Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

За измерването на една константа…
Дъждовна есенна вечер. Изкачвам се по пустото стълбище на Физически факултет на СУ до четвъртия етаж, където в дъното на коридора се крие невзрачна... За измерването на една константа…

Дъждовна есенна вечер. Изкачвам се по пустото стълбище на Физически факултет на СУ до четвъртия етаж, където в дъното на коридора се крие невзрачна врата. Както любезно ни информира закаченият лист, тя води към Софийския клон на Съюза на физиците в България.

Усмихвам се.

Нищо не подсказва, че вътре се подготвя едно от най-големите образователни мероприятия в областта на физиката у нас. Отварям вратата и ме посреща глъчта на оживена дискусия – в рязък контраст с тишината на пустите коридори, през които минах. Масите и шкафовете в малкото помещение са отрупани с електронни компоненти, платки, кабели, мултиметри, така че то прилича повече на работилница, отколкото на преподавателски кабинет. Няколко младежи неуморно запояват, а други им подготвят елементите за запояване и прибират готовата продукция – досущ като на поточна линия. Някъде там сред електронния безпорядък къкри кана с ароматен чай.

Както обикновено тук са и двамата отговорници за целия този творчески кипеж – проф. Тодор Мишонов – основният организатор на мероприятието, в чийто кабинет всъщност се намираме, и неговата дясна ръка – докторантът Алберт Варонов. А мероприятието всъщност е петата подред Международна олимпиада  по експериментална физика за ученици от прогимназиалния, гимназиалния курс и студенти първа година.

Предистория

С Алберт се знаем от времето, когато заедно с него и останалите съучастници от Club Aurora, изпратихме като на шега един смартфон в стратосферата. Няколко години по-късно Алберт завършва докторантурата си по Теоретична физика във Физическия факултет на СУ, ала изобщо не е загърбил експериментаторския си дух. Но дали е достъпен днес изобщо експериментализма в съвременната физика за мен, вас или който и да е обикновен човек? Та нали вече нивото на фундаменталната физика е такова, че верификацията й изисква наличието на многомилиардни ускорители на елементарни частици, космически обсерватории и какво ли не, в което изследователят е само една мъничка брънка в комплекса на огромния по мащабите си експеримент?

О‘кей, нека така да е, но пък уникалните за света български олимпиади по експериментална физика доказват успешно, че дори в „гаражна“ обстановка, със сравнително минимални финансови средства и с уменията на деца от гимназията, всеки един от нас може сам да се докосне до самата основа на физиката, измервайки фундаменталните физически константи, които дирижират нашата реалност. Досега на Олимпиадата са „отстреляни“, константата на Планк и скоростта на светлината, тази година дойде ред на друга важна буквичка от формулите по физика – константата на Болцман. Ако сте позабравили училищната физика, константата на Болцман е онова число, което свързва кинетичната енергия на една газова частица с температурата на газа. Тя дефинира важното свойство на материята, което наричаме ентропия, служейки като своеобразен мост между микросистемите и макросистемите. Болцмановата константа е равна на 1.38064852(79)×10^−23 J/K.

Опитната постановка

Опитната постановка, която учениците ще използват на олимпиадата, е базирана на идея на Айнщайн от началото на 20-ти век. Тя обаче така и никога не е била осъществена, тъй като техническият напредък по времето на Айнщайн не е бил достатъчен за тази цел, а пък впоследствие реализирането й станало излишно, тъй като константата вече била измерена по друг метод. С две думи – идеята на Айнщайн била забравена за цяло столетие. До този момент.

Айнщайн смятал, че константата на Болцман може да бъде изразена числово, като се измери напрежението върху един обикновен кондензатор. В такъв случай константата ще зависи пряко от квадрата на това напрежение, имащо характеристиките на термичен шум с амплитуда от порядъка на миливолти и даже по-малко. „Проблемът, заявява проф. Мишонов, e че техниката в началото на 20-ти век не е позволявала осъщестяването на тази привидно проста идея. Братя Хабихт са изработили през 1910 г. електростатичен усилвател с движещи се части, но той поради плаването на нулата се оказал непрактичен и ненадежден. Измерването, което предлага Айнщайн, станало осъществимо едва след възхода на полупроводниковата техника“.

electrostatic_machine_habicht За измерването на една константа...

Maшината на братя Хабихт. Снимка: http://www.einstein-website.de

Така проф. Мишонов в колаборация с физика д-р Васил Йорданов създават схема, базирана на два от най-качествените нискошумови операционни усилватели – ADA4898 на Analog Devices и метал филм кондензатори с високо бързодействие на WIMA. „Използвахме най-доброто, което се предлага на пазара“, допълва проф. Мишонов. Тази схема позволява усилването на маломощни сигнали милион пъти, което означава, че измерването на топлинния шум на кондензатор вече става постижима задача дори за най-простия мултиметър.

EPO5_test_setup За измерването на една константа...

Измервателната постановка на проф. Мишонов. На осцилоскопа от снимката по-долу виждате термичния бял шум на кондензатор, усилен милион пъти.

EPO5_White-noise За измерването на една константа...

Работата по схемата започна преди около година и някъде през лятото прототипът бе изработен. Аз, признавам си, бях леко скептичен към този момент, но прототипът работеше отлично, така че Алберт измери за пръв път константата на Болцман по метода на своя съименник 🙂 Алберт Айнщайн – резултатите са публикувани в научна публикация, която можете да прочетете тук. Но не това беше основната цел. А въпросният прототип да бъде възпроизведен в двеста бройки! Защото това измерване щеше да бъде тазгодишната задача на олимпиадата по експериментална физика.

Подготовката

Представете си, че трябва да организирате олимпиада, на която ще дойдат над 150 ученика от шест държави; трябва да я промотирате в училища и образователни институции; да търсите спонсори и дарители, които да поемат част от многохилядните разходи по експерименталните постановки; да изработите собственоръчно двеста такива постановки; да организирате закупуването на всички нужни части… Колко човека ще са ви нужни, колко време, колко пари? Тук е мястото да вметна, че що се отнася до финансовите измерения на олимпиадата, тази година тя бе щедро подпомогната от дарителство на българския технологичен лидер Уолтопия, така че личните разходи на организаторите бяха напълно възстановени.

И все пак проф. Мишонов и Алберт Варонов, заедно с неколцина доброволци в критичните моменти, за поредна година доказаха, че за организацията на една олимпиада е необходимо преди всичко решимост и добро желание. Наистина ми е трудно да пресъздам гигантския труд, на който станах свидетел (и в който взех малко участие) през тези няколко месеца между юли и декември. Работата бе по мащабите на малък цех и най-забележителното, е че всичко бе свършено някак встрани от основните занимания, с които всеки един от участниците в подготовката си изкарва хляба. Не знам какво се случва през деня в малкия кабинет на проф. Мишонов, защото съм на работа по това време, но знам, че всяка вечер, в която съм се отбивал, там винаги е имало поне няколко души, които да бачкат усилено до към 21-22 часа.

И стъпка по стъпка, част по част, експерименталните постановки, 200 бройки, се превърнаха в реалност. Все още ми е трудно да повярвам как почти като на шега стана всичко това. Знам само кой е главният „виновник“ за този успех – страхотно позитивната и спокойна обстановка в отбора на проф. Мишонов, зареждаща те с толкова енергия, че просто не разбираш как са минали няколко часа и вече е 9 вечерта… Но не вярвайте на думите ми! Убедете се сами от снимките.

EPO5_3 За измерването на една константа...

Проф. Мишонов, закичен с гирлянд от кондензатори.

EPO5_1 За измерването на една константа...

С много работа…

EPO5_2 За измерването на една константа...

…доброволци…

EPO5_5 За измерването на една константа...

…и още повече добро настроение…

EPO5_6 За измерването на една константа...

... целият електронен хаос…

EPO5_all_setup За измерването на една константа...

…се превърна в 200 измервателни постановки!

Денят на Олимпиадата

В ранното декемврийско утро на 9-ти декември фоайето на Физическия факултет е пълно с любопитни ученици, които вдигат врява до небесата. По-голямата част са от Македония, има и от Сърбия, Гърция, Унгария, Русия, дори от далечен Казахстан. Българчетата са само около 40, но в края на краищата именно това е най-добрият критерий, за да бъде една олимпиада международна – участниците от други страни да са повече от домакините. Много от учениците за първи път прекрачват прага на университетска сграда и с любопитство разглеждат залите и коридорите. За жалост сградата на Физически факултет е далеч от това, което трябва да представлява една съвременна образователна институция, но аз стискам палци занемарената обстановка да не откаже бъдещите физици. И все пак е чудесно да видиш една от най-големите аудитории, където се провежда откриването, пълна до шапката с млади хора.

EPO5_openingPNG За измерването на една константа...

След официалните встъпителни думи и приветствието на Декана на Физически факултет, проф. Драйшу започва същинската олимпиада. Задачите са така структурирани, че да провокират максимално изследователския дух на участниците, разпределени в няколко групи според възрастта си.   Идеята не е да се демонстрира използването на наизустени формули или сложни калкулации и математически преобразувания. Целта на задачите е да постави участниците в ролята на експериментатори, изправяйки ги пред най-различни проблеми от практическо естество, с които биха се сблъскали при една реална изследователска дейност. Важно е учениците да проявят съобразителност и усет към детайлите, да помислят какво всъщност правят.

А това изобщо не е толкова лесно, колкото звучи.

Първият тест за съобразителността на участниците е да захранят правилно схемите си, които при грешка ще изгорят. Още на тази, да кажем банална, стъпка неколцина сбъркват и постановките им изгарят, което слага край на участието им. Може би това са много добре подготвени теоретично деца, но на тази олимпиада акцентът е върху практиката. Някой ден подобна грешка от разсеяност и прибързаност би могла да повреди много скъпа техника в истинска лаборатория.

Ала като цяло всички четат задълбочено условието на задачата. И в групата на „всички“ включвам и учителите на учениците, които са събрани в отделна зала, за да извършат същия експеримент. Този детайл от олимпиадата е много важен – след края й със сигурност у голяма част от учениците ще възникнат въпроси относно работата на постановките, на които ще трябва да отговарят учителите им по физика. Така че тяхната роля в олимпиадата също е огромна.

Наближава краят. Малцина от участниците са си тръгнали в самото начало. Повечето ученици са съсредоточени в задачата и четири часа след старта продължават да измерват и чертаят графики. Най-старателните изобщо не са се докоснали до сандвичите, осигурени от организаторите с финансовата подкрепа на VMware. Истинско удоволствие e да видя толкова младежи, изцяло погълнати от това което правят. Мислещи. Работещи. Нищо не говори толкова добре за качеството на задачата, колкото този факт.

EPO5_students_work За измерването на една константа...

На следващия ден

Почти цялата нощ след олимпиадата проф. Мишонов и Алберт Варонов прекарват в преглеждане на писмените работи. Няма как – на следващия ден трябва да станат ясни победителите и трудът на 150-те участника да бъде оценен, преди те да си отидат. Философията на тази олимпиада е да бъдат официално обявени само най-добрите ученици. Както гласи олимпийският девиз, най-важното не е колко добре си се справил, а че си взел участие в общото дело. Моментните резултати не са от такова значение, съществен е стремежът към успеха и познанието, които няма как да бъдат оценени.

От всяка държава има блестящо справили се ученици.  Но абсолютният шампион е един. И това е младият казахстанец  Йерасил Амангелди. Той е измерил и определил, че константата на Болцман е равна на 1.19×10^−23  J/K с измервателна грешка ±0.29×10^−23  J/K. А това е само с 14 % по-различно от реалната стойност на тази константа. Колко добре е това за един десетокласник, „въоръжен“ с опитна постановка за 30 евро? Аз бих казал, че е фантастичен резултат на световно равнище. Браво, Йерасил!

EPO5_winner За измерването на една константа...

И така, още една успешна олимпиада по експериментална физика отива в историята. Но това е само детайл от цялостната картина. Проф. Мишонов вече замисля задачата за догодина, а междувременно участниците разучават опитните постановки, които са останали за тях и за техните училища. Надявам се, че когато се приберат у дома си, те и учителите им ще запалят искрата на експериментаторския дух у още много, много млади изследователи. Надявам се, че догодина в деня на нашия патрон Св. Климент Охридски ще се срещнем пак – по-можещи, по-знаещи и все така любопитни за света около нас!

Повече за Олимпиадата по експериментална физика и връзка за контакт с организаторите й можете да откриете тук – https://sites.google.com/a/bgphysics.eu/bgphysics/deynosti/epo

Еmil Petkov

Емил е авиационен инженер, който се опитва да предаде тук своите знания и опит. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

No comments so far.

Be first to leave comment below.

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *