότερες θερμοκρασίες της ημέρας. Ο Richard σκέφτηκε ότι τα λαστιχένια δαχτυλίδια (τσιμούχες) πιθανόν να ήταν ανίκανα σε μια τέτοια θερμοκρασία να διασταλούν αρκετά γρήγορα με την έναρξη της πτήσης για να σφραγίσουν πλήρως τους συνδέσμους, και ίσως τότε να επίτρεψαν στα εξαιρετικά καυτά αέρια να διαρρεύσουν μέσα από τον σύνδεσμο και να καούν τα καύσιμα μέσα στη μεγάλη δεξαμενή, που ήταν γεμάτη με το υγρό υδρογόνο, προκαλώντας κατά συνέπεια την τελική καταστρεπτική έκρηξη.
Για να εξετάσει το εύλογο της θεωρίας του, κατόρθωσε να αποκτήσει μια τσιμούχα γνήσια του o-ring, του ίδιου τύπου που χρησιμοποιήθηκε στις συνδέσεις των πυραύλων. Αφού βρήκε κατόπιν από ένα κοντινό κατάστημα έναν μικρό σφιγκτήρα (τανάλια), πήγε πίσω στο δωμάτιο του ξενοδοχείου του, συμπίεσε την τσιμούχα με τον σφιγκτήρα και την βύθισε έπειτα σε μίγμα νερού και πάγου για κάποιο χρόνο, κάνοντας την να βρεθεί έτσι σε θερμοκρασία 0 βαθμών C. Αφού την έβγαλε την τσιμούχα από το παγωμένο νερό είδε, όπως το ανέμεινε, το λάστιχο να παραμένει ακόμη συμπιεσμένο, για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα.
Αισθάνθηκε τώρα αρκετά σίγουρος για να παρουσιάσει αυτό το εύρημα του στην επιτροπή του Κονγκρέσσου. Αλλά νόμιζε ότι χρειαζόταν να κάνει αρκετό θόρυβο για να μην αγνοηθεί ή να θαφτεί αυτή η θεωρία του. Αποφάσισε δε ότι η καλύτερη θέση για να απκαλύψει αυτό το θέμα, θα ήταν ζωντανά στην τηλεόραση (live) την επόμενη ημέρα, κατά τη διάρκεια της συνεδρίασης της επιτροπής.
Έτσι σύμφωνα με το σχέδιό του, πήρε το λαστιχένιο δείγμα και την τανάλια, στη συνεδρίαση και βεβαιώθηκε ότι θα υπήρχε εκεί μέσα ένα δοχείο με παγάκια. Σε μια κατάλληλη στιγμή προετοίμασε το δείγμα του στο παγωμένο νερό και έπειτα κατέδειξε στην επιτροπή την ανεπανόρθωτη συμπεριφορά του Ο-rings.
Η επίδειξη δεν ήταν μια καλή απόδειξη, δεδομένου ότι οι διάφοροι ανώτεροι υπάλληλοι είχαν υποστηρίξει ότι η αιτία της έκρηξης μπορεί να να μην λυθεί ποτέ. Το απλό πείραμα του Feynman εμφάνισε όχι απλώς την πιθανή "μηχανική" αιτία του ατυχήματος, αλλά επειδή ο Feynmann ήταν ένας "ξένος" με την NASA και την εκτόξευση του διαστημικού οχήματος, έγινε πιστευτός. Ο καθένας ενδεχομένως να είχε εμφανίσει λαστιχένια δαχτυλίδια, και να ισχυριζόταν ότι είναι η αιτία της καταστροφής, αλλά μόνο ένας "ξένος" ήταν ελεύθερος να το κάνει πραγματικά έτσι. Στην επιτροπή του Κονγκρέσου, τα μέλη της επηρεάστηκαν πολύ από τον Feynman, για να εκδόσουν την απόδασή τους.
Ο Feynman θα παραμείνει καθηγητής στο Caltech ώς το τέλος της ζωής του, που επήλθε, ύστερα από μακρά ασθένεια, το 1988. Ο κόσμος έχασε τότε έναν από τους σπουδαιότερους θεωρητικούς φυσικούς, αλλά και ένα πνεύμα με σπάνιες αρετές. «Η γοητεία του Feynman», συνοψί­ζει ο Πέτρος Δήτσας, «έγκειται στο ότι ενσάρκωνε σε ένα εκρηκτικό σύνολο ποιότητες που σπάνια συνυπάρχουν. Λάτρης της φύσης και της ζωής και ταυτόχρονα σαρκαστής του ρομαντικού πνεύματος, μεγαλο­φυής διαισθητικός και ταυτόχρονα ακούραστος ελεγκτής της λεπτομέ­ρειας, δημιουργικός χρήστης των μαθηματικών και ταυτόχρονα αντιφορμαλιστής, φόβητρο, για την τσουχτερή κριτική του, των ερευνητών και των κάθε είδους ισχυρών, κι όμως προσιτός στους φοιτητές και τους απλούς ανθρώπους, ερασιτέχνης κατασκευαστής υπολογιστών και ταυτόχρονα ντραμίστας και ζωγράφος...».
Η αναχώρηση του από τον επίγειο κόσμο μας σήμαινε, πράγματι, ένα κενό που δεν αναπληρώνεται. Ευτυχώς, αυτός, ο εμπνευσμένος χο­ρογράφος του φωτός, άφησε τουλάχιστον πίσω τις χορογραφίες του. Εκείνες είχαν ήδη αρχίσει να καθοδηγούν την φυσική στον δύσκολο δρόμο, που θα ενοποιούσε ίσως όλες τις αλληλεπιδράσεις.

Βιβλιογραφία:
1. Γ.Γραμματικάκης,(2006), Η Αυτοβιογραφία του φωτός,Π.Ε.Κ, Ηράκλειο.
2. http://www.physics4u.gr/articles/2002/feynman.html
3. R.Feynman,(2007),Σίγουρα θα αστειεύεστε κύριε Φαϊνμαν,Κάτοπτρο,Αθήνα.
4.http://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman


Παρακάτω προσθέτω δυο βιντεάκια με τον R.Feynman.
Στο πρώτο περιγράφει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ο ορισμός της διδασκαλίας. Αέναη νευρώδης κίνηση, αστείρευτο πάθος για τη φυσική και τη διδασκαλία. Και είναι μια συνέντευξη.
Το δεύτερο είναι η o-ring συνεντευξη.
1.






2.

Πέμπτη, 28 Αυγούστου 2008

Ας διδάξουμε ελεύθερη πτώση …… βλέποντας σινεμά!

Όλα ξεκίνησαν, όταν ψάχνοντας κάτι στο internet, έπεσα πάνω σε ένα – δυο άρθρα για τη δυνατότητα χρησιμοποίησης του cinema ως εργαλείο εκπαίδευσης. Τη βρήκα πολύ ενδιαφέρουσα ιδέα και ψάχνοντας βρήκα και άλλους εναλλακτικούς τρόπους διδασκαλίας φυσικής όπως, τη χρησιμοποίηση των comic ως διδακτικό εργαλείο.Στο συγκεκριμένο κείμενο παρουσιάζω μια πρόταση συζήτησης για την επιστήμη ή ψευδοεπιστήμη των ταινιών του Hollywood, με βάση την ταινία «Pirates of the Caribbean: The Curse of the Black Pearl» και αντικείμενο απασχόλησης, την ελεύθερη πτώση και την κινητική ενέργεια.

Τίτλος / Έτος
Πειρατές της Καραϊβικής: Η κατάρα του μαύρου μαργαριταριού / 2003

Παραγωγός:
Walt Disney Pictures

Σκηνοθέτης:
Gore Verbinski

Ηθοποιοί:
Johnny Depp, Geoffry Rush, Orlando Bloom, Keira Knightly

Στοιχεία για την ταινία στο internet:
Στο: Internet Movie Database
http://www.imdb.com/title/tt0325980/


Τίτλος της σκηνής:
Το ατύχημα της Miss Swan’s.

Λέξεις κλειδιά:
Βαρύτητα, Ελεύθερη Πτώση, Κινητική Ενέργεια.



Περιγραφή της σκηνής:
Ενώ ο Norrington ομολογεί την αγάπη του στην Elizabeth Swann, και ενώ προσπαθεί να βρει τις κατάλληλες λέξεις για να της κάνει πρόταση, η καημένη Miss Swann αισθάνεται δύσπνοια και πέφτει από ένα ύψος 30 ή 40 m στα νερά του ωκεανού. Ο Norrington αποφασίζει να βουτήξει να τη σώσει, αλλά ένας φρουρός που στεκόταν πιο δίπλα φωνάζει: “Τα βράχια κύριε! Είναι θαύμα που δεν τα χτύπησε!”

Βασική Περιγραφή:

Η ερώτηση λοιπόν είναι η εξής: Παίζει κανένα ρόλο ή όχι αν θα χτυπήσει στα βράχια, αφού πέφτει στο νερό από ένα ύψος, ας πούμε 40m;

Ας δούμε λοιπόν, τι γνωρίζουμε για την ελεύθερη πτώση. Για λόγους ευκολίας, παραλείπουμε την αντίσταση του αέρα. Τον χρόνο t για την ελεύθερη πτώση τον βρίσκουμε από τον τύπο:

t = (2h/g)1/2 , όπου h είναι το ύψος και g = 9.81 m/s2 , η επιτάχυνση της βαρύτητας. Η ταχύτητα δίνεται από τον τύπο υ = gt.

Φτάνει στην επιφάνεια του νερού σε 2.86 seconds περίπου με ταχύτητα 28.06 m/s, που είναι περίπου 100 km/h.

Τα αυτοκίνητα που συγκρούονται με τοίχο και κινούνται με τέτοιες ταχύτητες παθαίνουν τεράστια ζημιά και το να πέσεις από 40m θα προκαλέσει το ίδιο ή και χειρότερα καταστροφικά αποτελέσματα στο ανθρώπινο σώμα. Οι λίγοι επιζήσαντες θα είχαν πολλαπλά κατάγματα και εσωτερικούς τραυματισμούς.

Χωρίς πολύπλοκα μαθηματικά, μπορούμε να περιγράψουμε τι συμβαίνει κατά την κρούση της Miss Swann με την επιφάνεια της θάλασσας:
Μετά την κρούση με το νερό η ταχύτητα πέφτει από τα 100 km/h, σε ας πούμε, περίπου, 5-10 km/h.


Εντούτοις, μια αλλαγή στην ταχύτητα σημαίνει και αλλαγή στην κινητική ενέργεια και αυτή η ενέργεια μετατρέπεται σε ενέργεια παραμόρφωσης. Προφανώς οι φυσικοί νόμοι δεν διαφέρουν για την Miss Swann.

Από αυτούς που κάνουν απόπειρες αυτοκτονίας από την “Golden Gate bridge” πηδώντας από ύψος 67 meters περίπου στο νερό, πεθαίνει το 98%. Όσοι επιβιώνουν - το 2%- έχουν πολλαπλά κατάγματα και εσωτερικούς τραυματισμούς.

Ερώτηση:

Τι δεν πάει καλά με τη σκηνή?

Η Elizabeth βγαίνει από το νερό χωρίς πληγές ή κάποιο χτύπημα ενώ στον πραγματικό κόσμο θα ήταν τυχερή αν έβγαινε ζωντανή.

Βιβλιογραφία:

1. Joseph E. Champoux, (1999),FILM AS A TEACHING RESOURCE, Journal of Management Inquiry 8(2): 240-251.


2. Costas Efthimiou and Ralph A. Llewellyn, CINEMA AS A TOOL FOR SCIENCE LITERACY, Selected Papers from the 15th International Conference on Teaching and Learning, J.A. Chambers, ed., 2004. ISBN 1-931997-02-0.

3. http://arxiv.org/abs/physics/0404078v1

4.http://www.cisci.net/movies.php?display=5&seq_id=1&lang=1


Κυριακή, 24 Αυγούστου 2008

Κατασκευή ενός ηλεκτροκινητήρα και ενός φασματοσκοπίου για πείραμα επίδειξης

Εδώ, παρουσιάζω δυο πειράματα που έχω πραγματοποιήσει, συμπληρώνοντας και το θεωρητικό υπόβαθρο που πρέπει να έχουμε, (όχι τόσο για το γνωστικό κομμάτι), αλλά ώστε να εκτελέσουμε ένα πείραμα και μάλιστα ένα πείραμα επίδειξης και να το εισάγουμε στη διδασκαλία.
Αξίζει να προσπαθήσουμε να φέρουμε τους μαθητές σε επαφή με την πραγματική φυσική, με τη δημιουργία και εξήγηση φαινομένων, γλιτώνοντας τους για λίγο από τον κουραστικό φορμαλισμό. Θεωρώ, ότι με τη διδασκαλία μας -τον τρόπο που παρουσιάζουμε τις έννοιες-, με τα πειράματα, με την ιστορία φυσικής, με τις νέες τεχνολογίες, πρέπει να προσπαθούμε να τους δείξουμε ότι η φυσική.... είναι ωραία.... Έτσι θα τους κερδίσουμε και θα τους διδάξουμε καλύτερα.




ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ
«Είναι το φεγγάρι στη θέση του όταν δεν το κοιτάζει κανείς;»
Η θεωρία του Νιλς Μπορ ότι δεν υπάρχει αντικειμενική πραγματικότητα και οι αντιρρήσεις του Αλβέρτου Αϊνστάιν
Χ. ΒΑΡΒΟΓΛΗΣ
________________________________________






Ο Αλβέρτος Αϊνστάιν (αριστερά) με τον δανό φυσικό Νιλς Μπορ
________________________________________
Οι δύο πυλώνες της σύγχρονης Φυσικής, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που περιγράφει το πολύ μεγάλο, και η Κβαντομηχανική, που περιγράφει το πολύ μικρό, είναι δύσκολο να κατανοηθούν από τον μέσο πολίτη, επειδή χρησιμοποιούν έννοιες ξένες στην καθημερινή ζωή. Αν όμως είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς τον τετραδιάστατο χωροχρόνο, στον οποίο «ζει» η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, η Κβαντομηχανική παρουσιάζει μια πολύ μεγαλύτερη πρόκληση: Φαίνεται να οδηγεί στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχει στον κόσμο γύρω μας αντικειμενική πραγματικότητα!
Η επιστήμη του μικρόκοσμου
Η Κβαντομηχανική είναι η σύγχρονη θεωρία της Φυσικής που περιγράφει τις κινήσεις των σωμάτων του μικρόκοσμου, όπως είναι τα πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. Επί σχεδόν μία εκατονταετία όλα τα πειράματα επιβεβαιώνουν τις θεωρητικές προβλέψεις που επιτυγχάνει η μαθηματική πλευρά της, αλλά η ίδια η θεωρία «πάσχει» από ένα σημαντικό ελάττωμα: Οι φυσικές διεργασίες που περιγράφονται τόσο επιτυχώς από τα μαθηματικά δεν είναι καθόλου προφανείς! Συγκεκριμένα, η Κβαντομηχανική διαφέρει σημαντικά από την υπόλοιπη Φυσική στο ότι δεν μπορεί να προβλέψει τη θέση ενός σωματιδίου στο μέλλον, αλλά μόνο την πιθανότητα το σωματίδιο αυτό να βρίσκεται στη θέση αυτή. Η διαφορά αυτή μπορεί να φαίνεται, σε πρώτη σκέψη, σαν μικρή λεπτομέρεια χωρίς σημασία, έχει όμως βαθύτατες συνέπειες στον τρόπο με τον οποίο καταλαβαίνουμε ότι «λειτουργεί» ο κόσμος γύρω μας. Καταργεί την αίσθηση που έχουμε από την καθημερινή ζωή ότι οι ίδιες αιτίες έχουν πάντοτε τα ίδια αποτελέσματα. Ας φανταστούμε, για παράδειγμα, ένα πείραμα στο οποίο εκτοξεύουμε ένα ηλεκτρόνιο με την ίδια πάντα ταχύτητα και προς την ίδια πάντα κατεύθυνση. Έστω ότι, θεωρητικά, βρίσκουμε πως το ηλεκτρόνιο έχει πιθανότητα 30% να περάσει από έναν ανιχνευτή. Πώς ελέγχουμε αυτό το αποτέλεσμα; Κάνουμε το πείραμα 100 φορές και, αν διαπιστώσουμε ότι στις 30 το ηλεκτρόνιο πέρασε από αυτόν τον ανιχνευτή, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η θεωρία δουλεύει σωστά. Πώς γίνεται, όμως, ηλεκτρόνια με τις ίδιες αρχικές συνθήκες να ακολουθούν διαφορετικές «διαδρομές»;
Στα μέσα της δεκαετίας του 1920 ο μεγάλος δανός φυσικός Νιλς Μπορ και οι συνεργάτες του κατέληξαν σε μια ερμηνεία του παραπάνω φαινομένου, που έκτοτε έμεινε γνωστή ως ερμηνεία της σχολής της Κοπεγχάγης. Σύμφωνα με την ερμηνεία αυτή, το κάθε ηλεκτρόνιο δεν ακολουθεί μια συγκεκριμένη διαδρομή, αλλά βρίσκεται «κάπου» μεταξύ της διάταξης εκτόξευσης και του ανιχνευτή. Αποκτάει μια συγκεκριμένη θέση μόνο τη στιγμή που ανιχνεύουμε την παρουσία του! Με άλλα λόγια εμείς, με τις μετρήσεις μας, διαμορφώνουμε την εξέλιξη των φυσικών φαινομένων. Το συμπέρασμα αυτό φαίνεται εντελώς παράλογο, κυρίως άμα δοκιμάσουμε να εφαρμόσουμε την ερμηνεία της Κοπεγχάγης σε αντικείμενα πολύ μεγαλύτερα από στοιχειώδη σωματίδια. Πιο γνωστό σχετικό παράδειγμα είναι το περίφημο παράδοξο της γάτας, που διατύπωσε ο θεμελιωτής της Κβαντομηχανικής Ερβιν Σρέντιγκερ για να δείξει τις αδυναμίες της ερμηνείας της Κοπεγχάγης. Η γάτα βρίσκεται σε ένα κουτί που περιέχει ένα φιαλίδιο με υδροκυάνιο και μια ραδιενεργό ουσία. Αν μια ραδιενεργός ακτίνα «χτυπήσει» το πώμα του φιαλιδίου, το υδροκυάνιο σκορπίζεται στο κουτί και σκοτώνει τη γάτα. Το παράδοξο προκύπτει από το γεγονός ότι, σύμφωνα με τον Μπορ, η γάτα «καταλήγει» να είναι ζωντανή ή πεθαμένη μόνο όταν ανοίξουμε το κουτί! Αυτό δεν σημαίνει ότι είναι είτε ζωντανή είτε πεθαμένη, αλλά ότι εμείς δεν γνωρίζουμε τι από τα δύο συμβαίνει μόνο και μόνο επειδή το κουτί είναι κλειστό. Σημαίνει ότι, προτού ανοίξουμε το κουτί, η γάτα είναι «μεταξύ φθοράς και αφθαρσίας», δηλαδή 50% ζωντανή και 50% πεθαμένη, ενώ η παρατήρησή μας, τη στιγμή που ανοίγουμε το κουτί, την οδηγεί στη ζωή ή στον θάνατο! Με άλλα λόγια, σύμφωνα με την Κβαντομηχανική, δεν υπάρχει καν αντικειμενική πραγματικότητα, την οποία παρατηρούμε για να κατανοήσουμε τη φύση, αλλά εμείς, με την παρατήρησή μας, δημιουργούμε την πραγματικότητα. Προφανώς αυτό το συμπέρασμα είναι εντελώς παράλογο. Ωστόσο, παρ' όλο που από τη διατύπωση της ερμηνείας της Κοπεγχάγης έχουν περάσει περίπου 80 χρόνια, δεν έχει βρεθεί καμιά καλύτερη φυσική ερμηνεία των μαθηματικών εξισώσεων της Κβαντομηχανικής, παρ' όλες τις έως σήμερα προσπάθειες διακεκριμένων φυσικών.
Ένας από τους φυσικούς που δεν ένιωθε «άνετα» με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης ήταν ο μεγάλος Αϊνστάιν. Παρ' ότι ο ίδιος είχε βραβευτεί με το Νομπέλ Φυσικής για την πρώτη επιτυχημένη εφαρμογή της Κβαντομηχανικής, την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, πίστευε πως η Κβαντομηχανική ήταν μια ατελής θεωρία. Στα συνέδρια εξέφραζε συχνά τη γνώμη του αυτή επιγραμματικά λέγοντας: «Δεν είναι δυνατόν ο Θεός να ρίχνει ζάρια» ή «ο Θεός είναι πολυμήχανος αλλά όχι κακεντρεχής», γεγονός που ανάγκασε μια φορά τον Μπορ να του απαντήσει: «Αϊνστάιν, σταμάτα να λες στον Θεό τι να κάνει». Σε μια συζήτηση που είχε ένα βράδυ με τον μεγάλο μαθηματικό φυσικό Πάσκουαλ Τζόρνταν, ο Αϊνστάιν διερωτήθηκε φωναχτά, κοιτάζοντας τη φωτεινή πανσέληνο: «Αραγε το φεγγάρι είναι στη θέση του όταν δεν το κοιτάζει κανείς;». Και αυτό το «παράδοξο» προκύπτει από την προσπάθεια να εφαρμόσουμε την ερμηνεία της Κοπεγχάγης σε αντικείμενα σημαντικά μεγαλύτερα από ένα ηλεκτρόνιο ή πρωτόνιο.
Η εξήγηση του καθηγητή
Νομίζω ότι την καλύτερη παρουσίαση της παράδοξης φύσης της Κβαντομηχανικής έκανε ο βραβευμένος με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής αμερικανός φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν, στην ομιλία που έδωσε κατά την τελετή απονομής του βραβείου: «Κυρίες και κύριοι, θα προσπαθήσω να σας εξηγήσω όσα διδάσκω στους μεταπτυχιακούς φοιτητές μου. Βασικός σκοπός μου είναι να σας πείσω να μη βαρεθείτε επειδή δεν τα καταλαβαίνετε. Βλέπετε, ούτε και οι φοιτητές μου τα καταλαβαίνουν, ακριβώς επειδή δεν τα καταλαβαίνω ούτε εγώ. Η αλήθεια είναι ότι δεν τα καταλαβαίνει κανείς!».
Η ερμηνεία των πολλαπλών κόσμων
Η ερμηνεία της Κοπεγχάγης, παρ' ότι έχει ήδη ηλικία 80 ετών, είναι η «φυσική» πλευρά της Κβαντομηχανικής που είναι γενικά αποδεκτή σήμερα και παρουσιάζεται στα σύγχρονα διδακτικά εγχειρίδια. Πρόσφατα όμως εμφανίστηκε και μια νέα ερμηνεία, ακόμη πιο «παράδοξη» από αυτή της Κοπεγχάγης, η ερμηνεία των πολλαπλών κόσμων. Σύμφωνα με αυτή, σε κάθε στιγμή που συμβαίνει ένα γεγονός το οποίο έχει μια κβαντική πιθανότητα να συμβεί ή να μη συμβεί, ο κόσμος «διχάζεται». Στον έναν βρίσκεται ο «παρατηρητής» που βλέπει το γεγονός να συμβαίνει και στον άλλον βρίσκεται ο «παρατηρητής» που βλέπει το γεγονός να μη συμβαίνει. Το «ελάττωμα» αυτής της ερμηνείας είναι ότι προβλέπει την ύπαρξη ενός πολύ μεγάλου αριθμού κόσμων, ίσως άπειρων, γεγονός που είναι δύσκολο να το αποδεχτεί κανείς λογικά.
Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.


Το ΒΗΜΑ, 24/08/2008 , Σελ.: H03
Κωδικός άρθρου: B15443H031
ID: 296554
Μπορείτε να δείτε το άρθρο κατευθείαν από τη σελίδα:

Παρασκευή, 22 Αυγούστου 2008

Χωρίς .....Σχόλιο

It followed from the special theory of relativity that mass and energy are both but different manifestations of the same thing—a somewhat unfamiliar conception for the average mind. Furthermore, the equation E is equal to mc2, in which energy is put equal to mass, multiplied with the square of the velocity of light, showed that very small amounts of mass may be converted into a very large amount of energy and vice versa. The mass and energy were in fact equivalent, according to the formula mentioned before. This was demonstrated by Cockcroft and Walton in 1932, experimentally.

Το φως και ο ήχος ……..με μια διαφορετική προσέγγιση

Ένας άντρας και μια γυναίκα

Μια ωραία ανοιξιάτικη μέρα στο Παρίσι. Σ' ένα καφέ, έ­νας άντρας απολαμβάνει την μπίρα του και διαβάζει εφημερίδα. Στο διπλανό τραπέζι, μια γυναίκα πίνει τον καφέ της και χαζεύει τους περαστικούς. Δεν έχουν δει ο ένας τον άλλο. Ξαφνικά, ο άντρας γυρίζει το κεφάλι και το βλέμμα του δια­σταυρώνεται με το βλέμμα της γυναίκας. Και τότε ξεκινά μια σει­ρά γεγονότων. Το χρυσαφένιο φως του Ήλιου, που ανακλάται πάνω στο λεπτοκαμωμένο σώμα της γυναίκας, διεισδύει στα μάτι­α του άντρα. Ταξιδεύοντας με ταχύτητα 300.000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, 10.000 δισεκατομμύρια σωματίδια φωτός (που ο­νομάζονται φωτόνια) βυθίζονται ανά δευτερόλεπτο σε καθεμία α­πό τις κόρες του, διασχίζοντας πρώτα ένα οβάλ σώμα που ονομά­ζεται κρυσταλλοειδής φακός και έπειτα μια διαφανή και ζελατινώ­δη ουσία, πριν καταλήξουν στον αμφιβληστροειδή.

Χορός στον αμφιβληστροειδή

Μέσα στον αμφιβληστροειδή, 100 εκατομμύρια κύτταρα σε σχήμα κώνων αρχίζουν όραση. Ορισμένα δέχονται μια μεγάλη πο­σότητα φωτός, που προέρχεται από τις ακτινοβολούσες ζώνες του σώματος της γυναίκας, όπως τα υγρά της χείλη, που τα τονίζει ένα λαμπερό κραγιόν. Άλλα κύτταρα δέχονται λιγότερο φως, αυτό που προέρχεται από τις πιο σκιασμένες ζώνες του σώματος της γυναί­κας, όπως τα ελαφρά μακιγιαρισμένα της μάγουλα. Τα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς αποτελούνται από αμέτρητα μόρια. Κάθε μόριο αποτελείται κι αυτό με τη σειρά του από 20 άτομα άνθρακα, 28 ά­τομα υδρογόνου κι ένα μόριο οξυγόνου. Τα μόρια αυτά καταγρά­φουν το φως χορεύοντας ένα παράξενο μπαλέτο. Σε ακινησία, όταν δεν ενεργοποιείται από το φως, το μόριο του αμφιβληστροειδούς προσκολλάται σε μία πρωτεΐνη και συρρικνώνεται. Όμως όταν ένα σωματίδιο φωτός το χτυπήσει (το φως που ανακλάται από τη γυ­ναίκα χτυπά πάνω από 30 δισεκατομμύρια μόρια μέσα στο μάτι του άντρα ανά δευτερόλεπτο), το μόριο του αμφιβληστροειδούς αποχω­ρίζεται την πρωτεΐνη κι επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση. Όταν περάσει ένα ορισμένο διάστημα, συρρικνώνεται και πάλι α­ναμένοντας την άφιξη του επόμενου σωματιδίου φωτός.


Οι νευρώνες αρχίζουν δράση

Για να γίνουν όλα αυτά, χρειάστηκε λιγότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου από τη στιγμή που το βλέμμα του άντρα έπεσε πάνω στη γυναίκα. Ωστόσο, ο άντρας εξακολουθεί να μην έχει ακό­μα «συναίσθηση» της παρουσίας της γυναίκας, καθότι η πληροφορία που περιέχεται στα σωματίδια του φωτός δεν έχει φθάσει στον εγκέ­φαλο του. Ο χορός των μορίων μέσα στον αμφιβληστροειδή θα θέ­σει σε κίνηση τους νευρώνες πρώτα των ματιών κι έπειτα του εγκε­φάλου. Τα μόρια στην επιφάνεια των νευρώνων αλλάζουν σχήμα, παρεμποδίζοντας τη ροή των ιόντων (θετικά φορτισμένα σωματίδια) νατρίου προς το υγρό που τα περιβάλλει, προκαλώντας έτσι ένα ηλε­κτρικό ρεύμα που μεταδίδεται από νευρώνα σε νευρώνα από το μάτι ως τον εγκέφαλο. Μέσα στον εγκεφαλικό φλοιό, κάθε νευρώνας συνθέτει την πληροφορία που του μεταδίδουν χίλιοι άλλοι νευρώ­νες, πριν την αναλύσει και την αναμεταδώσει κι αυτός με τη σειρά του σε άλλους χίλιους. Ένα μεγάλο μέρος των εκατοντάδων δισεκα­τομμυρίων νευρώνων του εγκεφάλου του άντρα, που συνδέονται με­ταξύ τους με κυκλώματα εξαιρετικά περίπλοκα, αρχίζουν δράση για να επεξεργαστούν την πληροφορία. Η ροή του καλίου και του να­τρίου σταματά ανάλογα με το αν παρεμποδίζεται ή όχι από τους νευρώνες. Τα ηλεκτρικά ρεύματα δεν παύουν να διατρέχουν τα κυ­κλώματα των νευρώνων, απελευθερώνοντας κύματα μορίων που με­ταδίδουν τα σήματα, που με τη σειρά τους θα ενεργοποιήσουν άλ­λους νευρώνες. Το ρεύμα σπινθηρίζει από παντού. Μετά από μερι­κά χιλιοστά του δευτερολέπτου, η εικόνα αναδομείται μέσα στον ε­γκέφαλο του άντρα — επιτέλους βλέπει τη γυναίκα. Παρατηρεί τα ξανθά κοντοκομμένα μαλλιά της, τα μεγάλα γαλάζια μάτια της και το σκούρο καφέ ταγέρ που αγκαλιάζει το σώμα της, το κεφάλι που γέρνει ελαφρά και της δίνει ένα ονειροπόλο ύφος.
Η γυναίκα γυρίζει το κεφάλι, συναντάει το βλέμμα του άντρα, χαμογελά διστακτικά και του πετάει ένα «καλημέρα». Αμέσως, ένα πλήθος από μόρια αέρα τίθενται σε κίνηση, οι δονήσεις τους μετα­βιβάζουν τον ήχο των φωνητικών χορδών της γυναίκας στ' αφτιά του άντρα. Δυο μέτρα τους χωρίζουν κι ο ήχος φθάνει ένα εκατοστό πεντηκοστό του δευτερολέπτου αργότερα. Το τύμπανο (μια μεμ­βράνη πάχους 1 χιλιοστού) σε καθένα από τ' αφτιά του άντρα αρχί­ζει κι αυτό να δονείται. Οι δονήσεις μεταδίδονται στο υγρό που βρί­σκεται στον κοχλία που, όπως φανερώνει και τ' όνομα του, έχει το ίδιο ελικοειδές σχήμα με το κέλυφος του σαλιγκαριού. Εδώ γίνεται η αποκωδικοποίηση των ήχων. Μια λεπτή μεμβράνη αρχίζει να ταλα­ντώνεται σύμφωνα με τις δονήσεις του υγρού. Μέσα σ' αυτήν τη μεμβράνη βρίσκεται ένα πλήθος ινών ανόμοιου πάχους, που θυμί­ζουν τις χορδές της άρπας. Η άρπα αυτή συντονίζεται με τη μελω­δική φωνή της γυναίκας κι αναπαράγει ταυτόχρονα τους βαρύτε­ρους ή οξύτερους τόνους που περιέχονται στις συλλαβές της λέξης «καλημέρα». Στο τέλος, οι ήχοι μεταδίδονται στο ακουστικό νεύρο, το οποίο περνά την πληροφορία στον εγκεφαλικό φλοιό. Ο άντρας αντιλαμβάνεται το «καλημέρα» της γειτόνισσας του......

Από το «Χάος και Ομορφιά» του Trinh Xuan Thuan , από τις εκδόσεις Τραυλός.
Αυτή είναι η εικόνα που έχουμε σήμερα, για να περιγράψουμε τη διαδικασία διάδοσης του φωτός και των οπτικών ερεθισμάτων που μεταφέρει. Όμως ποια είναι η ιστορία της εξέλιξης των ιδεών για το φως από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα;
Επειδή δεν έχω καλό λογοτεχνικό λόγο για να σσαγηνέψω με την περιγραφή μου, αποφάσισα να κωδικοποιήσω τα κυρίοτερα σημεία της ιστορίας του φωτός και να τα παρουσιάσω με μια μορφή παρουσίασης.
Οι κυριότερες πηγές που χρησιμοποίησα είναι τα βιβλία και οι πηγές από το Internetπου φαίνονται στη βιβλιογραφία.