Στέφανος Τραχανάς: Κβαντομηχανική για εκπαιδευτικούς

 

Στο παραπάνω βίντεο ο διευθυντής του Mathesis Στέφανος Τραχανάς απαντάει σε ερωτήσεις εκπαιδευτικών δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης πάνω στην κβαντομηχανική∙ και ειδικότερα σε θέματα που σχετίζονται με τη διδασκαλία της στην ύλη του Λυκείου. H συζήτηση απευθύνεται κυρίως σε καθηγητές που ενδέχεται να έχουν παρεμφερείς απορίες καθώς και σε πολίτες που έχουν έρθει σε μία πρώτη επαφή με το αντικείμενο.

Ο διάλογος συντονίστηκε από τον Χρήστο Παπαδόπουλο, Φυσικό, και συντονιστή εκπαιδευτικού έργου ΠΕ04 σε συνεργασία με τους συντονιστές εκπαιδευτικού έργου Κεντρικής Μακεδονίας και Πελοποννήσου.

Υπενθυμίζουμε, ότι μπορείτε επίσης να παρακολουθήσετε ελεύθερα το μάθημα «Εισαγωγή στην Κβαντική Φυσική 1: Οι βασικές αρχές», με διδάσκοντες τους Στέφανο Τραχανά και Γιάννη Καραδάμογλου στην πλατφόρμα του Mathesis. Στην τρέχουσα έκδοσή του, το μάθημα έχει προσαρμοστεί ειδικά για καθηγητές Λυκείου, οι οποίοι φέτος καλούνται για πρώτη φορά να διδάξουν μια στοιχειώδη εισαγωγή στις βασικές έννοιες της κβαντομηχανικής. Το μάθημα περιλαμβάνει σχεδόν όλα τα διδασκόμενα στο Λύκειο θέματα, ενώ η τελευταία του εβδομάδα πάει και ένα μικρό βήμα πιο πέρα.

Περισσότερα για το μάθημα, εδώ:

https://mathesis.cup.gr/courses/course-v1:Physics+Phys1.1+22E/about?fbclid=IwAR3oMMOLIVyhpznnqzJSjMpSX3P0iD79se2iV-YPGRZ634LPPEg7FFcwR6E

Περιγραφή του μαθήματος

Γιατί τα άτομα συμπεριφέρονται ως συμπαγή και ασυμπίεστα σφαιρίδια ενώ είναι τελείως κούφια; Γιατί ένα άτομο οξυγόνου «βγαίνει» πάντα το ίδιο ακόμα και αν το διαλύσουμε και «ρίξουμε» ξανά τα ηλεκτρόνιά του γύρω από τον πυρήνα; Γιατί ο πυρήνας είναι γίγαντας ενέργειας ενώ είναι νάνος μεγέθους; Έχει σχέση αυτό με τη μακροβιότητα του ήλιου μας στην οποία οφείλεται η ανάδυση και η ανέλιξη της ζωής πάνω στη Γη; Πού οφείλεται ο πιθανοκρατικός χαρακτήρας των κβαντικών νόμων; Σε ατελή γνώση των διαδικασιών του μικρόκοσμου, όπως έλεγε ο Αϊνστάιν, ή είναι «στη φύση των πραγμάτων», όπως έλεγε ο Μπορ;

Αν τα παραπάνω ερωτήματα προκαλούν το ενδιαφέρον σας και θα θέλατε να είστε σε θέση να τα απαντήσετε από πρώτες αρχές, τότε ένα μάθημα όπως τούτο εδώ θα σας βοηθήσει να το πετύχετε. Θα σας προσφέρει μια καλή εισαγωγική κατανόηση των βασικών ιδεών της κατεξοχήν θεωρίας που κυβερνά τον κόσμο μας.

Στην τρέχουσα έκδοσή του, το μάθημα έχει προσαρμοστεί ειδικά για καθηγητές Λυκείου, οι οποίοι φέτος καλούνται για πρώτη φορά να διδάξουν μια στοιχειώδη εισαγωγή στις βασικές έννοιες της κβαντομηχανικής. Το μάθημα περιλαμβάνει σχεδόν όλα τα διδασκόμενα στο Λύκειο θέματα, ενώ η τελευταία του εβδομάδα πάει και ένα μικρό βήμα πιο πέρα.

Επιπλέον

α) Το μάθημα θα παραμείνει ανοικτό για αρκετά περισσότερο χρόνο από την τυπική του διάρκεια, ώστε να μπορέσουν να το παρακολουθήσουν και όσοι ενδιαφερθούν γι' αυτό με κάποια χρονική υστέρηση.

β) Σε τακτά διαστήματα –π.χ. όταν ολοκληρώνεται ένα σημαντικό κομμάτι ύλης– θα υπάρχουν προαιρετικές «ζωντανές» συναντήσεις με τους διδάσκοντες μέσω zoom, για να συζητούνται απορίες.

Γ) Ο χώρος της συζήτησης φιλοδοξούμε να έχει έναν κεντρικό ρόλο∙ να γίνει ένα βήμα διαλόγου, όχι μόνο για συζήτηση κάθε δυνατής απορίας αλλά και για ανταλλαγή απόψεων μεταξύ των συμμετεχόντων πάνω στη διδακτική προσέγγιση ενός θέματος, με παρεμβάσεις των διδασκόντων όπου είναι αναγκαίο.

Δ) Tέλος, το υλικό του μαθήματος συμπεριλαμβάνει (εννοείται, δωρεάν) και την ηλεκτρονική έκδοση του βιβλίου του Στέφανου Τραχανά Στοιχειώδης Κβαντική Φυσική, ΠΕΚ 2012.
Τι θα μπορείτε να κάνετε στο τέλος του μαθήματοςΘα είστε σε θέση να εξηγήσετε πώς η αρχή του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού -η θεμελιώδης αρχή του κβαντικού κόσμου- αναδύθηκε μέσα από τη χρεωκοπία της κλασικής φυσικής όταν βρέθηκε αντιμέτωπη με ανεξήγητα φαινόμενα, όπως η θερμική ακτινοβολία των σωμάτων και η μυστηριώδης σταθερότητα των ατόμων.
Θα έχετε καταλάβει και θα μπορείτε να εξηγήσετε πώς η αρχή του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού οδηγεί φυσιολογικά στην εξίσωση Shrödinger και γιατί η πιθανοκρατική ερμηνεία των λύσεών της είναι αναπόφευκτη.
Θα μπορείτε να λύνετε μόνοι σας την εξίσωση Schrödinger σε απλά φυσικά συστήματα, όπως το άτομο του υδρογόνου, και να προβλέπετε, από πρώτες αρχές, θεμελιώδη χαρακτηριστικά του, όπως το μέγεθος και το έργο ιοντισμού του.
Θα έχετε καταλάβει και θα μπορείτε να εξηγήσετε το περιεχόμενο της αρχής της αβεβαιότητας και να την εφαρμόζετε για να εξηγείτε τα βασικά μυστήρια του μικρόκοσμου, όπως τη σταθερότητα και το ασυμπίεστο των ατόμων και το τεράστιο μέγεθος των πυρηνικών ενεργειών.
Θα μπορείτε να εξηγήσετε την αρχή λειτουργίας τεχνολογικών επιτευγμάτων όπως το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και γιατί η χρήση του ήταν ένα επαναστατικό βήμα για τις βιοεπιστήμες.
Θα μπορείτε τέλος να απαντάτε σε καθημερινές ερωτήσεις, όπως: Γιατί οι υψίσυχνες ακτινοβολίες έχουν χημική δραστικότητα, ενώ οι βαθύσυχνες όχι; Έχει χημική επικινδυνότητα η ακτινοβολία από το φούρνο μικροκυμάτων, το κινητό ή την τηλεόρασή μας; Είναι λογικό να πιστεύουμε -όπως έκαναν πολλοί κατά το πυρηνικό ατύχημα του Τσέρνομπιλ- ότι βράζοντας καλά τα χόρτα που εκτέθηκαν στη ραδιενεργό βροχή θα προφυλαχτούμε από τη ραδιενέργεια που μάζεψαν;

Όσο κι αν σας προξενεί έκπληξη, η κβαντική φυσική έχει πολύ στενότερη σχέση με όσα συμβαίνουν γύρω μας απ' ό,τι η κλασική φυσική.
Προαπαιτούμενα

Φυσική λυκείου και στοιχειώδης απειροστικός λογισμός.

Στέφανος Τραχανάς

Ο Στέφανος Τραχανάς διδάσκει, μεταξύ άλλων, κβαντική φυσική και διαφορικές εξισώσεις στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης από το 1983 έως σήμερα. Από το 1986 και μετά είναι μέλος του επιστημονικού προσωπικού του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας και η διδασκαλία του στο τμήμα Φυσικής προσφέρεται δωρεάν. Είναι συγγραφέας έντεκα πανεπιστημιακών συγγραμμάτων στα παραπάνω πεδία καθώς και των βιβλίων Το φάντασμα της όπερας: Η επιστήμη στον πολιτισμό μας και Το αμάρτημα της Εύας: Φυσική κάτω από τ’ άστρα και δημιουργική μάθηση, τα οποία απευθύνονται στο ευρύτερο μορφωμένο κοινό. Το βιβλίο του An Introduction to Quantum Physics κυκλοφόρησε πρόσφατα από τον εκδοτικό οίκο Wiley. Το 2003 ανακηρύχτηκε σε επίτιμο διδάκτορα του Πανεπιστημίου Κρήτης ενώ το 2012 του απονεμήθηκε το Εθνικό βραβείο εξαίρετης πανεπιστημιακής διδασκαλίας Ξανθόπουλου - Πνευματικού. Για το σύνολο της προσφοράς του τιμήθηκε το 2015 με τον Ανώτερο Ταξιάρχη του Φοίνικα της Ελληνικής Δημοκρατίας. Ως ιδρυτικό μέλος και διευθυντής των Πανεπιστημιακών Εκδόσεων Κρήτης του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας μέχρι το 2013, είχε τη βασική ευθύνη για τη δημιουργία του πρώτου πανεπιστημιακού εκδοτικού οίκου της χώρας. Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον του στράφηκε στα ανοικτά διαδικτυακά μαθήματα και τους νέους δρόμους που αυτά ανοίγουν για την εξίσωση των ευκαιριών στην ποιοτική εκπαίδευση. Πιστεύει ότι η χώρα μας δεν μπορεί να μείνει έξω από τις επαναστατικές αλλαγές που συντελούνται αλλού σε αυτό το θέμα και γι’ αυτόν το σκοπό πήρε την πρωτοβουλία για την ίδρυση του Mathesis —ενός αυτόνομου και αυτοχρηματοδοτούμενου τμήματος των ΠΕΚ— στο οποίο και προσφέρει εθελοντικά την εργασία του τόσο ως διευθυντής του (πλήρους και αποκλειστικής απασχόλησης) όσο και ως δάσκαλος ή συγγραφέας. Η επιτυχία του «πειράματος» είναι το προσωπικό του στοίχημα για τα επόμενα χρόνια.