Качественные задачи по физике / Шимко Е.А. — Институт цифровых технологий, электроники и физики АлтГУ
Елена Анатольевна Шимко, доцент кафедры общей экспериментальной физики, кандидат педагогических наук, председатель краевой предметной комиссии по физике
Качественные задачи по физикеГлавная особенность качественной задачи состоит в том, что в ней внимание обучающихся акцентируется на объяснении физических явлений, свойств тел, вещества, изучаемых процессов. Цель их не формальное закрепление полученных физических знаний и механическое заучивание физических терминов и формул, а разносторонний анализ явлений, законов природы, технических достижений, который не требует сложных математических преобразований и расчётов. В качественной задаче по физике для разрешения ставится проблема, связанная с качественной стороной физического явления. Решается такая задача путем логических умозаключений, базирующихся на законах физики.
Качественные задачи в КИМ ОГЭ и ЕГЭ по физике относятся к заданиям повышенного уровня сложности, но демонстрируют результаты выполнения ниже, чем расчетные задачи высокого уровня сложности.
Менее шестой части выпускников IX классов в Алтайском крае (13,73 %) показали наличие таких умений в полной мере в 2019 году, что также является самым низким результатом за последние три года (2018 год – 31,07 %, 2017 год – 24,88 %).
Средний процент выполнения качественной задачи ЕГЭ в 2019 году составил 22,02 %, но полностью успешно справились с ее решением только 8,07 % выпускников XI классов (2018 год – 5,99 % и 1,54 % соответственно).
Очевидно, что в процессе обучения физике недостаточно времени отводится деятельности по объяснению явлений на основе построения связных письменных объяснений с аргументами в виде законов, формул или правил. Другая причина, возможно, заключается в том, что выпускники не знакомы с правилами оформления качественных задач на экзамене и критериями их оценивания.
Качественные задачи ОГЭ в 2020 году
Задание 21 проверяет умение применять информацию из текста физического содержания при решении учебно-познавательных и учебно-практических задач.
Задание 22 проверяет умение объяснять физические процессы и свойства тел в ситуациях жизненного характера.
Полный ответ на задания 21 и 22 должен включать не только ответ, но и его развёрнутое, логически связанное обоснование (2 балла).
Качественные задачи ОГЭ по физике в настоящее время делятся на две типа, следовательно, есть и два подхода к оцениванию решения:
1 тип заданий предполагает выбор более чем из двух возможных ответов
– представлен правильный ответ на поставленный вопрос, но его обоснование некорректно или отсутствует;
– представлены корректные рассуждения, приводящие к правильному ответу, но ответ явно не сформулирован.
Участник ОГЭ получает 0 баллов, если:
– ответ на вопрос неверен, независимо от того, что рассуждения правильны или неверны, или отсуствуют;
– представлены общие рассуждения, не относящиеся к ответу на поставленный вопрос.
2 тип заданий предполагает выбор одного из двух возможных ответов
– представлен правильный ответ на поставленный вопрос, но его обоснование не является достаточным, или в нём допущена ошибка;
– представлены корректные рассуждения, приводящие к правильному ответу, но ответ явно не сформулирован.
Участник ОГЭ получает 0 баллов, если:
– ответ на вопрос неверен, независимо от того, что рассуждения правильны или неверны, или отсуствуют;
– представлены общие рассуждения, не относящиеся к ответу на поставленный вопрос.
Для согласования корректности или достаточности обоснования эксперту необходимо выделить в решении не менее двух элементов логических рассуждений ученика.
Рассмотрим пример качественной задачи 1 типа к тексту физического содержания «Парниковый эффект» (рис. 1). Обоснование ответа строится на прямой или косвенной интерпретации информации, представленной на графиках (рис. а и рис. б к тексту).
Рис. 1
На рисунке 2 представлено решение качественной задачи 1 типа, которое эксперты оценивают на 2 балла из 2. Основание – приведён не только правильный ответ, но и его развёрнутое, логически связанное обоснование.
Рис. 2
Рисунок 3 демонстрирует пример качественной задачи 1 типа, которую оценили на 1 балл из 2
Рис.3
На рисунке 4 можно увидеть пример качественной задачи 1 типа, который оценивается на 1 балл из 2. Основание – представлен правильный ответ на поставленный вопрос, но его обоснование отсутствует.
Рис.4
Пример решения качественной задачи 1 типа с неверным ответом (0 баллов из 2) показан на рисунке 5.
Рис.5
Рассмотрим пример качественной задачи 2 типа (рис. 6) к тексту физического содержания «Молния и гром».
а) на наведение положительного заряда на поверхности земли;
б) на определение направления тока, как направления движения положительно заряженной частицы (или указание направления тока от «+» к «–»).
Рис.6
На рисунке 7 представлено решение качественной задачи 2 типа, которое эксперты оценивают на 2 балла из 2. Основание – приведён правильный ответ и его развёрнутое, логически связанное обоснование. Лишняя информация в ответе не противоречит приведенному обоснованию.
Рис. 7
На рисунке 8 показан пример решения качественной задачи 2 типа, оцененной на
Рис. 8
Пример решения качественной задачи 2 типа, которая оценена на 0 баллов из 2, показан на рисунке 9. Основание – ответ на вопрос неверен независимо от того, что есть правильные рассуждения.
Рис. 9
Качественные задачи ЕГЭ в 2020 году
Требования к полноте ответа приводятся в самом тексте задания. Как правило, все задания содержат:
А) требование к формулировке ответа: «Как изменится … (показание прибора, физическая величина)», «Опишите движение …» или «Постройте график …» и т.п.
Б) требование привести развёрнутый ответ с обоснованием: «объясните …, указав, какими физическими явлениями и закономерностями оно вызвано» или «…поясните, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения».
Обобщенная схема оценивания строится на основании трех элементов решения:
- формулировка ответа;
- объяснение;
- прямые указания на физические явления и законы.
В критериях оценивания приводится перечень явлений и законов, на основании которых строится объяснение (рис.10).
Рис.10
На рисунке 11 можно увидеть пример решения качественной задачи (задание 27 КИМ ЕГЭ 2020), который оценивается на 3 балла из 3. Основание – приведён правильный ответ и верные рассуждения об изменениях температуры и объема газа. Приведена запись уравнения Клапейрона-Менделеева с учетом плотности газа, а также ссылки на изопроцессы.
Рис.11
Пример недочётов, встречающихся в решении качественной задачи, показан на рисунке 12 (оценивается на 2 балла из 3). Основание – дан правильный ответ об изменениях температуры и объема, приведены верные рассуждения. Но в работе отсутствует вывод об изотермическом процессе на участке 1-2. Кроме того, вместо названия газовых законов указано «уравнение Клайперона», что можно расценивать как лишние записи.
Рис.12
За решение этой задачи снимается 1 балл по критерию одного логического недочета и наличия лишних записей. В критериях оценивания задания (рис.10) видно, что даже при наличии всех указанных недостатков в решении выставляется 2 балла.
Пример ошибок, встречающихся в решении качественной задачи, показан на рисунке 13 (оценивается на 1 балл из 3). Основание – получен неверный ответ, но имеются верные рассуждения, направленные на решение задачи, в части обоснования изменения величин в изобарном процессе.
Рис.13
При подготовке к экзаменам по физике рекомендуем использовать учебные материалы, подготовленные преподавателями Института цифровых технологий, электроники и физики:
- Курс «ОГЭ 2020 – Физика», преподаватель Равиль Муратович Утемесов, доцент кафедры общей экспериментальной физики, кандидат технических наук, заместитель председатель краевой предметной комиссии по физике (Интернет-лицей: https://public.
- Курс «Физика ЕГЭ – 2020», преподаватель Елена Анатольевна Шимко, доцент кафедры общей экспериментальной физики, кандидат педагогических наук, председатель краевой предметной комиссии по физике (Интернет-лицей: https://public.edu.asu.ru/course/view.php?id=151).
В курсах есть расписание вебинаров, на которых рассматриваются задания КИМ ОГЭ и ЕГЭ с подробными комментариями (http://webinar.asu.ru/physics/).
В ходе дистанционного обучения физике (10-11 класы) можно применять материалы курса «Экспериментальная физика» (Общедоступные ресурсы: https://public.edu.asu.ru/course/view.php?id=363).
Перечень возможных заданий в ходе дистанционного обучения физике
Решение задач на плотность вещества | 7 класс
Содержание
Тела, состоящие из различных веществ, при одинаковой массе будут иметь различные объемы, а при одинаковых объемах — различные массы. Происходит это из-за того, что каждое вещество имеет определенную плотность, которая описывается формулой $\rho = \frac{m}{V}$. 3}} \approx 1.05$.
Это означает, что весы не останутся в равновесии. Масса шарика из латуни больше массы шарика из мрамора.
Ответ: нет.
Космологическая постоянная — самая сложная проблема физики
В каждой частичке ничего есть что-то. Если вы увеличите пустое пространство и уберете все планеты, звезды и галактики, вы можете ожидать чистый вакуум, но вы ошибетесь. Вместо этого вы увидите динамичную сцену с частицами, вспыхивающими и исчезающими почти сразу.
Квантовая механика, теория, управляющая бесконечно малым миром, не допускает ничего. В любой данный момент времени и пространства энергия никогда не может быть абсолютно нулевой — всегда есть пространство для маневра. Из этого пространства для маневра могут возникнуть «виртуальные» частицы — в частности, пара, состоящая из частицы и ее античастицы, которые аннигилируют друг друга и исчезают так же быстро, как и появились. Каким бы странным это ни казалось, эксперименты наблюдали реальные эффекты виртуальных частиц. Когда ускорители частиц впервые измерили массу Z , его масса немного отличалась от его чистой массы, поскольку иногда он превращался в виртуальный топ-кварк — одно из многих наблюдений, доказывающих существование виртуальных частиц.
Результатом движения всех этих частиц, возникающих и исчезающих, является гудящая «энергия вакуума», которая заполняет космос и выталкивает наружу само пространство. Эта активность является наиболее вероятным объяснением темной энергии — причиной, по которой Вселенная вместо того, чтобы оставаться статической или даже расширяться с постоянной скоростью, с каждым мгновением ускоряется наружу все быстрее и быстрее.
Проблема с энергией вакуума в том, что ее не хватает. Когда ученые впервые задумались об этой концепции, они подсчитали, что эта энергия должна быть огромной — она должна была так сильно и быстро расширить Вселенную, что ни звезды, ни галактики так и не образовались. Поскольку это явно не так, энергия вакуума во Вселенной должна быть очень малой — примерно на 120 порядков меньше, чем предсказывает квантовая теория. Это все равно, что сказать, что что-то весом в пять фунтов на самом деле должно весить пять фунтов со 120 дополнительными нулями. Это несоответствие побудило некоторых ученых назвать энергию вакуума «худшим теоретическим предсказанием в истории физики».
Энергия вакуума считается основным компонентом «космологической постоянной» — математического термина в уравнениях общей теории относительности. Огромное расхождение между предсказанным количеством энергии вакуума и измеренным количеством часто называют проблемой космологической постоянной. «Это обычно считается одной из самых неудобных, смущающих и трудных проблем в теоретической физике сегодня», — говорит Антонио Падилья, физик из Ноттингемского университета в Англии, который потратил 15 лет, пытаясь решить ее. «Это говорит о том, что в нашей истории чего-то не хватает. Я нахожу это захватывающим — почему бы вам не поработать над этим?»
Эта загадка привлекла внимание величайших умов физики и породила множество идей для ее решения. В прошлом году физик из Нью-Йоркского университета Грегори Габададзе в течение часа резюмировал все концепции, выдвинутые теоретиками, в своем выступлении на физическом факультете Университета Брауна. В конце один из слушателей спросил его, какую из идей он предпочитает. «Никто из них», — ответил Габададзе. Все они слишком «радикальны», сказал он, и все требуют «отказа от священных принципов».
Но некоторые физики говорят, что новая теоретическая работа добавляет волнения в затруднительное положение. А недавние успехи в прецизионных лабораторных экспериментах по исследованию гравитации, а также появление гравитационно-волновой астрономии дают надежду на то, что некоторые из предложенных решений проблемы можно будет, наконец, подвергнуть экспериментальной проверке или, по крайней мере, установить. вне.
Рождение проблемы
У космологической постоянной непростая история. «Это было то, что можно было бы назвать нерешением нерешенной проблемы», — говорит физик Рафаэль Соркин из Института теоретической физики «Периметр» в Онтарио. Альберт Эйнштейн впервые изобрел его в 1917 в качестве математического болвана, чтобы заставить его уравнения поля общей теории относительности предсказать статическую Вселенную, как он и большинство ученых тогда считали космос. Но в 1929 году астроном Эдвин Хаббл измерил скорости многих галактик и, к своему удивлению, обнаружил, что все они удаляются от нас — на самом деле, чем дальше галактика, тем быстрее она движется. Его измерения показали, что пространство расширяется повсюду, и куда ни глянь, будет казаться, будто все галактики удаляются, потому что расстояние между всем постоянно растет. Столкнувшись с этой новостью, Эйнштейн пару лет спустя решил удалить космологическую постоянную из своих уравнений, назвав это «моей самой большой ошибкой», по словам физика Джорджа Гамова.
Некоторое время космологическая постоянная была сноской истории, но она тихо готовилась к возвращению. В конце 1990-х годов две команды астрономов соревновались в измерении того, насколько расширение Вселенной замедляется в результате гравитационного втягивания материи внутрь. В 1998 и 1999 годах они опубликовали свои результаты, основанные на измерениях особых сверхновых, расстояние до которых можно было определить очень точно. Самая дальняя из этих сверхновых оказалась намного тусклее и, следовательно, дальше, чем ожидалось. Расширение вовсе не замедлялось — оно ускорялось. Это тревожное открытие принесло трем руководителям групп Нобелевскую премию и побудило космолога Майкла Тернера ввести термин «темная энергия» для таинственной силы, вызывающей ускорение. Физики тут же предположили, что источником темной энергии может быть космологическая постоянная, другими словами, энергия вакуума. «Возможно, в ошибке Эйнштейна было больше понимания, чем в усилиях простых смертных», — писал позже Сол Перлмуттер, один из первооткрывателей ускорения.
Хотя космологическая постоянная позволила ученым снова сбалансировать уравнения поля Эйнштейна, заставив их предсказать ускоряющуюся Вселенную, подобную той, которую наблюдали астрономы, значение постоянной не имело смысла. На самом деле это усугубило проблему, которая некоторое время беспокоила ученых. В те годы, когда константа лежала на полу монтажной, физики связали этот термин из общей теории относительности с понятием вакуумной энергии из квантовой механики. Но энергия вакуума должна была быть огромной.
Одним из первых, кто заметил, что что-то не так, был физик Вольфганг Паули, который в 1920-х годах обнаружил, что эта энергия должна быть настолько сильной, что космос должен был расшириться намного дальше точки, в которой свет может преодолевать расстояние между любыми объектами. в этом. Паули подсчитал, что вся наблюдаемая Вселенная «не дотянется даже до Луны». Сообщается, что его позабавила его оценка, и в то время никто не воспринял ее всерьез. Первым, кто формально вычислил значение космологической постоянной на основе предсказаний квантовой теории энергии вакуума, был физик Яков Зельдович, нашедший в 1967 что энергия должна сделать космологическую постоянную гигантской. Но в то время ученые думали, что Вселенная расширяется с постоянной или замедляющейся скоростью, и большинство считало, что космологическая постоянная равна нулю. Возникла проблема космологической постоянной.
Тридцать лет спустя, когда астрономы поняли, что расширение космоса ускоряется, проблема не исчезла. Величина ускорения, хотя и шокирующая в то время, все же была мизерной по сравнению с тем, что квантовая теория должна была сделать. В некотором смысле возрождение космологической постоянной усугубило затруднительное положение. Одно дело попытаться представить, почему константа может быть равна нулю. Стало труднее понять, почему это может быть чуть больше, чем ничего. «Его значение очень странное», — говорит физик-теоретик Кэтрин Фриз из Техасского университета в Остине. «Даже страннее, чем ноль».
Не все согласны с тем, что эту проблему необходимо решить. Космологическая постоянная — технически просто константа природы, число в уравнении, которое может принимать любое значение, — говорит Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований в Германии. Тот факт, что он имеет такое значение, является просто числовым совпадением. «Вы можете просто взять константу и покончить с этим», — говорит Хоссенфельдер. «Все эти споры о том, почему это так ценно, не являются хорошими с научной точки зрения вопросами», — говорит она. Ничто в квантовой теории поля не было фальсифицировано, если ее предсказания не совпадали с астрономическими измерениями, и эта теория по-прежнему так же полезна, как и прежде. «Я думаю, что большинство людей в космологическом и астрофизическом сообществе считают, что это проблема, потому что им говорили об этом в течение длительного времени».
И все же многие физики не могут оставить это без внимания. Неожиданная малость космологической постоянной — это нить, за которую нужно потянуть. «Меня это очень беспокоит, — говорит Габададзе, — и я хочу получить ответы».
Изобилие теорий
Несмотря на рвение многих физиков в решении этого вопроса, темпы прогресса были удручающе медленными. «Прошло более 50 лет с тех пор, как Зельдович действительно указал, в чем проблема, и, конечно же, нет устоявшегося общепринятого объяснения», — говорит Падилья. «Идеи приходят и уходят, но, как правило, очень мало приживаются».
Большинство предлагаемых решений проблемы космологической постоянной можно разделить на три категории: изменить уравнения общей теории относительности, описывающие расширение Вселенной, изменить уравнения квантовой теории поля, которые предсказывают количество энергии вакуума, или добавить в смесь что-то совершенно новое. .
Внесение поправок в общую теорию относительности может изменить математическую роль космологической постоянной или вовсе исключить ее. Фриз и ее коллеги, например, стремились устранить необходимость в константе для объяснения ускорения Вселенной, изменив способ применения расчетов общей теории относительности к расширяющемуся космосу. «Материи и фотонов может быть достаточно, без добавления каких-либо новых компонентов во вселенную, если их роль в уравнениях иная», — говорит она. Ее модель основана на идее, что дополнительные измерения, помимо трех пространственных и одного временного, которые мы наблюдаем, могут быть скрыты от глаз.
Другой подход к обновлению общей теории относительности называется секвестрацией, предложенной Падильей и его коллегами. Они модифицируют теорию Эйнштейна таким образом, что гравитация изолируется, поэтому она не может ощущать влияние энергии вакуума. «Я не собираюсь притворяться, что это устоявшаяся модель, — добавляет Падилья, — но никто не смог ее исключить».
Если проблема не в общей теории относительности, то может проблема в квантовой механике. Некоторые теоретики предположили, что метод квантовой теории поля для расчета энергии вакуума не работает. Стефан Холландс из Лейпцигского университета в Германии и его коллеги не согласны с применением обычных квантовых уравнений к искривленному пространству-времени, говоря, что они были разработаны с учетом плоского пространства. Они утверждают, что если бы физики могли правильно модифицировать их для искривленного пространства, проблема космологической постоянной исчезла бы.
Предоставлено: Federica Fragapane Но для решения может потребоваться нечто большее, чем просто математическая обработка традиционных уравнений. Одной из недавних неортодоксальных идей является предложение Стива Карлипа из Калифорнийского университета в Дэвисе о том, что пространство-время в основном состоит из «пены». В этой картине кривизна пространства будет постоянно колебаться в чрезвычайно малых масштабах, намного превосходящих все, что мы можем надеяться измерить. Вся эта сложная топология нейтрализует большую часть влияния космологической постоянной, делая ее очень малой на локальном уровне. «Это довольно дикая идея, — говорит Карлип. «Это отчаянная мера, как и любая другая попытка иметь дело с космологической постоянной, а сейчас отчаянные времена».
Соркин, который говорит, что пена пространства-времени Carlip «идет в правильном направлении», также имеет свое собственное мнение в этой области. Он работает над подходом к объединению квантовой механики и гравитации, который называется теорией причинных множеств. Согласно этой модели, пространство-время принципиально дискретно — это означает, что вместо того, чтобы быть гладким, непрерывным пространством, оно разбито на крошечные куски, отдельные единицы пространства и времени, которые представляют собой строительные блоки Вселенной так же, как атомы являются строительными блоками. материи. Если это так, то вычисление космологической постоянной включает в себя деление на количество единиц пространства-времени во Вселенной, что приводит к значению, намного более близкому к тому, что наблюдают астрономы.
Одно из наиболее известных — а некоторыми и наиболее ненавидимых — решений проблемы космологической постоянной называется антропным принципом. Этот ход мыслей соглашается с тем, что космологическая постоянная в нашей Вселенной имеет маловероятное значение, но объясняет это тем, что мы живем в мультивселенной. Если наш пузырь — всего лишь один пузырь в космическом море, с разными физическими законами и константами в каждом, то он должен был быть с таким значением. Большинство других не привело бы к вселенной с галактиками, звездами, планетами или жизнью, поэтому тот факт, что мы оказываемся в одном из выбросов, вполне ожидаем. Поскольку теория струн требует мультивселенной, сторонники теории струн склонны считать, что проблема космологической постоянной по существу решена этим рассуждением. Однако другие физики считают эту философию отговоркой. «Это отказ от проблемы, — говорит Соркин.
Все эти стратегии, как правило, связаны с довольно радикальными изменениями в устоявшейся физике. «Каждый из них требует серьезного пересмотра основных принципов, скажем, пространства-времени или числа измерений Вселенной», — говорит Габададзе. — Все они в чем-то неприятны. Ни одна из теорий не возвысилась явно над остальными. «Сейчас это становится делом вкуса, — говорит Карлип. «Вероятно, ответ — это то, о чем никто не думал».
Постоянство или квинтэссенция?
Космологическая постоянная остается лучшим объяснением темной энергии — таинственной силы, вызывающей ускорение расширения пространства. Но что, если темная энергия вообще не связана с космологической постоянной или энергией вакуума? Что, если энергия вакуума во Вселенной каким-то образом полностью компенсируется, а космологическая постоянная равна нулю? В этом случае темная энергия может быть работой чего-то, что называется квинтэссенцией.
Понятие квинтэссенции было введено в 1998 году физиками Робертом Колдуэллом, Полом Стейнхардтом и Рахулом Дэйвом как альтернативное объяснение ускоряющегося расширения Вселенной. Квинтэссенцией будет некоторая форма энергии в пространстве с отрицательным давлением. В отличие от космологической постоянной, квинтэссенция могла меняться со временем. Одна из версий квинтэссенции, называемая фантомной энергией, постулирует энергию, плотность которой увеличивается с возрастом Вселенной, что приводит к окончательному «большому разрыву», когда пространство разрывается на части безудержным расширением, пока расстояние между частицами не станет бесконечным.
Чтобы проверить, вызвана ли темная энергия квинтэссенцией или космологической постоянной, ученые должны определить, изменилась ли сила темной энергии с течением времени. Различные проекты собирали данные о скорости расширения пространства в разные космические эпохи. Одним из примеров является Исследование темной энергии, шестилетняя попытка нанести на карту галактики на многих расстояниях по большой области неба с использованием телескопа Виктора М. Бланко в Чили. Данные обзора уже получены, но ученые все еще их анализируют — пока все признаки указывают на постоянство темной энергии. Еще один способ узнать, реальна ли квинтэссенция, — найти доказательства того, что эта энергия вызвала изменение фундаментальных констант природы с течением времени. Никаких указаний на непостоянные константы пока не появилось.
В течение следующих нескольких десятилетий эксперименты должны дать ученым лучшее представление о том, является ли космологическая постоянная (и стоящая за ней энергия вакуума) источником темной энергии. Исследование пространства и времени обсерватории Веры Рубин, которое планируется начать в 2022 году на строящемся в настоящее время в Чили телескопе, должно значительно повысить точность текущих измерений истории космического расширения. Вскоре ученые смогут гораздо более четко сказать, есть ли в данных место для квинтэссенции или действует неизменная сила.
Пульсация пространства-времени и нейтронные звезды
Если, как до сих пор показывают доказательства, темная энергия действительно является результатом космологической постоянной, все еще остается некоторая надежда разобраться в различных предложенных объяснениях ее неожиданной малости. Предстоящие эксперименты и астрономические наблюдения могут предложить способ провести различие между распространением теорий, отсеяв одни и, возможно, поддержав другие.
Пять лет назад ученые получили совершенно новую линзу для изучения космоса, когда они начали обнаруживать гравитационные волны, рябь в пространстве-времени, возникающую при столкновении огромных масс, таких как черные дыры и нейтронные звезды. Обсерватории гравитационных волн, такие как LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в США и Virgo в Европе, в настоящее время регулярно фиксируют волны, порожденные космическими катаклизмами, и эти волны могут оказаться полезными для исследования природы энергии вакуума. Некоторые попытки решить проблему космологической постоянной опираются на изменения в общей теории относительности, которые заставили бы гравитацию двигаться немного медленнее, чем скорость света. Тот факт, что гравитационные волны появляются одновременно со светом от одних и тех же событий, опровергает эту идею, уже исключая несколько теорий. «10 лет назад у нас была модель под названием «Великолепная четверка», которая была нацелена на решение проблемы космологической постоянной, — говорит Падилья. «Я уже начал сомневаться в этом, но данные гравитационных волн убили его».
Гравитационные волны также обнаруживают странную активность внутри нейтронных звезд. Эти компактные остатки сверхновых настолько плотны, что атомы коллапсируют, их протоны и электроны сталкиваются друг с другом, образуя массу почти чистых нейтронов. Это причудливое состояние порождает странные явления — например, ядро нейтронной звезды может содержать новую фазу материи, которая вызовет скачок количества энергии вакуума внутри него. Гравитационно-волновые обсерватории могут быть чувствительны к гравитационным эффектам дополнительной энергии вакуума, потенциально раскрывая секреты природы энергии вакуума.
И пока астрофизические эксперименты ищут ключи к разгадке в космическом масштабе, эксперименты немного ближе к дому также могут помочь исследователям разобраться в гипотезах космологической постоянной. Лабораторные установки, которые исследуют Вселенную на минимально возможных расстояниях, могут быть чувствительны к некоторым изменениям общей теории относительности, которые предлагают физики.
Примером может служить работа группы Eöt-Wash в Вашингтонском университете, где ученые используют чрезвычайно чувствительный эксперимент с весами для проведения точных тестов гравитации. Их инструмент называется крутильными весами: металлический диск с вырезанными в нем отверстиями свисает с тонкой проволоки, а прямо под ним такой же диск, который вращается с постоянной скоростью. Расстояние между ними равно ширине листа бумаги, и когда нижний диск вращается, его гравитационная сила заставляет верхний диск вращаться вперед и назад.
Этот чрезвычайно чувствительный эксперимент позволяет исследователям отслеживать поведение гравитации на масштабах до десятков миллионных долей метра. Если сила гравитации ослабевает на таком близком расстоянии, как предполагают некоторые идеи, или если там различимы дополнительные мельчайшие измерения пространства, команда Эёт-Ваша найдет их. До сих пор гравитация строго следовала законам Ньютона и Эйнштейна в своих тестах, и никаких скрытых измерений не было обнаружено, но ученые продолжают корректировать свой баланс, чтобы исследовать все меньшие и меньшие расстояния. Даже если группа никогда не обнаружит отклонений, влияющих на энергию вакуума, это не обязательно будет окончательным: возможно, такие изменения происходят только на расстояниях, недоступных для нас.
«Мы продолжим попытки», — говорит Габададзе о попытках экспериментально проверить гипотезы космологической постоянной. «Каждое поколение физиков, начиная с 1960 года или около того, видело появление новых решений. Возможно, однажды у некоторых из них появятся прогнозы наблюдений, которые можно будет проверить, но на данный момент нас нет». Несмотря на сложность головоломки, он и другие физики все еще надеются на скорое решение. Возможно, эти попытки понять проблему космологической постоянной откроют более глубокие истины о квантовой физике и общей теории относительности. Или, может быть, ученые найдут более простое решение. И даже когда они ищут решение, которое может никогда не быть реализовано, многие физики упиваются поисками.
Эта статья была первоначально опубликована под названием «Космическая головоломка» в журнале Scientific American 324, 2, 24-29 (февраль 2021 г.) журнал «Симметрия»
Александр Гарднер отправил свое заявление в Северную Каролину A&T из камеры, которая, вероятно, была военной тюрьмой где-то на юге США. Это была середина 1950-х; Гарднеру было бы за двадцать. Он сбежал из дома в возрасте 14 лет, чтобы присоединиться к торговому флоту США.
Гарднер был заключен в тюрьму за то, что ударил командира, который назвал его расистским оскорблением. У него было только 8-е классное образование, но Северо-Каролинский университет A&T, расположенный в Гринсборо, Северная Каролина, увидел его потенциал. Его приняли, и в 1958 г. он получил диплом инженера-физика. Пять лет спустя Гарднер стал первым чернокожим, получившим докторскую степень по физике в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл. Через год он вернулся в A&T Северной Каролины, на этот раз в качестве преподавателя физического факультета.
«Это невероятная история», — говорит Арлин Маклин, бывший профессор физики, которая считает Гарднера одним из своих первых и самых важных наставников.
Тем не менее, это далеко не единственная невероятная история победы над невзгодами, исходящая от чернокожего сообщества физиков. И это стало возможным, отчасти, благодаря уникальной поддержке, которую Гарднер нашел в Северной Каролине A&T, которая классифицируется как HBCU, исторически сложившийся колледж или университет для чернокожих.
HBCU сыграли важную роль в привлечении чернокожих студентов к физике. До 2003 года HBCU постоянно выпускали большинство чернокожих обладателей ученой степени по физике. В 2000 году в HBCU было зачислено всего 13% всех чернокожих студентов высших учебных заведений, но в этом году они получили ошеломляющие 60% дипломов по физике, полученных чернокожими студентами. С тех пор эти цифры неуклонно снижались, но сегодня HBCU по-прежнему выпускают непропорционально большую долю чернокожих выпускников-физиков.
В 2020 году в США действовал 101 HBCU. Тридцать из них предлагают степень бакалавра физики, а 11 из них предлагают степень магистра физики. Только четыре из них — Алабамский университет A&M, Флоридский университет A&M, Хэмптонский университет и Университет Говарда — предлагают программы докторантуры по общей физике. HBCU присвоили лишь примерно 11 из 1910 докторских степеней по физике, присужденных американским аспирантам в 2018 и 2019 годах. в учреждениях преимущественно для белых, таких как UNC Chapel Hill. Но чернокожие физики, вышедшие как из HBCU, так и из PWI, предполагают, что физическое сообщество должно быть больше обеспокоено структурными проблемами, с которыми повсюду сталкиваются студенты-физики из числа меньшинств, и токсичной средой, которая может быть обнаружена на любом академическом факультете.
Новая инициатива под названием TEAM-UP Together, направленная на удвоение к 2030 году числа афроамериканцев, получающих степень бакалавра в области физики и астрономии, будет способствовать достижению этих целей.
Сообщество HBCU
Чернокожие студенты, особенно чернокожие женщины, крайне мало представлены в физике. По данным Американского физического общества, несмотря на то, что они составляют 15,64% населения студенческого возраста, чернокожие студенты получили в среднем 3% степени бакалавра по физике в период с 2014 по 2018 год. Большинство – 74,5% – этих ученых степеней получили чернокожие мужчины. За тот же период чернокожие студенты получили всего 1,8% докторских степеней по физике.
Эксперты и выпускники программ физики HBCU согласны с тем, что HBCU успешно привлекает и удерживает чернокожих студентов, потому что они могут создать благоприятную среду для студентов из всех слоев общества, даже из самых неблагополучных.
«На HBCU приходится самый широкий круг афроамериканского сообщества, — говорит Хаким Олусеи, президент Национального общества чернокожих физиков. «Все получают вершину. Все получают средний класс. Но для тех из нас, кто по-настоящему борется с трудностями — таких же блестящих, способных и, вероятно, гораздо более трудолюбивых, — HBCU во многом являются мостом в этот мир, потому что они понимают нас оттуда, откуда мы пришли. В большинстве этих других мест нет».
Томас Сирлз, адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники Иллинойского университета в Чикаго, согласен с Олусеи. Сирлз получил степень бакалавра в колледже Морхауз и работал доцентом физики в Университете Говарда, оба HBCU. «HBCU занимается наставничеством для всех учащихся, а не только для самых лучших и способных — для всех», — говорит он.
Тем не менее, HBCU не освобождаются от вопросов, связанных с предвзятостью и дискриминацией.
«Я столкнулся с сексизмом в HBCU больше, чем в других местах, где я работал, и я работал в NSF, ЦРУ, лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, Ок-Ридж, — говорит Маклин. «Как чернокожая женщина, я была готова иметь дело с расизмом, но не с сексизмом».
С 1976 года в HBCU ежегодно поступает больше женщин, чем мужчин. Но Маклин объясняет, что даже в HBCU чернокожие женщины-преподаватели должны усерднее работать, чтобы получить должность и заручиться административной поддержкой своих инициатив. Самые последние данные, опубликованные Национальным центром статистики образования за осень 2001 г., показали, что чернокожие женщины составляют 27% всех штатных преподавателей и исследователей и 17% штатных профессоров HBCU, при этом чернокожие мужчины составляют 31% и 36% этих ролей соответственно. Маклин предполагает, что студенты-физики HBCU, которые являются женщинами, вероятно, сталкиваются с аналогичными трудностями.
«Черные женщины до сих пор не имеют критической массы в физике, — говорит Маклин. «У нас нет пяти чернокожих женщин-физиков, работающих вместе. Нигде».
Маклин говорит, что однажды она предложила помочь председателю физического факультета HBCU набрать больше чернокожих женщин. «Он никогда не принимал меня в этом вызове, — говорит она.
Теннилл Пресли, адъюнкт-профессор физики Уинстон-Салемского государственного университета, HBCU в Северной Каролине, говорит, что она также отметила несоответствие между гендерным разделением студентов и профессоров в HBCU.
«Я согласен с доктором Маклином, — говорит Пресли. «В целом на физических факультетах должно быть больше разнообразия, особенно в том, что касается включения чернокожих женщин и других цветных женщин, включая как студентов, так и преподавателей».
Конечно, чернокожие женщины на физических факультетах PWI также сталкиваются с проблемами, которых нет у их чернокожих сверстников-мужчин. То же самое верно и для чернокожих студентов-физиков, которые могут быть ЛГБТКИА+, инвалидами, родившимися за границей или иметь любую другую маргинализованную идентичность в дополнение к тому, что они черные.
«Некоторые личности противоречат [нашим представлениям] о том, кто такой ученый и кто такой физик», — говорит Фарра Симпсон, докторант по физике, получившая степень бакалавра в Колумбийском университете, а также работающая студенческий представитель в исполнительном совете Национального общества чернокожих физиков.
«Быть чернокожим, гомосексуалистом и женщиной — все эти интерсекциональные идентичности — я часто чувствую в научных пространствах, что люди ожидают, что ты будешь вести себя определенным образом или иметь определенную идентичность, и твоя идентичность [видна] как противоречащее этому», — говорит она.
Ресурсы PWI
Поддержание программы докторской степени по физике требует ресурсов, которые исторически и хронически недофинансируемые HBCU могут быть не в состоянии или не хотят предоставить.
«Физические факультеты недешевы для университета», — говорит Клаудия Рэнкинс, бывший декан Школы естественных наук Хэмптонского университета. «Многие небольшие физические факультеты выпускают только несколько студентов каждый год, но профессора, которые преподают курсы более высокого уровня, а также лаборатории, должны быть там… [Это] та же проблема, с которой сталкиваются другие небольшие программы или специальности».
Наем и удержание преподавателей также является проблемой для программ HBCU, испытывающих нехватку денежных средств, где преподаватели зарабатывали в среднем на 24 000 долларов США в год меньше, чем их коллеги из PWI в 2019–2020 годах.
Итак, большинство докторских степеней по физике — более 99%, по данным AIP — присуждаются PWI.
Учебные заведения сотрудничают в рамках «промежуточных программ», которые специально разработаны, чтобы помочь студентам перейти от бакалавриата и/или магистратуры в HBCU к докторской степени в PWI. Эти программы направлены на предоставление наставничества, в котором учащиеся, переходящие в учебное заведение, где они составляют меньшинство, могут нуждаться и могут не получать. Однако преподаватели HBCU и выпускники промежуточных программ часто критикуют эти программы за то, что они не оказывают адекватной поддержки участвующим в них студентам. Отчасти проблема сводится к отсутствию внимания к наставничеству в PWI, особенно в самых элитных.
«Я слышал от профессоров Массачусетского технологического института, что они говорят: «Ну, HBCU меньше; у них меньше учеников. Они могут позволить себе действительно наставлять студентов должным образом. В таком месте, как Массачусетский технологический институт, у нас нет такой роскоши», — говорит Дара Норман, заместитель директора Общественного центра науки и данных Национальной оптико-инфракрасной астрономической исследовательской лаборатории NSF.
Норман говорит, что такое отношение распространено среди преподавателей университетов R1. Но Норман, которая посещала почти все основные курсы физики Массачусетского технологического института в рамках своего бакалавриата, также говорит, что наставничество имеет решающее значение для студентов, которые могут не знать, чего ожидать по прибытии в университетские городки.
«Мои родители не ходили в колледж обычным образом; оба моих родителя служили на флоте, — говорит Норман. «Когда я поступил в колледж, я понял, что на самом деле не знаю, что такое колледж… И я не мог опираться на опыт своих родителей… Интересно, если бы я взялся за дело, был бы я в лучшей форме? ?»
Физические факультеты PWI также могут создавать среду, активно враждебную по отношению к чернокожим учащимся.
Чарльз Браун, исследователь с докторской степенью в области квантового моделирования в Калифорнийском университете в Беркли, может подробно описать многочисленные случаи расовой микроагрессии и даже открытой враждебности, когда он был аспирантом физического факультета Йельского университета. В 2020 году 9В статье 0005 Physics Today Браун рассказал истории о незнакомцах, которые передавали ему мусор, как если бы он был уборщиком; о том, что им отказывают во входе в здания, когда мимо проходят потоки не-черных людей без предъявления удостоверения личности; постоянно спрашивали, был ли он вообще связан с Йельским университетом.
«Это дает трещину в фундаменте вашей идентичности в поле, в вашем чувстве принадлежности к полю», — говорит Браун. «Студентом быть тяжело. Вы изучаете много сложных вещей. Вы ориентируетесь в какой-то новой среде. И когда вы получаете постоянные сообщения о том, что вы не принадлежите к этому месту и что вас не уважают, становится намного сложнее делать то, что и без того сложно для студентов любого происхождения».
Разные студенты по-разному справляются с этими столкновениями, но как бы чернокожие студенты ни реагировали на эти инциденты, они складываются, говорит Фалькон Рэнкинс, глава PRISSEM Academic Services, организации, которая работает для поддержки чернокожих преподавателей HBCU STEM.
«[Существует так много] работы, которую чернокожие студенты, студентки должны выполнять с точки зрения этого исчисления вокруг, вы знаете: это расизм?» — говорит Рэнкинс. «Этот человек сексист? Этот человек предполагает, что я не знаю, как что-то делать, потому что я черный? Все те вопросы, которые нам приходится задавать себе, — я думаю, это и есть настоящий труд, который не всегда оценивается как труд».
Обеспечить и то, и другое
В конечном счете, предоставление учащимся благоприятной среды имеет решающее значение для удержания этих учащихся в любом учебном заведении. «Мы продолжаем [продолжать] эти усилия по созданию пайплайна, не задаваясь вопросом: „Куда этот пайплайн свалится в конце дня?“», — говорит Рэнкинс, отмечая, что это относится ко всей физической экосистеме и областям STEM в целом. .
«Отделы [физики] должны очень внимательно, глубоко и на основе данных взглянуть на то, что происходит в их конкретном контексте, и исправить это», — говорит Арлин Модест Ноулз, руководитель проекта в Американском институте. Национальной целевой группы по физике по повышению представительства афроамериканцев в студенческой физике и астрономии (TEAM-UP). «Потому что, если вы набираете студентов в токсичную среду, это будет вращающаяся дверь. Эти студенты не справятся».
В 2020 году AIP опубликовала пример именно такой работы, основанной на данных, о которой говорит Ноулз, в подробном отчете «The Time is Now», основанном на двухлетнем исследовании организации, посвященном недопредставленности чернокожих студентов в бакалавриате. факультеты физики.
В апреле целевая группа TEAM-UP по разнообразию получила пятилетний грант в размере 12,5 миллионов долларов от Фонда Саймонса и Международного фонда Саймонса для запуска TEAM UP Together, коллективной акции, направленной на помощь рабочей группе в достижении ее цели к 2030 году удвоить число афроамериканцев, получивших степень бакалавра в области физики и астрономии.
Первоначально грант будет поддерживать стипендии для студентов, изучающих физику и астрономию в HBCU и других преимущественно чернокожих учебных заведениях, а затем в конечном итоге распространится на студентов во всех высших учебных заведениях США.