Δωρεάν διαδικτυακά μαθήματα κβαντικής φυσικής

Posted on 24/09/2016

0


Δωρεάν διαδικτυακά μαθήματα από το Κέντρο Ανοικτών Διαδικτυακών Μαθημάτων Mathesis.
http://mathesis.cup.gr/Το Mathesis ιδρύθηκε το 2015 ως ένα ιδιαίτερο τμήμα των Πανεπιστημιακών Εκδόσεων Κρήτης (ΠΕΚ) με αποκλειστικό σκοπό τη δημιουργία και δωρεάν προσφορά στους φοιτητές, τους επαγγελματίες επιστήμονες και το ευρύτερο κοινό, διαδικτυακών μαθημάτων στο επίπεδο των καλύτερων διεθνών προτύπων.

(1) Εισαγωγή στην Κβαντική Φυσική 1: Οι βασικές αρχές

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.

Τι θα μπορείτε να κάνετε στο τέλος του μαθήματος

  • Θα 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.

(2) Εισαγωγή στην Κβαντική Φυσική 2: Οι βασικές εφαρμογές

Περιγραφή του μαθήματος

Πρόκειται βέβαια για το δεύτερο μέρος του μαθήματος Εισαγωγή στην Κβαντική Φυσική 1, το οποίο αναπτύσσει περαιτέρω τις βασικές ιδέες της κβαντικής θεωρίας, κυρίως όμως τις εφαρμόζει στον ατομικό και μοριακό μικρόκοσμο με σκοπό τη θεμελιώδη κατανόηση της δομής και των ιδιοτήτων των βασικών συστατικών του. Ειδικότερα οι δύο βασικοί στόχοι της Εισαγωγής στην Κβαντική Φυσική 2 είναι η κβαντική εξήγηση του περιοδικού συστήματος των στοιχείων και η οικοδόμηση μιας θεωρίας του χημικού δεσμού στο απλούστερο δυνατό επίπεδο.

Τι θα μπορείτε να κάνετε στο τέλος του μαθήματος

    • Θα είστε σε θέση να εξηγήσετε μια κλασικά αδύνατη συμπεριφορά, όπως το φαινόμενο της σήραγγας και να καταλαβαίνετε το θεμελιώδη ρόλο της στο πώς, μεταξύ άλλων, σχηματίζονται τα μόρια, πώς «καίνε» τα άστρα και πώς δουλεύει το μικροσκόπιο σήραγγας.
    • Θα καταλαβαίνετε τι λέει η περίφημη αρχή της υπέρθεσης των κβαντικών καταστάσεων και μπορείτε να αναλύετε τις παράδοξες συνέπειές της: Από τη γάτα του Schrödinger έως και τους κβαντικούς υπολογιστές που… έρχονται!
    • Θα μπορείτε να λύνετε την εξίσωση Schrödinger για απλά κβαντικά συστήματα (από τον αρμονικό ταλαντωτή έως το άτομο του υδρογόνου) και να προβλέπετε τις ιδιότητές τους από πρώτες αρχές.
    • Θα μπορείτε να εξηγήσετε γιατί το σπιν δεν είναι περιστροφή του ηλεκτρονίου περί τον άξονά του και ποιος είναι τελικά ο σωστός κβαντικός τρόπος να περιγράφετε αυτή τη θεμελιώδη ιδιότητα της ύλης.
    • Θα καταλαβαίνετε που οφείλεται η αρχή του Pauli και γιατί ο ρόλος της στη φύση —από τους πυρήνες και τα άτομα έως τους λευκούς νάνους και τους αστέρες νετρονίων— είναι τόσο θεμελιώδης.
    • Θα μπορείτε να χρησιμοποιήσετε όλα τα προηγούμενα για να εξηγήσετε τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων ή τουλάχιστον το μικρό περιοδικό πίνακα «με τα στοιχεία που έχουν τα προσόντα» να αποτελέσουν τη βάση της ζωής.
    • Θα καταλαβαίνετε καλά την κβαντική θεωρία του χημικού δεσμού με βάση το μοντέλο του διπλού πηγαδιού και θα μπορείτε να εξηγήσετε βάσει αυτής τη δομή και τις ιδιότητες απλών —αλλά σημαντικών— μορίων.
    • Θα γνωρίζετε τέλος τα βασικά πειράματα και τα εμπειρικά δεδομένα που μας επιτρέπουν να είμαστε βέβαιοι για όλα τα παραπάνω.

Προαπαιτούμενα

Εισαγωγή στην Κβαντική Φυσική 1: Οι βασικές αρχές

Διδάσκων: Στέφανος Τραχανάς

Ο Στέφανος Τραχανάς διδάσκει, μεταξύ άλλων, κβαντική φυσική και διαφορικές εξισώσεις στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης από το 1983 έως σήμερα. Είναι συγγραφέας εννέα πανεπιστημιακών συγγραμμάτων στα παραπάνω πεδία και ενός βιβλίου για το ευρύτερο μορφωμένο κοινό με τίτλο Το φάντασμα της όπερας: Η επιστήμη στον πολιτισμό μας. Το 2003 ανακηρύχτηκε σε επίτιμο διδάκτορα του Πανεπιστημίου Κρήτης ενώ το 2012 του απονεμήθηκε το Εθνικό βραβείο εξαίρετης πανεπιστημιακής διδασκαλίας, το οποίο επιδίδεται από τον Πρόεδρο της ελληνικής δημοκρατίας. Υπήρξε ιδρυτικό μέλος και διευθυντής των Πανεπιστημιακών Εκδόσεων Κρήτης μέχρι το 2013 ενώ σήμερα είναι πρόεδρος της εκδοτικής επιτροπής τους. Τα τελευταία χρόνια το όνειρό του είναι η διαδικτυακή εκπαίδευση και το νέο είδος εκπαιδευτικού υλικού που θα χρειαστεί για να την στηρίξει. Πιστεύει ότι η χώρα 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 ιδιαίτερου 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.

Δείτε περισσότερα (και παλαιότερα) μαθήματα  ΕΔΩ:http://mathesis.cup.gr/