Естествознание
10 класс

§ 7. Экспериментатор, прибор, результат

Истина и справедливость — точки столь
малые, что, метя в них нашими грубыми
инструментами, мы почти всегда даем
промах, а если и попадаем в точку, то
размазываем ее и при этом прикасаемся
ко всему, чем она окружена, — к неправде
куда чаще, чем к правде.

Б. Паскаль

Можно ли наблюдать за природой, не внося искажений в процессы, происходящие в ней? Вносим ли мы искажения в природные процессы при измерениях различных величин при помощи приборов? Существуют ли принципиальные ограничения на возможность производить измерения, оказывая пренебрежимо малое влияние на природные процессы?

Урок-лекция

Влияние экспериментатора на результаты исследования. Исследуя различные процессы в природе, ученые стараются выделить объективные закономерности, т. е. такие характеристики, которые не зависят от человека, производящего наблюдения или эксперименты. Насколько это возможно? Насколько наши наблюдения, наши измерения влияют на те природные явления, которые мы исследуем?

На этой гравюре из книги Т. Галле «Новые открытия», изданной в XVII в., представлены наиболее важные, по мнению автора, научные и технологические достижения начала Нового времени. Какие именно мысли и творения человеческих рук изображены на этой гравюре? Чем бы вы дополнили этот перечень?

Наиболее наглядно это влияние проявляется в природе. Все живые организмы так или иначе реагируют на человека. Поэтому при наблюдении за дикими животными биологам приходится быть крайне осторожными, чтобы своим присутствием не нарушить их обычное поведение.

Еще сложнее исследовать внутренние органы живых организмов. Любое вмешательство неизбежно изменяет их работу, фактически мы будем исследовать уже другие органы. Ученые, правда, могут заглядывать внутрь организма, используя рентгеноскопию и ультразвуковое зондирование. Но при этом нужно быть очень осторожным, поскольку оба исследования в целом отрицательно влияют на организм.

Однако влияние экспериментатора сказывается и при проведении опытов без живых организмов. Оказывается, и здесь мы наблюдаем или измеряем уже не то, что было до нашего присутствия. Рассмотрим примеры такого влияния.

ВЛИЯНИЕ ПРИБОРОВ НА ОБЪЕКТЫ, ПАРАМЕТРЫ КОТОРЫХ МЫ ИЗМЕРЯЕМ. Первый пример связан с измерением температуры. При измерении медицинским термометром температуры человеческого тела влияние термометра на температуру тела пренебрежимо мало. Но можно ли тем же термометром измерить темпера гуру воды в небольшой пробирке, даже если эта температура лежит в пределах, указанных на шкале термометра? Из курса физики вы знаете, что при тепловом контакте двух тел их температуры выравниваются. При этом более горячее тело отдает тепловую энергию более холодному. В результате температура горячего тела убывает, а температура холодного возрастает. Поскольку масса термометра и масса пробирки с водой имеют один и тот же порядок величины, изменение температуры термометра и изменение температуры воды оказываются сравнимыми. Таким образом, термометр измеряет не температуру воды, которая была до контакта с ним, а температуру, установившуюся после контакта воды и термометра, и эти температуры могут существенно различаться.

Второй пример касается измерения давления. Давление измеряют приборами — манометрами. Простейший манометр представляет собой коробочку, закрытую подвижной мембраной. Различное давление вызывает разный прогиб мембраны, который может быть измерен (рис. 3). Погружая такой манометр в воду, можно измерять давление на различных глубинах.

Рис. 3. Измерение давления манометром

Предположим теперь, что нам при помощи такого манометра необходимо измерить давление воды в стакане на уровне его дна. Произведя необходимые действия, мы действительно измерим некоторое давление.

Но будет ли это то самое давление, которое мы хотели измерить? Погруженный в жидкость манометр вытесняет воду, а следовательно, ее уровень в стакане поднимается. Но давление определяется высотой столба жидкости, а значит, давление у дна стакана при таком измерении возрастает. Если объем манометра сравним с объемом стакана, то мы измерим совсем не то, что хотели. Обратимся теперь к процессу измерения расстояния. Казалось бы, в этом случае мы никак не влияем на объект, размеры которого измеряем. Рассмотрим процесс измерения толщины проволоки прибором микрометром (рис. 4). Процесс измерения очень прост. Закручивая микровинт, мы прижимаем губки микрометра к проволоке и по шкале считываем толщину проволоки. Но при этом мы неизбежно сдавливаем, а следовательно, деформируем проволоку. Ее толщина уменьшается. Правда, для проволоки сила деформации оказывается незначительной, и мы практически измеряем ту же толщину, что и в отсутствие микрометра. Но представьте себе, что таким же способом мы захотели бы измерить толщину стебелька одуванчика!

Рис. 4. Микрометр — прибор для точных измерений

ОТ МИРОМИРА К МАКРОМИРУ. Приведенные примеры показывают, что при любых измерениях необходимо учитывать искажения, вносимые приборами. Как сделать эти искажения ничтожно малыми? Проблема во всех выше приведенных примерах чисто техническая, а не физическая. При постановке задачи любого измерения необходимо оценивать искажения и создавать приборы, вносящие пренебрежимо малые искажения. Такая ситуация характерна для классической физики — ньютоновской механики, термодинамики, электродинамики. Совершенно иная ситуация возникает в физике микромира, т. е. при измерениях в мире атомов, молекул и элементарных частиц.

Производя измерения, мы неизбежно вносим искажения в объект, параметры которого измеряем. Величину таких искажений, а следовательно, и точность измерений необходимо оценивать всегда.

Вернемся к примеру с измерением толщины стебелька одуванчика. Чтобы определить эту величину, вовсе не обязательно сжимать стебелек. Достаточно сделать хорошую фотографию и провести измерение по этой фотографии. При таком подходе мы, казалось бы, совершенно не влияем на стебелек. То же самое характерно для любых визуальных измерений расстояний. Все подобные эксперименты используют свет. Но свет, как вы знаете из курса физики, лишь частный случай электромагнитных волн. Человек научился применять для измерения расстояний и скоростей и другие типы электромагнитных волн, например радиоволны.

В настоящее время методы радиолокации — измерение расстояний и скоростей объектов при помощи радиоволн — широко используют для самых различных целей. Принцип мэтода очень прост. Радиопередатчик радиолокатора посылает радиоволну в направлении объекта, а радиоприемник радиолокатора принимает волну, отраженную от объекта. Умножив время прохождения волны до объекта и обратно на скорость света, мы получим удвоенное расстояние от радиолокатора до объекта. Электронное устройство автоматически измеряет промежуток времени и делает расчет расстояния. Произведя такие действия в два близких момента времени, мы можем определить скорость обьекта по обычной формуле: v= ΔS/Δt, где Δt — время между измерениями, а ΔS — величина, на которую изменилось расстояние до объекта за это время.

Влияют ли такие измерения на движения самого объекта? Известно, что электромагнитная волна переносит импульс. Из этого факта следует, что падающая на объект волна оказывает на него давление. Однако для макроскопических объектов такое давление оказывается пренебрежимо мало. Поэтому измерение координат и скоростей макроскопических объектов можно производить с достаточно высокой точностью, не влияя на их движение. Например, используя систему радиолокаторов, можно одновременно следить за движением многих автомобилей, участвующих в автогонках.

Иная ситуация возникает, если мы захотим проследить подобными методами движение микрочастиц, например движение электронов в атоме. Импульс микроскопического объекта существенно меньше, чем импульс автомобиля, поэтому влияние электромагнитной волны на него оказывается гораздо более значительным. Можно ли использовать в таком случае более слабую (менее интенсивную) волну? Оказывается, что здесь существенные ограничения дает квантовая теория — теория, изучающая процессы в микромире. Некоторые положения этой теории вы изучали в курсе физики.

Квантовая теория утверждает, что электромагнитная волна есть совокупность фотонов. Если длина волны фотона много больше размеров атома. фотон «не замечает» атома, следовательно, не может дать нам информацию об атоме. В противном случае фотон разрушает (ионизирует) атом.

Из этого, в частности, следует, что бессмысленно говорить об орбите электрона в атоме. Это модельный образ. У нас просто нет (и не может быть) средств, чтобы проследить за движением электрона по орбите.

Все сказанное о движении электрона в атоме можно отнести и к движению частиц, входящих в состав живых организмов. Мы не можем выявить детали такого движения, не нарушая процессов, происходящих в организме. Это является одной из причин сложности исследования такого рода процессов.

Движение микрочастиц (атомов, молекул, электронов) таково, что при измерении каких-либо параметров этого движения возникает значительное влияние на характер самого движения, и это влияние принципиально не может быть малым.

Согласно квантовой теории любая электромагнитная волна представляет собой поток фотонов. Энергия фотона связана с частотой волны соотношением Е = hV, а импульс — с длиной волны соотношением р = h/λ, где λ — постоянная Планка. Из этого положения следует, что импульс волны (с заданной длиной) нельзя сделать сколь угодно малым, минимальный импульс волны — это импульс одного фотона. Размер атома имеет порядок величины 10-10 м. поэтому необходима волна с длиной меньше чем 10-11 м. Учитывая, что постоянная Планка в системе СИ имеет порядок величины 10-33, получим, что соответствующий фотон имеет импульс порядка 10-22. (Для сравнения: автомобиль массой 500 кг, движущийся со скоростью 72 км/ч, имеет импульс 104.) Электрон в атоме, обладая малой массой, имеет импульс по порядку величины как раз равный 10-22. Таким образом, воздействие одного фотона с данной длиной волны на электрон было бы столь же катастрофическим, как столкновение автомобилей, движущихся навстречу друг другу. Подобный радиолокатор просто вырвал бы электрон из атома. Любой прибор, помимо выполнения функций, для которых он предназначен, неизбежно оказывает побочное влияние (часто вредное), например электрообогреватель с открытой спиралью. Обогревая комнату, он также насыщает ее ионами тяжелых металлов, вредных для здоровья.

  • Почему сложно проводить наблюдения за живыми организмами в природе?
  • В древние времена моряки измеряли скорость судна, бросая в воду лот, привязанный к веревке с узлами, следующими через одинаковые расстояния. При движении судна веревка разматывалась, и по количеству узлов, проходящих в заданное время, вычислялась скорость судна. Вносит ли такой прибор искажения в движение судна? Если да, то чем обусловлены эти искажения? Насколько они значительны? Чем определяется погрешность такого способа измерения скорости?

Рейтинг@Mail.ru