Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты | Мы поможем в написании вашей работы!  
 

Экспериментатор, прибор, результат



Урок-лекция

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

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?

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 можем 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 в опытах, 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 температуру 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.

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 мы измеряем. Рассмотрим процесс измерения толщины проволоки прибором – микрометром.

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!

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

От макромира к микромиру. 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. Ставя задачу любого измерения, необходимо оценивать искажения и создавать приборы, вносящие пренебрежимо малые искажения. Такая ситуация характерна для классической физики – ньютоновской механики, термодинамики, электродинамики. Приведем слова известного физика академика В. А. Фока: «Основные абстракции, используемые классической физикой, сводятся к предположениям об абсолютном характере физических процессов (в смысле их независимости от условий наблюдения) и возможности сколь угодно детального (в пределе - исчерпывающе точного и всестороннего) их описания». Совершенно иная ситуация возникает в физике микромира, т. е. при измерениях в мире атомов, молекул и элементарных частиц.

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 метода 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 близкие момента времени, мы можем определить скорость объекта по обычной формуле: u = DS/Dt, где Dt – время между измерениями, а DS – 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.

Согласно квантовой теории любая электромагнитная волна представляет собой поток фотонов. Энергия фотона связана с частотой волны соотношением E = hn, а импульс – с длиной волны p = h/l, где h – постоянная Планка. Из этого положения следует, что импульс волны (с заданной длиной) нельзя сделать сколь угодно малым, минимальный импульс волны – это импульс одного фотона.

Несложно сделать простые оценки. Чтобы определить положение электрона в атоме необходимо использовать волну с длиной меньше, чем размеры атома, иначе в силу явления дифракции волна просто обогнет атом, не заметив его. 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. Этот импульс, конечно, чрезвычайно мал по сравнению с импульсом автомобиля (автомобиль с массой в полтонны, движущийся со скоростью 72 км/час имеет импульс 104). Однако 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 автомобиля с другим автомобилем, движущимся ему навстречу. Подобный радиолокатор просто вырвал бы электрон из атома.

Квантовая теория позволяет обобщить сделанные выводы.

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.

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 проследить за движением электрона по орбите.

Все сказанное о движении электрона в атоме можно отнести и к движению молекул, 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.





Дата публикования: 2015-01-24; Прочитано: 665 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.01 с)...