неужели тормозной путь не зависит от массы авто?
Друзья, в прошлом выпуске я утверждал, что тормозной путь автомобиля не зависит от его массы. Большинство водителей считают, что зависит, и я объяснил, откуда берется это представление. В этой статья я докажу справедливость своего утверждения, прибегнув к физическим понятиям.
Подчеркну, что речь идет о кратчайшем, экстренном, то есть минимально возможном тормозном пути. То есть о тормозном пути при торможении на грани блокировки колес. В современных машинах при таком торможении срабатывает АБС (антиблокировочная система тормозов), а классические машины либо срываются в «юз», либо остаются на грани «юза», в зависимости от действий водителя.
Сначала докажу это «на пальцах». Утяжеляя машину, мы, с одной стороны, увеличиваем ее инертность и осложняем торможение. С другой стороны, мы сильнее прижимаем шины к дороге, увеличиваем сцепление шин с дорогой и повышаем тормозные возможности машины.
Эти два эффекта компенсируют друг друга в равной степени, и, в конечном итоге, масса не влияет на длину тормозного пути.
Что такое «масса»?
Для интерсующихся приведу физико-математическое доказательство и вначале кратко расскажу о понятии «масса». Массы в природе две: инертная и гравитационная. Есть, правда, еще и третий вариант – Фелипе Масса, пилот Формулы 1, уже который год выступающий за Ferrari, но сейчас не об этом 🙂
Инертная масса
Инертная масса mи – масса, которая «отвечает» за сопротивление движению тела. Чем тяжелее тело, тем сложнее привести в его движение или остановить, если оно движется.
В механике об этом говорит 2-й закон Ньютона:
a = F/mи
то есть ускорение (замедление) тела пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально инертной массе тела. Или в более привычной формулировке этот закон выглядит как
F = mи a
Инертная масса осложняет торможение
Это как раз то, о чем думает большинство водителей: чем тяжелее машина, тем сложнее ее остановить (а также и разогнать) и, якобы, тем длиннее тормозной путь.
Остановить машину действительно сложнее, не спорю, но тормозной путь есть возможность сохранить — для этого нужно лишь затратить больше энергии. В этом нам поможет второе понятие массы.
Гравитационная масса
Гравитационная масса mг – масса, которая «отвечает» за взаимное притяжение тел, в частности, за притяжение тел к Земле. Чем тяжелее тело, тем больше сила тяготения и тем сильнее тело давит на опору (пол, дорогу и т.д.).
А об этом в механике говорит закон всемирного тяготения Ньютона:
F = G mг1 mг2/r2
Или, по-русски, сила притяжения двух тел пропорциональна массам (гравитационным) этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Эта формула упрощается для тела в поле тяготения Земли:
F = mг g
где mг – гравитационная масса тела, а g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2
Гравитационная масса помогает торможению
Применительно к разговору о тормозном пути это означает, что чем тяжелее машина, тем сильнее она давит на колеса, тем лучше прижимает их к дороге и тем лучше сцепление шин с дорогой.
Ведь, согласно закону Кулона, сила сила трения покоя (в нашем случае — сила сцепления шин с дорогой, она же – «держак» на гоночном жаргоне) пропорциональна весу тела N:
Fтр = k N = k mг g
где mг – гравитационная масса машины, k – коэффициент сцепления шин с дорогой, g – ускорение свободного падения.
Тогда, чем больше масса автомобиля, тем выше сила сцепления шин с дорогой и тем сложнее тормозам заблокировать колеса и пустить машину в «юз» (ну или включить АБС, если она есть).
Одна масса мешает, другая — помогает. Что победит?
В итоге, инертная масса увеличивает инерцию машины, а гравитационная масса улучшает сцепление шин с дорогой и тормозной потенциал машины. Одно удлиняет тормозной путь, а другое пытается укоротить его. Что же победит?
Нам поможет Закон сохранения энергии
На языке физики процесс торможения выглядит как закон сохранения энергии:
mи v2/2 = Fтр s
т.е. кинетическая энергия машины с инертной массой mи и скоростью v при торможении переходит в тепло за счет работы силы трения Fтр, которая затрачивается на замедление машины на участке пути длиной s (собственно, тормозной путь).
Машина тормозит не тормозами, а шинами
Как я уже писал выше, сила трения Fтр равна kmг g – произведение коэффициента трения k, гравитационной массы mг и ускорения свободного падения g. И сразу вопрос: о какой силе трения идет речь? О силе трения колодок о тормозной диск? Или о силе трения шины о дорогу, о «держаке»? Вообще, первопричина торможения – сила трения колодок о диски. Но она не может превышать силу трения между шиной и дорогой: в этом случае шины начинают скользить, и, либо включается АБС, либо машина идет в «юз». После чего любое усиление нажатия на тормоз не дает выигрыша в торможении, и машина продолжает тормозить за счет трения шин о дорогу. Поэтому для случая экстренного торможения нужно считать, что сила трения колодок о диски равна силе сцепления шин с дорогой. И тогда k — коэффициент сцепления шин с дорогой, если шины на грани скольжения, или это коэффициент скольжения шин о дорогу, если колеса заблокированы, и машина тормозит юзом.
Тогда подставим значения силы сцепления Fтр = k mг g в закон сохранения энергии:
mи v2/2 = k mг g S
Инертная и гравитационная массы противодействуют друг другу в равной степени
А теперь ключевой момент! Еще Ньютон доказал, а Эйнштейн в свое время постулировал, что инертная и гравитационные массы равны! На сегодняшний день это проверено многократными экспериментами с высокой степенью точности.
Эти массы имеют абсолютно разный физический смысл, но в килограммах это всегда одно и то же!
И тогда заменяем инертную и гравитационную массы на «просто массу»:
m v2/2 = k m g S
Теперь массы можно успешно сократить, и останется:
v2/2 = k g S
Отсюда получаем тормозной путь, не зависящий от массы:
S = v2/(2 k g)
где v – скорость движения машины до начала торможения, k – коэффициент сцепления шин с дорогой, g – ускорение свободного падения.
Еще раз смысл: с одной стороны, масса увеличивает инертность машины и создает препятствие тормозам. С другой стороны, масса увеличивает сцепление шин с дорогой и помогает тормозам. Эти два эффекта компенсируют друг друга в равной степени, и, в конечном итоге, масса не влияет на длину тормозного пути.
Скорость зависит только от водителя, g – постоянна, а коэффициент сцепления k зависит от состава резины протектора шины и от качества дорожного покрытия. Выходит, тормозной путь зависит от скорости, качества шины и качества дороги.
При этом под качеством шины понимается именно состав резины. А от ширины профиля шины и площади пятна контакта сила сцепления шины с дорогой не зависит, как и не зависит тормозной путь.
Тормоза важны
Поговорим о тормозах. Размеры тормозных дисков, материалы колодок и прочее устройство тормозных механизмов важны для машины, но не могут влиять на тормозной путь напрямую, поскольку он ограничивается сцеплением шин с дорогой. Но хочу отменить следующее. Каждые тормозные механизмы расчитаны на погашение определенной кинетическиой энергии, которая пропорциональна массе и квадрату скорости. Обычно запас тормозов расчитывают так, чтобы даже Форд Фокус остановился с мешком картошки в багажнике со 100 км/ч за те же 40 метров, что и без мешка. Но вот ежели вы в машину загрузите лишних 500 кило, будьте готовы к тому, что ваши тормозные механизмы, рассчитанные под меньшую массу, перегреются и не справятся с задачей, и проедете вы куда больше прежних 40 метров.
Или еще пример.
Можно взять Жигули со штатными тормозными дисками и колодками и поставить на нее гоночные слики. А что, на Формулах 1 как раз шины 13-дюймового диаметра, аккурат подойдут 🙂 Конечно, придется серьезно переделать саму машину, но это сейчас не столь важно. Так вот, слики имеют почти вдвое больший коэффициент сцепления с дорогой, а значит для торможения юзом на тормоза Жигулей ляжет нагрузка вдвое больше обычной. И вариантов развития событий тоже два: либо тормоза перегреются с первой же попытки, либо вовсе не смогут довести колеса до грани блокировки… И то, и другое означает для нас увеличение тормозного пути (по сравнению с тормозным путем на этих же сликах и гоночными тормозами) даже для пустой машины. А если ее еще и догрузить как следует, то ситуация еще более усугубится, и тормозной путь таких Жигулей еще как будет зависеть от массы авто.
Таким образом, мы можем говорить о независимости тормозного пути от массы машины, если она соответствует общепринятым нормам безопасности: на машине с загрузкой, не превышающей допустимую производителем, штатные тормоза должны быть способны заблокировать колеса (или включить АБС) на штатных шинах.
Однако главное при торможении — шины
Выходит, и Жигули, и Ferrari затормозят с примерно одинаковым тормозным путем, если тормоза у всех исправны, а на колеса установлены одни и те же шины. Возможна разница за счет разного времени срабатывания тормозной системы, а также за счет разных алгоритмов торможения водителя и АБС. Но эта разница будет куда меньше по сравнению с тем, когда одни и те же Жигули (или Ferrari) будут тормозить сначала на Michelin, а потом на отечественной Каме. Так что главное при торможении — шины!
Выше я уже написал, что в случае торможения на грани скольжения шин под k понимается коэффициент сцепления, а в случае торможения юзом при заблокированных колесах k — коэффициент скольжения шин по дороге. Известно, что трение скольжения всегда меньше трения покоя (сцепления), примерно на 10-15%. Соответственно, машина, тормозящая юзом, как правило, проходит на 10-15% больший путь до полной остановки по сравнению с машиной, тормозящей на грани скольжения.
АБС не допускает блокировки колес, поэтому машины с АБС при нажатии тормоза «в пол» тормозят всегда на грани скольжения. А машины без АБС при торможении «в пол» сразу же уходят в юз. Хотя, при должном навыке водитель и без АБС может правильно дозировать усилие на педали и тормозить на грани скольжения. Например, машины в Формуле 1 не оснащены АБС, и пилоты тормозят на грани скольжения, а уход в юз считается ошибкой. Из написанного следует, что при одних и тех же шинах машина с АБС будет тормозить короче, чем машина без АБС юзом, но это справедливо только для гладких и твердых дорог. На рыхлых и неровных покрытиях машины с АБС проигрывают в тормозном пути машинам без АБС.
Кстати, не стоит сравнивать тормозные пути седана и фуры. Это не всегда корректно, поскольку там могут быть конструктивно разные тормоза (у грузовиков даже бывает не гидравлическая, а пневматическая тормозная система с огромной задержкой в срабатывании) и разного качества шины. Лучше всего сравнивать «яблоки с яблоками», то есть одну и ту же машину с разной степенью загрузки.
Подробнее об этом читайте в ответе на вопрос гостя нашего сайта о влиянии тормозов.
Легковушка и фура тормозят одинаково
Однако, если время срабатывания тормозов у легковушки и фуры одинаково, и стоят схожие по составу шины, то тормозной путь отличаться не должен. Вот видео, которое подтверждает это (правда, я не понимаю по-немецки, но по смыслу именно то :)):
http://www.myvideo.de/watch/7778214/Bremstest_PKW_LKW_VW_T4_gg_Mercedes_Actros
В заключение скажу, что тормозной путь зависит от веса машины (не будем путать вес и массу), а также от массы прицепа без тормозов, от положения руля. Обо всем этом я расскажу в будущих выпусках.
Как это поможет на практике?
А пока — практический смысл этой статьи.
Используйте качественные шины
Помните, машина тормозит не тормозами, а шинами. Если у вас стоят изношенные или дешевые или просто не соответствующие сезону шины, ваш автомобиль тормозит плохо, и хорошие тормоза ему не помогут.
Если вы хотите повысить безопасность и улучшить тормозную динамику машины, не нужно делать тюнинг тормозов и ставить дорогущие тормозные диски, колодки и т.п. Поставьте дорогие качественные шины, и тогда ваша жизнь за рулем будет в большей безопасности.
Тюнинг машины требует профессионального подхода
Если же вы решите «обуть» машину в суперцепкие шины — для гонок ли, или для собственной безопасности, имейте в виду, что это уже вмешательство в конструкцию автомобиля, тюнинг. Одними шинами не обойтись — они потребуют для себя мощных тормозов, а подобрать их и грамотно установить — дело крайне важное и непростое. Так что подходите к тюнингу машины серьезно и пользуйтесь услугами профессионалов, ведь такие вещи не терпят самодеятельности.
Маленькая легкая машина не дает преимуществ при торможении
Выбирая машину при покупке не думайте, что маленький городской автомобильчик будет более безопасный по сравнению с минивэном и тем более фурой лишь потому, что легче и, якобы, лучше тормозит.
Не лучше он тормозит, а если и лучше, то масса тут ни при чем. Будьте бдительны, если управляете маленьким авто. Особенно, когда едете сзади фуры: не приближайтесь к ней и не думайте, что в случае чего она будет останавливаться долго, а вы то уж точно успеете остановиться… Сохраняйте безопасную дистанцию, независимо от разницы в массах машин.
Сохраняйте самообладание, управляя загруженной машиной
Если вам предстоит путь на машине с пассажирами и полным багажником, будьте бдительны, но не теряйте самообладание при торможении. Да, вам покажется, что торможение стало хуже. Но это лишь потому, что вы привыкли к другому усилию на педали тормоза.Нажимайте на тормоз сильнее обычного, и машина затормозит так, как вам нужно. Но и после разгрузки автомобиля не теряйте голову 🙂 — ведь машина станет более чутко отзываться на нажатие педали тормоза, но это иллюзия: тормозной путь не станет короче!
Не перегружайте машину
У каждой машины есть свое предназначение для использования и своя допустимая нагрузка.
Если ее превысить, то шины и тормоза могут перегреться, а то и вовсе испортиться. В любом случае, они не справятся с задачей торможения. Тормозной путь заметно увеличится, и это, как вы понимаете, может привести к ДТП.
Учитесь правильно тормозить
Казалось бы, что тут сложного? Но наш тренерский опыт говорит, что многим водителям не хватает плавности и знаний многих тонкостей в повседневном торможении и, наоборот, маловато резкости в экстренном торможении. В общих чертах я написал об этом в статье «Как правильно тормозить?», а если вас интересует практика, то экстренное торможение вы можете отработать на курсе «Зимняя контраварийная подготовка», а постичь все премудрости грамотного торможения на каждый день — на «курсе МВА для водителя: Мастерство Вождения Автомобиля».
Solaris86 в сообщении #1329305 писал(а): 1. Приближения. Я так понимаю, что приближение – это есть попытка описания какого-то явления с некоторыми допущения. В физике подразумевается, что есть какие-то эффекты, факторы, вклады, оказывающие влияние на явление. И их можно количественно оценить и отсортировать по величине. И потом, их можно включать в рассмотрение под одному, по порядку убывания их величины. В математике часто встречаются задачи, которые решаются цепочкой шагов. И можно за грубый ответ взять результат первого шага, за более точный – результат второго шага, и так далее. (А абсолютно точный ответ получается за бесконечное число шагов.) Наиболее часто рассматривается разложение некоторой функции в ряд типа ряда Тейлора Solaris86 в сообщении #1329305 писал(а): 2. Вот пример: Munin в сообщении #1322977 писал(а): Ваш рост (от земли до уровня глаз) 1 м 70 см. На каком расстоянии от вас находится горизонт? SNet в сообщении #1322979 писал(а): , где — радиус Земли, — мой рост (который чуть выше 1,7 м 😀 ). Красивая задача, спасибо! Munin в сообщении #1322985 писал(а): Смотрите. А каково отношение к ? По порядку величины – 1 к десяти миллионам. (Коэффициенты типа “полтора” в таких рассуждениях не учитываются. Теперь следующий шаг. А насколько у нас испортится результат расчёта по формуле? Представим её в виде – а заменяем мы её на, соответственно, Значит, нам надо оценить, насколько отличается от единицы, когда слагаемое мало́. Это вполне математический вопрос, ответ на который может быть найден через производную от в окрестности точки Мы видим, что ошибка в седьмом знаке – остаётся в седьмом же знаке после запятой. И смело машем на неё рукой: расстояние до горизонта около 5 километров, а ошибка получается в масштабе долей миллиметра! — 27.06.2018 19:07:36 — Численно в задачах физики бывает так, что пренебрегают величинами хотя чаще это величины порядка Более точные расчёты обычно делаются при конструировании конкретных технических конструкций, экспериментальных приборов и методик, и требуемая точность может доходить до и выше. Solaris86 в сообщении #1329305 писал(а): где границы применения приставки “квази-“ Обычно она применяется не количественно, а по смыслу. Solaris86 в сообщении #1329305 писал(а): 3) при выводе каких-либо формул в физике можно пренебрегать каким-либо слагаемым только в случае, если оно много меньше всех остальных? Всё зависит от того, какие требования по точности предъявляются к окончательному ответу. Solaris86 в сообщении #1329305 писал(а): 3. Помогите понять распространённую фразу среди математиков и физиков: “С точностью до…”: с точностью до запятой, с точностью до знака, с точноcтью до постоянного множителя и др. “До запятой” никогда не слышал. “До знаков” – означает, что в числах следует удерживать самое меньшее значимых десятичных цифр, то есть относительная погрешность должна быть Формулы нельзя упрощать, если совершаемая ошибка больше этой величины. “До постоянного множителя” – это распространённый приём упрощения расчётов, ещё его называют “с точностью до порядка”. Если относительная погрешность допускается в пределах то можно выбросить из формул всякие множители типа а многие операции типа дифференцирования и интегрирования заменить грубыми оценками, например, |
Вопрос такой: как осуществляется градация приближений? Слышал фразы: “В первом приближении”, “Во втором приближении” и т.п., но не понимал, что имеется в виду.
Пренебрежения:
Вселенная локально не реальна, и лауреаты Нобелевской премии по физике доказали это
Одно из наиболее тревожных открытий за последние полвека состоит в том, что Вселенная не является локальной реальностью. В этом контексте «реальный» означает, что объекты обладают определенными свойствами, не зависящими от наблюдения — яблоко может быть красным, даже когда никто не смотрит. «Локальный» означает, что на объекты может влиять только их окружение и что любое влияние не может распространяться быстрее скорости света. Исследования на переднем крае квантовой физики показали, что оба эти утверждения не могут быть правдой.
Вместо этого данные показывают, что объекты не подвержены влиянию исключительно их окружения, и они могут также не обладать определенными свойствами до измерения.
Это, конечно, глубоко противоречит нашему повседневному опыту. Как однажды жаловался Альберт Эйнштейн своему другу: «Вы действительно верите, что Луны нет, когда вы на нее не смотрите?» Если использовать фразу автора Дугласа Адамса, то упадок местного реализма очень разозлил многих людей и был широко расценен как плохой шаг.
Вина за это достижение теперь полностью возложена на плечи трех физиков: Джона Клаузера, Алена Аспекта и Антона Цайлингера. Они поровну разделили Нобелевскую премию по физике 2022 года «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторскую квантовую информатику». («Неравенства Белла» относятся к новаторской работе физика из Северной Ирландии Джона Стюарта Белла, который заложил основы Нобелевской премии по физике 2022 года в начале XIX века.
60s.) Коллеги сошлись во мнении, что троица добилась своего, заслужив эту расплату за ниспровержение реальности, какой мы ее знаем. «Это было давно назрело», — говорит Санду Попеску, квантовый физик из Бристольского университета в Англии. «Без сомнения, награда заслуженная».
«Эксперименты, начавшиеся с самого раннего эксперимента Клаузера и продолжающиеся дальше, показывают, что это не просто философия, это реально — и, как и другие реальные вещи, потенциально полезно», — говорит Чарльз Беннетт, выдающийся квантовый исследователь из IBM. «Каждый год я думал: «О, может быть, это именно тот год», — говорит Дэвид Кайзер, физик и историк из Массачусетского технологического института. «В этом году это действительно было. Это было очень эмоционально и очень волнующе».
Путь от маргинала к славе был долгим. Примерно с 1940 года вплоть до 1990 года исследования так называемых квантовых основ часто рассматривались в лучшем случае как философия, а в худшем — как чепуха. Многие научные журналы отказывались публиковать статьи по этой теме, и найти академические должности, поощряющие такие исследования, было практически невозможно.
В 1985 году советник Попеску предостерег его от получения докторской степени. в теме. «Он сказал: «Послушай, если ты сделаешь это, ты будешь развлекаться пять лет, а потом останешься без работы», — говорит Попеску.
Сегодня квантовая информатика является одной из самых динамично развивающихся областей физики. Он связывает общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой через все еще загадочное поведение черных дыр. Это диктует дизайн и функции квантовых датчиков, которые все чаще используются для изучения всего, от землетрясений до темной материи. И это проясняет часто сбивающую с толку природу квантовой запутанности — явления, которое имеет ключевое значение для современной материаловедения и лежит в основе квантовых вычислений. «Что вообще делает квантовый компьютер «квантовым»?» — риторически спрашивает Николь Юнгер Халперн, физик из Национального института стандартов и технологий. «Один из самых популярных ответов — запутанность, и главная причина, по которой мы понимаем запутанность, — это грандиозная работа, в которой участвовали Белл и эти лауреаты Нобелевской премии.
Без такого понимания запутанности мы, вероятно, не смогли бы реализовать квантовые компьютеры».
По ком звонит колокол
Проблема с квантовой механикой никогда не заключалась в том, что она делала неверные предсказания — на самом деле теория великолепно описывала микроскопический мир с самого начала, когда физики разработали ее в самом начале. десятилетия 20 века. С чем не соглашались Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен, как они объяснили в своих культовых 1935, было неудобное применение теории к реальности. Их анализ, известный под инициалами ЭПР, был сосредоточен на мысленном эксперименте, призванном проиллюстрировать абсурдность квантовой механики. Цель состояла в том, чтобы показать, как при определенных условиях теория может сломаться или, по крайней мере, дать бессмысленные результаты, противоречащие нашим самым глубоким предположениям о реальности.
Упрощенная и модернизированная версия ЭПР выглядит примерно так: пары частиц отправляются в разных направлениях из общего источника, нацеленного на двух наблюдателей, Алису и Боба, каждый из которых находится на противоположных концах Солнечной системы. Квантовая механика диктует, что невозможно узнать спин, квантовое свойство отдельных частиц, до измерения. Как только Алиса измеряет одну из своих частиц, она обнаруживает, что ее вращение направлено либо вверх, либо вниз. Ее результаты случайны, и все же, когда она измеряет, она сразу понимает, что соответствующая частица Боба, у которой был случайный, неопределенный спин, теперь должна быть падающей. На первый взгляд, это не так уж и странно. Возможно, частицы подобны паре носков: если Алисе достался правильный носок, то Бобу достался левый.
Но согласно квантовой механике частицы не похожи на носки, и только при измерении они оседают на спине вверх или вниз. Это ключевая загадка ЭПР: если частицам Алисы не хватает вращения до измерения, то как (когда они проносятся мимо Нептуна) они узнают, что будут делать частицы Боба, когда они вылетят из Солнечной системы в другом направлении? Каждый раз, когда Алиса измеряет, она спрашивает свою частицу, что получит Боб, если подбросит монетку: вверх или вниз? Шансы правильно предсказать это даже 200 раз подряд составляют один к 10 9.
0025 60 — число больше, чем у всех атомов в Солнечной системе. Тем не менее, несмотря на миллиарды километров, которые разделяют пары частиц, квантовая механика говорит, что частицы Алисы могут продолжать правильно предсказывать, как если бы они были телепатически связаны с частицами Боба.
Разработанный, чтобы выявить неполноту квантовой механики, ЭПР в конечном итоге привел к экспериментальным результатам, которые вместо этого подтвердили самые невероятные положения теории. Согласно квантовой механике, природа локально не реальна: частицы могут не обладать такими свойствами, как вращение вверх или вниз до измерения, и кажется, что они разговаривают друг с другом независимо от расстояния. (Поскольку результаты измерений случайны, эти корреляции нельзя использовать для связи со сверхсветовой скоростью.)
Физики, скептически относящиеся к квантовой механике, предположили, что эту загадку можно объяснить скрытыми переменными, факторами, которые существуют на каком-то незаметном уровне реальности, ниже субатомного царства, которые содержат информацию о будущем состоянии частицы.
Они надеялись, что в теориях скрытых переменных природа сможет восстановить локальный реализм, в котором ей отказала квантовая механика. «Можно было подумать, что аргументы Эйнштейна, Подольского и Розена произведут революцию в тот момент, и все начнут работать над скрытыми переменными», — говорит Попеску.
«Атака» Эйнштейна на квантовую механику, однако, не получила распространения среди физиков, которые в целом приняли квантовую механику как есть. Это было не столько вдумчивое принятие нелокальной реальности, сколько желание не слишком много думать — склонность к самоуглублению, которую позже американский физик Н. Дэвид Мермин резюмировал как требование «заткнуться и считать». Отчасти отсутствие интереса было вызвано тем, что Джон фон Нейман, уважаемый ученый, опубликовал в 1932 году математическое доказательство, исключающее теории скрытых переменных. Доказательство фон Неймана, надо сказать, было опровергнуто всего три года спустя молодой женщиной-математиком Гретой Херманн, но в то время, похоже, этого никто не заметил.
Проблема нелокального реализма будет томиться еще три десятилетия, прежде чем Белл разрушит ее. С самого начала своей карьеры Белла беспокоила квантовая ортодоксия, и он симпатизировал теориям скрытых переменных. Вдохновение пришло к нему в 1952 году, когда он узнал, что американский физик Дэвид Бом сформулировал жизнеспособную нелокальную интерпретацию квантовой механики со скрытыми переменными, что, как утверждал фон Нейман, было невозможным.
Белл обдумывал эти идеи в течение многих лет в качестве побочного проекта своей работы в качестве физика элементарных частиц в ЦЕРН недалеко от Женевы. В 1964 он вновь обнаружил те же недостатки в аргументации фон Неймана, что и Германн. А затем, в торжестве строгого мышления, Белл состряпал теорему, которая вытащила вопрос о локальных скрытых переменных из его метафизической трясины на конкретную экспериментальную почву.
Обычно локальные теории скрытых переменных и квантовая механика предсказывают неразличимые экспериментальные результаты.
Белл понял, что при определенных обстоятельствах между ними может возникнуть эмпирическое несоответствие. В одноименном тесте Белла (эволюция мысленного эксперимента ЭПР) Алиса и Боб получают одни и те же парные частицы, но теперь у каждого из них две разные настройки детектора — А и а, В и b. Эти настройки детектора — дополнительная уловка, позволяющая избавиться от явной телепатии Алисы и Боба. В теориях локальных скрытых переменных одна частица не может знать, какой вопрос задан другой. Их корреляция тайно задается заранее и не зависит от обновленных настроек детектора. Но согласно квантовой механике, когда Алиса и Боб используют одни и те же настройки (оба прописные или оба строчные), каждая частица знает о вопросе, заданном другой, и они будут идеально коррелировать — синхронно, как не может никакая локальная теория. учитывать. Они, одним словом, запутались.
Таким образом, многократное измерение корреляции для многих пар частиц может подтвердить, какая из теорий верна. Если бы корреляция оставалась ниже предела, вытекающего из теоремы Белла, это означало бы, что скрытые переменные реальны; если бы он превышал предел Белла, то ошеломляющие принципы квантовой механики были бы безраздельно господствующими.
И все же, несмотря на свой потенциал помочь определить природу реальности, теорема Белла долгие годы томилась незамеченной в относительно малоизвестном журнале.
Колокол звонит по Тебе
В 1967 году аспирант Колумбийского университета по имени Джон Клаузер случайно наткнулся на библиотечную копию статьи Белла и был очарован возможностью доказать правильность теории скрытых переменных. Когда два года спустя Клаузер написал Беллу, спрашивая, проводил ли кто-нибудь тест, это был один из первых отзывов, которые получил Белл.
Спустя три года при поддержке Белла Клаузер и его аспирант Стюарт Фридман провели первый тест Белла. Клаузер получил разрешение от своего начальства, но немного денег, поэтому он стал, как он сказал в более позднем интервью, специалистом по «нырянию в мусорных баках», чтобы обезопасить оборудование, часть которого он и Фридман затем склеили скотчем. В установке Клаузера — аппарате размером с каяк, требующем тщательной ручной настройки, — пары фотонов посылались в противоположных направлениях к детекторам, которые могли измерять их состояние или поляризацию.
К несчастью для Клаузера и его увлечения скрытыми переменными, после того, как он и Фридман завершили свой анализ, они пришли к выводу, что нашли веские доказательства против них. Тем не менее, результат вряд ли был окончательным из-за различных «лазеек» в эксперименте, которые предположительно могли позволить влиянию скрытых переменных ускользнуть незамеченным. Наиболее опасной из них была лазейка локальности: если либо источник фотонов, либо детекторы могли каким-то образом обмениваться информацией (что было правдоподобно в пределах объекта размером с каяк), результирующие измеренные корреляции все равно могли возникать из скрытых переменных. Как объяснил Дэвид Кайзер, если Алиса напишет Бобу в твиттере, чтобы сообщить ему настройки своего детектора, это вмешательство сделает невозможным исключение скрытых переменных.
Закрыть лазейку в местности легче сказать, чем сделать. Настройки детектора должны быть быстро изменены, пока фотоны летают — «быстро» означает всего лишь наносекунды.
В 1976 году молодой французский специалист по оптике Ален Аспект предложил способ сделать этот сверхбыстрый переключатель. Экспериментальные результаты его группы, опубликованные в 1982 году, только подкрепили результаты Клаузера: локальные скрытые переменные выглядели крайне маловероятными. «Возможно, Природа не так странна, как квантовая механика», — написал Белл в ответ на тест Аспекта. «Но экспериментальная ситуация с этой точки зрения не очень обнадеживает».
Однако остались и другие лазейки, и Белл умер в 1990 году, так и не увидев их закрытия. Даже эксперимент Аспекта не полностью исключал локальные эффекты, потому что он происходил на слишком маленьком расстоянии. Точно так же, как поняли Клаузер и другие, если Алиса и Боб обнаружат нерепрезентативную выборку частиц — как в опросе, в котором участвовали только правши, — их эксперименты могут привести к неверным выводам.
Никто не бросился закрывать эти лазейки с большим энтузиазмом, чем Антон Цайлингер, амбициозный и общительный австрийский физик.
В 1997 он и его команда улучшили предыдущую работу Аспекта, проведя тест Белла на беспрецедентном для того времени расстоянии почти в полкилометра. Эпоха предсказания нелокальности реальности по экспериментам размером с каяк подошла к концу. Наконец, в 2013 году группа Цайлингера сделала следующий логический шаг, устранив сразу несколько лазеек.
«До квантовой механики меня интересовала инженерия. Мне нравится создавать что-то своими руками», — говорит Марисса Джустина, квантовый исследователь в Google, которая работала с Цайлингером. «Оглядываясь назад, эксперимент Белла без лазеек — это гигантский проект системной инженерии». Одним из требований для создания эксперимента, закрывающего несколько лазеек, было найти идеально прямой, незанятый 60-метровый туннель с доступом к оптоволоконным кабелям. Как оказалось, подземелье венского дворца Хофбург было почти идеальной обстановкой, если не считать того, что оно было покрыто вековой пылью. Их результаты, опубликованные в 2015 году, совпали с аналогичными тестами двух других групп, которые также обнаружили, что квантовая механика безупречна, как никогда.
Испытание Белла достигает звезд
Оставалось закрыть последнюю большую лазейку или, по крайней мере, сузить ее. Любая предыдущая физическая связь между компонентами, независимо от того, насколько она была отдалена в прошлом, может повлиять на достоверность результатов теста Белла. Если Алиса пожмет руку Бобу перед отлетом на космическом корабле, у них будет общее прошлое. Кажется невероятным, чтобы локальная теория скрытых переменных использовала эти лазейки, но это все же было возможно.
В 2016 году группа, в которую входили Кайзер и Цайлингер, провела космический тест Белла. Используя телескопы на Канарских островах, исследователи получали случайные решения для настроек детектора от звезд, находящихся на небе достаточно далеко друг от друга, чтобы свет от одной не достигал другой в течение сотен лет, обеспечивая вековой разрыв в их общем космическом прошлом. Но даже тогда квантовая механика снова одержала победу.
Одна из основных трудностей в объяснении важности тестов Белла для публики, а также для скептически настроенных физиков — это восприятие того, что достоверность квантовой механики была предрешена.
В конце концов, исследователи измерили многие ключевые аспекты квантовой механики с точностью более 10 частей на миллиард. «На самом деле я не хотела над этим работать, — говорит Джустина. «Я подумал: «Да ладно, это старая физика. Мы все знаем, что произойдет». Но точность квантовой механики не могла исключить возможность существования локальных скрытых переменных; только тесты Белла могли это сделать.
«Что привлекло каждого из этих лауреатов Нобелевской премии к этой теме, и что привлекло к этой теме самого Джона Белла, так это [вопрос]: «Может ли мир работать таким образом?», — говорит Кайзер. — А откуда мы можем знать с уверенностью? Тесты Белла позволяют физикам устранить предвзятость антропоцентрических эстетических суждений из уравнения. Они вычищают из своей работы те части человеческого познания, которые отшатываются от возможности устрашающе необъяснимой запутанности или насмехаются над теориями скрытых переменных, считая их просто очередными спорами о том, сколько ангелов может танцевать на булавочной головке.
Награда присуждается Клаузеру, Аспекту и Цайлингеру, но это свидетельство всех исследователей, которые были неудовлетворены поверхностными объяснениями квантовой механики и задавали свои вопросы, даже когда это было непопулярным. «Тесты Белла, — заключает Джустина, — очень полезный способ взглянуть на реальность».
ОБ АВТОРАХ
Даниэль Гаристо — независимый научный журналист, освещающий достижения в области физики и других естественных наук. Он базируется в Нью-Йорке. Кредит: Ник Хиггинс
Есть причины, по которым девушки не изучают физику, и они не включают в себя нелюбовь к математике
По физике девочки и мальчики достигают одинаковых результатов. Предоставлено: Monkey Business Images/Shutterstock «Исходя из моих собственных знаний об этих вещах, физика — это не то, что обычно нравится девушкам. Они не хотят ею заниматься… Там много сложной математики, которую, я думаю, они предпочли бы не делать», — Кэтрин Бирбалсингх.
, председатель Комиссии по социальной мобильности правительства Великобритании и директор средней школы, сообщил Комитету Commons по науке и технологиям 27 апреля 2022 года.
Подобные комментарии крайне разочаровывают. Есть несколько причин, по которым девочки не выбирают физику для получения высшего образования или получения степени, и «нежелание заниматься математикой» не входит в их число.
Вместо этого причины включают в себя меньшую поддержку со стороны учителей и родителей и стереотипы о том, кто обычно изучает эти предметы.
Сравнивая достижение
Бирбалсингх заметил, что “сложная математика” мешает девочкам изучать физику. Однако, если бы это было так, мы ожидали бы увидеть гораздо меньше девочек, изучающих математику. Однако в 2019 г., 39% сдавших экзамен A-Level по математике были девочки, по сравнению с 23% по физике. Это показывает, что причины, по которым девочки не изучают физику, больше связаны с физикой, чем с математикой.
Более того, девочки и мальчики получают одинаковые оценки по математике и физике. В 2019 году — в прошлом году были установлены стандартные экзамены — 8,5% девочек получили A* по физике A-level по сравнению с 8,8% мальчиков; 28,7% девочек и 27,6% мальчиков получили оценку «А». То же самое можно увидеть и в результатах GCSE. Но больше мальчиков, чем девочек, предпочитают изучать естественные науки на более высоком уровне.
Я предполагаю, что наши девочки, которые не выбрали физику, а вместо этого выбрали биологию и химию, не хотят заниматься сложной математикой в физике
Почему мы должны заставлять их заниматься физикой, когда они этого не хотят?
Те, кто хотят, преуспевают в физике – это здорово!
— Кэтрин Бирбалсингх (@Miss_Snuffy) 27 апреля 2022 г.
Проект ASPIRES следил за группой учащихся в возрасте от 10 до юных лет, изучая их амбиции, связанные с наукой. В рамках проекта было установлено, что в средней школе мальчики чаще, чем девочки, говорят, что хотели бы стать ученым.
Имеются данные о том, что ожидания, возлагаемые учителями на учащихся, играют большую роль в том, что учащиеся продолжают изучать физику на более высоких уровнях. Проект ASPIRES обнаружил, что в возрасте от 10 до 18 лет мальчики значительно чаще, чем девочки, говорили, что их учитель ожидает от них успехов в науке, и чувствовали, что их учитель заинтересован в том, понимают ли они науку. Исследование показало, что девочки часто не чувствовали себя «достаточно умными», чтобы заниматься физикой, даже несмотря на то, что девочки получают такие же оценки, что и мальчики.
Гендерные стереотипы
В физике существует стереотип, что мальчики, естественно, лучше разбираются в этом, чем девочки, и этот посыл до сих пор передается (как намеренно, так и непреднамеренно) нашим молодым людям в школе, в их семейной жизни и через СМИ. Хорошо известным примером является телешоу «Теория большого взрыва», в котором участвуют четыре мужчины-физика и инженера и их легкомысленная соседка.
Другой отчет IOP показывает, что в школах с раздельным обучением физику изучают больше девочек, чем в школах с совместным обучением, как в государственной, так и в частной школьной системе. В среде, где гендерные сообщения уменьшаются, уровень участия девочек увеличивается.
Жизненно важно устранить барьеры для участия девочек в физике. Мы являемся частью Юго-восточной физической сети (SEPnet), сотрудничества девяти факультетов физики университетов, работающих вместе для продвижения передового опыта в физике с упором на разнообразие.
В SEPnet в 2017 году мы создали программу «Разрушение стереотипов», чтобы повысить осведомленность учащихся о гендерных стереотипах при выборе предмета и вооружить их инструментами, которые помогут им противостоять этому. Мы также проводим обучение учителей в этой области, чтобы повысить их осведомленность о вреде, который могут нанести гендерные стереотипы и гендерный язык, и предоставить им ресурсы и инструменты для борьбы с ними.
IOP реализует несколько проектов, направленных на устранение гендерного дисбаланса в физике. Их кампания Limit Less поддерживает молодых людей из всех слоев общества, чтобы они реализовали свой потенциал, занимаясь физикой. Проект «Улучшение гендерного баланса» — это исследовательский проект, работающий со школами с целью определения способов улучшения баланса в школьной среде.
Несмотря на все это, замечания Бирбалсингха показывают, что нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы нормализовать идею о том, что и девочки, и мальчики способны и по своей природе заинтересованы в изучении физики. Как общество, мы должны изменить наше восприятие отношений между полом и предметами STEM, такими как физика.
Предоставлено Разговор
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.
Цитата :
Есть причины, по которым девочки не изучают физику, и они не включают в себя нелюбовь к математике (2022, 10 мая)
получено 8 января 2023 г.