П.Дёмин
Многиеопыты «Физпрактикума» построены так, что для них не требуются сложные приборы иустановки. Это не только позволяет любому читателю повторить эксперименты, но ипридает им дополнительную эффектность – интересно исследовать нетривиальныефизические явления при помощи самых незамысловатых средств. Однако в такихопытах можно встретиться и с трудностями, в частности с ошибками восприятия.Если в серьезной экспериментальной установке регистрирующим элементом служитточный прибор, то в опытах «физпрактикума» результат регистрирует самэкспериментатор – его глаза, уши, руки. А «показания» органов чувств человека неоднозначныи зависят от множества побочных факторов, начиная с условий наблюдения и кончаянастроением наблюдателя.
Иллюзий,связанных с человеческими чувствами, известно очень много; даже перечислить ихв одной статье было бы трудно. Не все они могут считаться иллюзиями в полномсмысле слова, то есть каким-то случайным или подстроенным обманом – иногда этопросто особые свойства наших органов чувств, о которых мы не знаем илизабываем. Такие иллюзии порой играют значительную роль и в научных исследованиях.Примером тому служит оптический эффект, с которым так или иначе сталкивалсякаждый, – параллакс.
Параллаксомназывают кажущееся относительное смещение объектов, находящихся на разномрасстоянии от наблюдателя. Это смещение возникает при движении его глаз. Так,глядя в окно поезда, можно заметить, что ближние деревья уходят назад гораздобыстрей, чем дальние, а самые далекие и вовсе почти не отстают – пейзаж заокном словно поворачивается вокруг точки, в которой взгляд пересекает линиюгоризонта. Немалое значение имеет другой, более простой случай параллакса –изменение показаний прибора в зависимости от положения глаза; при движенииглаза влево стрелка на фоне шкалы сдвигается вправо, и наоборот. Если у васдома не найдется никакого стрелочного прибора, эксперимент можно поставить свесами в магазине. Когда вашу покупку положат на них, сделайте шаг влево.Показания весов уменьшатся на одно-два деления. Сделайте пару шагов вправо, ипоказания увеличатся. Вес покупки, оказывается, зависит от вашего положения передприлавком.
Чтобыизбавиться от ошибки параллакса, в точных приборах стрелку делают очень тонкой,а под шкалой располагают зеркальную полоску. При считывании показаний прибораголову нужно держать так, чтобы сама стрелка и ее отражение в зеркале совпадали.Тогда взгляд строго перпендикулярен плоскости шкалы и ошибка исключена. Ксожалению, не все ошибки параллакса так легко поддаются исправлению. Скажем,при регистрации быстро-протекающих процессов с помощью некоторыхвысокоскоростных кинокамер возникают параллактические искажения, связанные сотносительным движением пленки и элементов оптической системы. Борьба с такимиискажениями – сложная техническая задача.
Ещеодин пример вредной иллюзии. Поставьте на лист бумаги перевернутый стакан и,обводя карандашом его край, нарисуйте друг за дружкой три дуги: маленькую, сцентральным углом около десяти градусов, среднюю, с углом градусов сорок, ибольшую, градусов сто двадцать. Сравните их кривизну. Даже прекрасно зная, чтоони начерчены с помощью одного стакана, а значит, радиус их кривизны один и тотже, трудно избавиться от впечатления, будто маленькая дуга имеет минимальнуюкривизну, а большая – максимальную. Интересно, что с дугами, превышающимиполовину окружности, иллюзия не возникает; наблюдатель отчетливо видитнастоящий диаметр таких больших дуг и замечает, что он одинаков у всех кривых.
Многиезнают опыт с двумя мыльными пузырями, которые соединяют между собой однойтрубкой. Давление внутри пузыря обратно пропорционально его радиусу, и потомувоздух из меньшего пузыря переходит в больший, пока от меньшего не останетсялишь небольшой сегмент, имеющий тот же радиус кривизны, что и большой пузырь.Однако если вы проделаете этот опыт сами, вам наверняка покажется, что кривизнауцелевшего пузыря намного больше кривизны маленького кусочка мыльной пленки впротиворечие с названным законом. Можете не проверять формулу для давлениявнутри пузыря: всему виной оптическая иллюзия, описанная в примере с дугами.Эта же иллюзия проявляется и в другой ситуации. Качество поверхности частоконтролируют по правильности картины интерференционных полос, возникающей приотражении света, например, по совершенству формы колец Ньютона. Этот простойопыт легко проделать дома, достаточно на плоскую пластинку положить линзу выпуклостьювниз и рассматривать точку касания на темном фоне. Вы увидите концентрическиецветные кольца (кольца Ньютона). Складывая две плоские пластинки, можнонаблюдать ряды параллельных или расходящихся полос, восьмерки и более сложныекартины. Полосы изгибаются тем круче, чем быстрей меняется толщина воздушногозазора между двумя стеклянными поверхностями, то есть чем больше на нихнеровностей. Но если вы захотите сравнить качество поверхности в разных местах,нужно помнить, что длинная интерференционная полоса может показаться изогнутойсильнее, чем короткая, даже если в действительности это не так.
Ещеошибочней бывают результаты сравнительной оценки площадей и объемов. Это темболее неожиданно, что линейные размеры тренированный глаз оценивает довольноточно. Попробуйте угадать, во сколько раз объем куба, изображенного на рисункесправа, больше объема левого куба? Какое соотношение между объемами цилиндров?Эллипсоидов? Минутку, не читайте дальше текст! Сделайте оценку и запомнитечисла.
/>
Рис.1. Результаты сравнительной оценки площадей и объемов
Атеперь проверьте результаты. Объем правого куба больше объема левого в двараза, объемы цилиндров относятся как один к тридцати, эллипсоидов – как один ктрем. А насколько площадь черного кольца меньше площади белого круга, которыйоно ограничивает?
/>
Рис.2. Насколько площадь черного кольца меньше площади белого круга, который оноограничивает?
Измеривих, нетрудно убедиться, что площади равны. В данном случае иллюзия усиливаетсяне только «провокационным» вопросом, но и специальной раскраской: черныепредметы кажутся человеческому глазу меньше белых. Этот эффект называютиррадиацией, Значение таких ошибок в оценке площади и объема для наших опытовочевидно.
Целыйряд зрительных иллюзий связан с движением. Подвесьте на темном фоне яркийгрузик на белой нитке и попробуйте разглядывать этот маятник двумя глазами,поместив перед одним из них темное стекло (подойдет стекло от солнцезащитныхочков). Вы заметите, что маятник описывает вытянутый эллипс. Убрав стекло,легко убедиться, что он по-прежнему качается в одной плоскости. Закройтестеклом другой глаз, и маятник вновь двинется по эллипсу, только в другуюсторону (если стекло перед левым глазом, маятник кажется вращающимся по часовойстрелке, если перед правым – против часовой стрелки). Иллюзия будет ещесильней, если сосредоточить взгляд на нити недалеко от точки подвеса, Этаиллюзия объясняется тем, что наш глаз замечает светлые предметы быстрей, чемтемные (разница во времени, конечно, очень невелика – доли секунды.
Качающийсямаятник виден глазу, закрытому стеклом, немного отстающим по сравнению со своимистинным положением, а другой глаз видит его как обычно. Это рассогласование ирождает впечатление объемности при плоском движении маятника. Подобные иллюзиимогут привести к ошибкам при изучении движения предмета, по-разномурассеивающего свет в различных направлениях.
Механизмчеловеческого зрения вообще достаточно сложен и окончательно не ясен: в немучаствуют не только хрусталик и сетчатка, но и сам мозг. Поэтому при случайныхпереключениях внимания наблюдателя также могут возникать некоторые иллюзии.Общеизвестный пример – «выворачивающийся куб», который кажется обращенным к намразными гранями в зависимости от того, на какой из его вершин сосредоточенвзгляд. Другую иллюзию того же типа можно наблюдать с помощью картонногопропеллера, вращающегося на небольшом гвоздике. Такую вертушку нужнорассматривать в сумеречной комнате на фоне светлого окна, чтобы видеть толькоее контур и не иметь возможности определить, какая из лопастей пропеллеранаходится ближе, а какая дальше. Иногда кажется, что пропеллер вращается в однусторону, а иногда – в другую. Сосредоточившись, можно небольшим усилиемвоображения «переключать» направление вращения вертушки по своему желанию. Да,что там направление вращения вертушки! Способность человека, видеть то, что оножидает увидеть, значительно шире, и это доказывают многие курьезные примеры.
Вкниге М.Миннарта «Свет и цвет в природе» указано, что различные люди видят врасположении пятен на Луне достаточно четкий рисунок, образующий человеческое лицов профиль, анфас или в три четверти, женскую фигуру, старуху с вязанкойхвороста, зайца, омара и многое другое. Эдгар По в рассказе «Сфинкс» описывает,как неверное представление о расстоянии до объекта может вызвать ошибочнуюоценку его размеров. Небольшое насекомое, медленно ползущее по паутинке заоконным стеклом, представилось рассказчику огромным чудовищем, стремительноперемещающимся по отдаленному холму, а слабый звук, изданный насекомым,показался ему громким криком. Последняя деталь показывает, что такому обмануподвержено не только зрение, но и слух. Незнакомые, непонятные звуки частопугают человека лишь потому, что, не имея точных сведений о расстоянии до ихисточника, он преувеличивает их громкость. Впрочем, акустические обманывстречаются реже, чем зрительные, поскольку от наших ушей в мозг поступаетзначительно меньше информации, чем от глаз. Из особенностей слуха стоитподчеркнуть лишь одну. Наша способность определять на слух, где расположенисточник звука, основана на разной силе сигналов, приходящих в правое и левоеухо; мы ожидаем найти источник с той стороны, откуда звук громче. Если же силаобоих сигналов одинакова (например, когда источник находится в вертикальнойплоскости, проходящей через центр головы), звук кажется раздающимся прямо вмозгу, и точное положение источника указать трудно. Завяжите глаза вашемутоварищу и попросите его определить место, в котором вы постучали ложечкой постакану. Он будет правильно находить это место во всех случаях, кроме тех,когда расстояние от стакана до обоих ушей окажется одинаковым.
Можетподвести даже такое простое чувство, как осязание. Скрестите указательный исредний пальцы одной руки и коснитесь ими острого ребра какого-нибудь предмета(стола, шкафа) так, чтобы ощутить его кончиками обоих пальцев. Закройте глаза исосредоточьтесь на ощущениях своих пальцев. Вам покажется, что вы ощупываете неодно, а два ребра. Проведите пальцами вдоль ребра до его конца – это усилитэффект. Слегка поверните пальцы вокруг их оси в одну и другую сторону – двавоображаемых ребра разойдутся немного в стороны, а затем вновь сблизятся.Проведите теперь пальцами от переносицы до кончика носа, и вам покажется, что увас два носа вместо одного. Эта иллюзия связана с необычным взаимнымрасположением пальцев: сигналы, посылаемые ими в мозг, «расшифровываются» попрежней схеме, которая теперь не соответствует действительности.
Особеннотрудно распознаются иллюзии, причина которых заключена в непривычном сочетанииощущений разных органов чувств. Положите в раковину воздушный шарик, наполнитеего водой и попробуйте поднять. Быть может, с первой попытки это не удастся –вы невольно сделаете слишком слабое усилие и будете удивлены большим весомшарика. Между тем, если бы то же количество воды было налито в кастрюлю, вы сразуприложили бы нужную силу. Тяжесть воды ассоциируется с ощущением жесткогокорпуса кастрюли, а тонкие резиновые стенки воздушного шарика ассоциируются сего ничтожным весом. Это поначалу и вводит в заблуждение.
Нашвестибулярный аппарат тоже не всегда работает точно, особенно если зрительныеобразы противоречат его ощущениям. Это рождает ошибки в определении вертикали игоризонтали. Велосипедисту, спускающемуся по склону, дорога кажется менеекрутой, чем на самом деле, – привыкший к горизонтальному положению земли глазавтоматически делает поправку, отсчитывая углы от плоскости дороги. Другойпример. Иногда приходится подниматься по выключенному эскалатору. Обратитевнимание, насколько неуверенными бывают несколько первых шагов. Привычканаклоняться вперед, чтобы не упасть, шагнув на уходящую из-под ног ленту,настолько сильна, что мы бессознательно следуем ей, даже когда видим, чтоступени неподвижны. Ощущение вертикального и горизонтального направленийзависит не только от зрительных впечатлений, но и от стереотипов,сформировавшихся в мозгу человека. Из этого следует, кстати, что все опыты помеханике нужно проводить на поверхности, горизонтальность которой проверенакаким-либо уровнем, а не только нашими собственными ощущениями.
Можетпоказаться, что иллюзии и обманы чувств проявляются в особых условиях и вряд ливстретятся нам при проведении опытов. Возможно, не в каждом эксперименте онииграют заметную роль. Однако встречаются ситуации, которые без их учета необъяснить. Вот одна из подобных ситуаций.
Поставьтена плиту чайник с небольшим количеством воды и дайте ей закипеть. Затем,выключив огонь, слегка приподнимите чайник. Постарайтесь запомнить ощущениетепла, которое передалось вам от нагретой ручки. Теперь быстро долейте в чайникодин-два литра холодной воды из заранее приготовленной кастрюли. Закройтекрышку и снова приподнимите чайник, оценивая температуру ручки. Вы с удивлениемобнаружите, что она не только не стала холоднее, но даже несколько нагрелась!Можно долго ломать голову над тем, почему ручка чайника нагревается придоливании в него холодной воды, можно даже придумать несколько объясненийразной сложности и разной правдоподобности. А истинное объяснение совсемпросто. Конечно же, за короткое время опыта ручка не успела ни остыть, ни нагреться.Более горячей она кажется лишь потому, что чайник стал тяжелее, и его ручка сбольшей силой давит на вашу ладонь.
Описаниеошибок наших органов чувств можно было бы продолжить; их причины бывают нетолько психофизиологическими, но и чисто физическими, и это, помимопрактических соображений, также привлекает к ним внимание физика. Во всякомслучае, такие ошибки представляют собой настолько обширный и интересный предметисследований, что человек, познакомившийся с ними поближе, не пожалеет озатраченных усилиях, даже если ему потом не придется столкнуться с иллюзиями ииспользовать полученные знаний в конкретной работе.
Список литературы
Я.И.Перельман.Занимательная физика. Москва – Ленинград. 1947г.
М.Миннарт.Свет и цвет в природе. Москва. 1958г.
Д.Р.Джадд.Г.Вышецки. Цвет в науке и технике. Москва. 1978г.
С.Толанский.Оптические иллюзии. Москва 1967г.