Експериментатор, прилад, результат

Досліджуючи різні процеси в природі, вчені намагаються виділити об’єктивні закономірності, тобто такі характеристики, які не залежать від людини, яка провадить спостереження або експерименти. Наскільки це можливо? Наскільки наші спостереження, наші виміри впливають на ті природні явища, які ми досліджуємо?

На цій гравюрі з книги Т. Галле «Нові відкриття», виданої в XVII ст., Представлені найбільш важливі, на думку автора, наукові та технологічні досягнення початку Нового часу. Які саме думки і творіння людських рук зображені на цій гравюрі? Чим би ви доповнили цей перелік?

Найбільш наочно це вплив проявляється в природі. Всі живі організми так чи інакше реагують на людину. Тому при спостереженні за дикими тваринами біологам доводиться бути вкрай обережними, щоб своєю присутністю не порушити їх звичайну поведінку.

Ще складніше досліджувати внутрішні органи живих організмів. Будь-яке втручання неминуче змінює їх роботу, фактично ми будемо досліджувати вже інші органи. Вчені, правда, можуть заглядати всередину організму, використовуючи рентгеноскопію та ультразвукове зондування. Але при цьому потрібно бути дуже обережним, оскільки обидва дослідження в цілому негативно впливають на організм.

Проте вплив експериментатора позначається і при проведенні дослідів без живих організмів. Виявляється, і тут ми спостерігаємо або вимірюємо вже не те, що було до нашої присутності. Розглянемо приклади такого впливу.

ВПЛИВ ПРИЛАДІВ НА ОБ’ЄКТИ, параметри яких ми вимірюємо. Перший приклад пов’язаний з вимірюванням температури. При вимірюванні медичним термометром температури людського тіла вплив термометра на температуру тіла пренебрежимо мало. Але чи можна тим же термометром виміряти темпера гуру води в невеликій пробірці, навіть якщо ця температура лежить в межах, зазначених на шкалі термометра? З курсу фізики ви знаєте, що при тепловому контакті двох тіл їх температури вирівнюються. При цьому більше гаряче тіло віддає теплову енергію більш холодного. У результаті температура гарячого тіла убуває, а температура холодного зростає. Оскільки маса термометра і маса пробірки з водою мають один і той же порядок величини, зміна температури термометра і зміна температури води виявляються порівнянними. Таким чином, термометр вимірюється не температуру води, яка була до контакту з ним, а температуру, усталену після контакту води і термометра, і ці температури можуть істотно різнитися.

Другий приклад стосується вимірювання тиску. Тиск вимірюють приладами – манометрами. Найпростіший манометр являє собою коробочку, закриту рухомий мембраною. Різне тиск викликає різний прогин мембрани, який може бути визначений (рис. 3). Занурюючи такий манометр в воду, можна вимірювати тиск на різних глибинах.

Припустимо тепер, що нам за допомогою такого манометра необхідно виміряти тиск води в склянці на рівні його дна. Провівши необхідні дії, ми дійсно виміряємо деякий тиск.

Але чи буде це те саме тиск, який ми хотіли виміряти? Занурений в рідину манометр витісняє воду, а отже, її рівень в склянці піднімається. Але тиск визначається висотою стовпа рідини, а значить, тиск у дна склянки при такому вимірі зростає. Якщо обсяг манометра порівняємо з об’ємом склянки, то ми виміряємо зовсім не те, що хотіли. Звернемося тепер до процесу вимірювання відстані. Здавалося б, у цьому випадку ми ніяк не впливаємо на об’єкт, розміри якого вимірюємо. Розглянемо процес вимірювання товщини дроту приладом мікрометром (рис. 4). Процес вимірювання дуже простий. Закручуючи мікрогвинт, ми притискаємо губки мікрометра до дроту і за шкалою зчитуємо товщину дроту. Але при цьому ми неминуче здавлюємо, а отже, деформуємо дріт. Її товщина зменшується. Правда, для дроту сила деформації виявляється незначною, і ми практично вимірюємо ту ж товщину, що і при відсутності мікрометра. Але уявіть собі, що таким же способом ми захотіли б виміряти товщину стеблинки кульбаби!

ріведенние приклади показують, що при будь-яких вимірах необхідно враховувати спотворення, що вносяться приладами. Як зробити ці спотворення мізерно малими? Проблема у всіх вище наведених прикладах чисто технічна, а не фізична. При постановці завдання будь-якого вимірювання необхідно оцінювати спотворення і створювати прилади, що вносять пренебрежимо малі спотворення. Така ситуація характерна для класичної фізики – ньютонівської механіки, термодинаміки, електродинаміки. Зовсім інша ситуація виникає в фізиці мікросвіту, т. Е. При вимірах у світі атомів, молекул і елементарних частинок.

Виробляючи виміру, ми неминуче вносимо спотворення в об’єкт, параметри якого вимірюємо. Величину таких спотворень, а отже, і точність вимірювань необхідно оцінювати завжди.

Повернемося до прикладу з вимірюванням товщини стеблинки кульбаби. Щоб визначити цю величину, зовсім не обов’язково стискати стеблинка. Досить зробити гарну фотографію і провести вимірювання за цією фотографією. При такому підході ми, здавалося б, абсолютно не впливаємо на стеблинка. Те ж саме характерно для будь-яких візуальних вимірювань відстаней. Всі подібні експерименти використовують світло. Але світло, як ви знаєте з курсу фізики, лише окремий випадок електромагнітних хвиль. Людина навчилася застосовувати для вимірювання відстаней і швидкостей та інші типи електромагнітних хвиль, наприклад радіохвилі.

В даний час методи радіолокації – вимірювання відстаней і швидкостей об’єктів за допомогою радіохвиль – широко використовують для самих різних цілей. Принцип метода дуже простий. Радіопередавач радіолокатора посилає радіохвилю в напрямку об’єкта, а радіоприймач радіолокатора приймає хвилю, відбиту від об’єкта. Помноживши час проходження хвилі до об’єкта і назад на швидкість світла, ми отримаємо подвоєне відстань від радіолокатора до об’єкта. Електронний пристрій автоматично вимірює проміжок часу і робить розрахунок відстані. Зробивши такі дії в два близьких моментів часу, ми можемо визначити швидкість обьекта за звичайною формулою: v = ΔS / Δt, де Δt – час між вимірами, а ΔS – величина, на яку змінилося відстань до об’єкта за цей час.

Чи впливають такі виміри на рухи самого об’єкта? Відомо, що електромагнітна хвиля переносить імпульс. З цього факту випливає, що падаюча на об’єкт хвиля чинить на нього тиск. Однак для макроскопічних об’єктів такий тиск виявляється пренебрежимо мало. Тому вимірювання координат і швидкостей макроскопічних об’єктів можна виробляти з досить високою точністю, не впливаючи на їх рух. Наприклад, використовуючи систему радіолокаторів, можна одночасно стежити за рухом багатьох автомобілів, що беруть участь в автоперегонах.

Інша ситуація виникає, якщо ми захочемо простежити подібними методами рух мікрочастинок, наприклад рух електронів в атомі. Імпульс мікроскопічного об’єкта суттєво менше, ніж імпульс автомобіля, тому вплив електромагнітної хвилі на нього виявляється набагато більш значним. Чи можна використовувати в такому випадку більш слабку (менш інтенсивну) хвилю? Виявляється, що тут істотні обмеження дає квантова теорія – теорія, що вивчає процеси в мікросвіті. Деякі положення цієї теорії ви вивчали в курсі фізики.

Квантова теорія стверджує, що електромагнітна хвиля є сукупність фотонів. Якщо довжина хвилі фотона багато більше розмірів атома. фотон “не помічає” атома, отже, не може дати нам інформацію про атом. В іншому випадку фотон руйнує (іонізує) атом.

З цього, зокрема, випливає, що безглуздо говорити про орбіті електрона в атомі. Це модельний образ. У нас просто немає (і не може бути) коштів, щоб простежити за рухом електрона по орбіті.

Все сказане про рух електрона в атомі можна віднести і до руху часток, що входять до складу живих організмів. Ми не можемо виявити деталі такого руху, не порушуючи процесів, що відбуваються в організмі. Це є однією з причин складності дослідження такого роду процесів.

Рух мікрочастинок (атомів, молекул, електронів) таке, що при вимірюванні будь-яких параметрів цього руху виникає значний вплив на характер самого руху, і цей вплив принципово не може бути малим.

Згідно квантової теорії будь електромагнітна хвиля являє собою потік фотонів. Енергія фотона пов’язана з частотою хвилі співвідношенням Е = hV, а імпульс – з довжиною хвилі співвідношенням р = h / λ, де λ – постійна Планка. З цього положення випливає, що імпульс хвилі (із заданою довжиною) не можна зробити як завгодно малим, мінімальний імпульс хвилі – це імпульс одного фотона. Розмір атома має порядок величини 10-10 м. Тому необхідна хвиля з довжиною менше ніж 10-11 м. Враховуючи, що постійна Планка в системі СІ має порядок величини 10-33, отримаємо, що відповідний фотон має імпульс порядку 10-22. (Для порівняння: автомобіль масою 500 кг, що рухається зі швидкістю 72 км / год, має імпульс 104.) Електрон в атомі, володіючи малою масою, має імпульс по порядку величини якраз рівний 10-22. Таким чином, вплив одного фотона з даною довжиною хвилі на електрон було б настільки ж катастрофічним, як зіткнення автомобілів, що рухаються назустріч один одному. Подібний радіолокатор просто вирвав би електрон з атома. Будь прилад, крім виконання функцій, для яких він призначений, неминуче надає побічна вплив (часто шкідливе), наприклад електрообігрівач з відкритою спіраллю. Обігріваючи кімнату, він також насичує її іонами важких металів, шкідливих для здоров’я.

Чому складно проводити спостереження за живими організмами в природі?
У стародавні часи моряки вимірювали швидкість судна, кидаючи у воду лот, прив’язаний до мотузки з вузлами, наступними через однакові відстані. При русі судна мотузка розмотувалася, і за кількістю вузлів, що проходять в заданий час, обчислювалася швидкість судна. Чи вносить такий прилад спотворення в рух судна? Якщо так, то чим зумовлені ці спотворення? Наскільки вони значні? Чим визначається похибка такого способу вимірювання швидкості?

Посилання на основну публікацію