П. Дьомін
Багато досліди «Фізпрактікума» побудовані так, що для них не потрібні складні прилади та установки. Це не тільки дозволяє будь-якому читачеві повторити експерименти, але й надає їм додаткової ефектність - цікаво дослідити нетривіальні фізичні явища за допомогою самих немудрих засобів. Однак у таких дослідах можна зустрітися і з труднощами, зокрема з помилками сприйняття. Якщо в серйозній експериментальній установці реєструючим елементом служить точний прилад, то в дослідах «фізпрактікума» результат реєструє сам експериментатор - його очі, вуха, руки. А «свідчення» органів почуттів людини неоднозначні і залежать від безлічі побічних факторів, починаючи з умов спостереження і закінчуючи настроєм спостерігача.
Ілюзій, пов'язаних з людськими почуттями, відомо дуже багато; навіть перерахувати їх в одній статті було б важко. Не всі вони можуть вважатися ілюзіями в повному сенсі слова, тобто якимось випадковим чи підстроєним обманом - іноді це просто особливі властивості наших органів чуття, про які ми не знаємо або забуваємо. Такі ілюзії часом грають значну роль і в наукових дослідженнях. Прикладом тому служить оптичний ефект, з яким так чи інакше стикався кожен, - паралакс.
Параллаксом називають позірна відносний зсув об'єктів, що знаходяться на різній відстані від спостерігача. Цей зсув виникає при русі його очей. Так, дивлячись у вікно поїзда, можна помітити, що ближні дерева йдуть тому набагато швидше, ніж далекі, а самі далекі і зовсім майже не відстають - пейзаж за вікном немов повертається навколо точки, в якій погляд перетинає лінію горизонту. Чимале значення має інший, більш простий випадок паралакса - зміна показань приладу в залежності від положення ока; при русі очі вліво стрілка на тлі шкали зсувається вправо, і навпаки. Якщо у вас вдома не знайдеться жодного стрілочного приладу, експеримент можна поставити з вагами в магазині. Коли вашу покупку покладуть на них, зробіть крок вліво. Показання ваг зменшаться на одне-два поділу. Зробіть кілька кроків праворуч, і показання збільшаться. Вага покупки, виявляється, залежить від вашого положення перед прилавком.
Щоб позбутися від помилки паралакса, в точних приладах стрілку роблять дуже тонкою, а під шкалою мають у своєму розпорядженні дзеркальну смужку. При зчитуванні показань приладу голову потрібно тримати так, щоб сама стрілка і її відображення в дзеркалі збігалися. Тоді погляд суворо перпендикулярний площині шкали і помилка виключена. На жаль, не всі помилки паралакса так легко піддаються виправленню. Скажімо, при реєстрації швидко-протікаючих процесів з допомогою деяких високошвидкісних кінокамер виникають параллактичний викривлення, пов'язані з відносним рухом плівки та елементів оптичної системи. Боротьба з такими спотвореннями - складне технічне завдання.
Ще один приклад шкідливої ілюзії. Поставте на аркуш паперу перевернутий стакан і, обводячи олівцем його край, намалюйте один за одним три дуги: маленьку, з центральним кутом близько десяти градусів, середню, з кутом градусів сорок, і велику, градусів сто двадцять. Порівняйте їх кривизну. Навіть чудово знаючи, що вони накреслені за допомогою однієї склянки, а значить, радіус їх кривизни один і той же, важко позбутися враження, ніби маленька дуга має мінімальну кривизну, а велика - максимальну. Цікаво, що з дугами, що перевищують половину окружності, ілюзія не виникає; спостерігач виразно бачить справжній діаметр таких великих дуг і зауважує, що він однаковий у всіх кривих.
Багато хто знає досвід з двома мильними бульбашками, які з'єднують між собою однією трубкою. Тиск всередині міхура назад пропорційно його радіусу, і тому повітря з меншого міхура переходить в більший, поки від меншого не залишиться лише невеликий сегмент, що має той же радіус кривизни, що й великий міхур. Однак якщо ви зробите цей досвід самі, вам напевно здасться, що кривизна вцілілого міхура набагато більше кривизни маленького шматочка мильної плівки в протиріччя з названим законом. Можете не перевіряти формулу для тиску всередині міхура: всьому виною оптична ілюзія, описана в прикладі з дугами. Ця ж ілюзія проявляється і в іншій ситуації. Якість поверхні часто контролюють за правильності картини інтерференційних смуг, яка виникає при віддзеркаленні світла, наприклад, за досконалістю форми кілець Ньютона. Цей простий дослід легко виконати будинку, достатньо на плоску платівку покласти лінзу опуклістю вниз і розглядати точку дотику на темному тлі. Ви побачите концентричні кольорові кільця (кільця Ньютона). Складаючи дві плоскі пластинки, можна спостерігати ряди паралельних або розходяться смуг, вісімки і складніші картини. Смуги вигинаються тим крутіше, чим швидше змінюється товщина повітряного зазору між двома скляними поверхнями, тобто чим більше на них нерівностей. Але якщо ви захочете порівняти якість поверхні в різних місцях, потрібно пам'ятати, що довга інтерференційна смуга може здатися зігнутої сильніше, ніж коротка, навіть якщо насправді це не так.
Ще ошибочней бувають результати порівняльної оцінки площ і обсягів. Це тим більш несподівано, що лінійні розміри треноване око оцінює досить точно. Спробуйте вгадати, у скільки разів обсяг куба, зображеного на малюнку праворуч, більше обсягу лівого куба? Яке співвідношення між об'ємами циліндрів? Еліпсоїдів? Хвилинку, не читайте далі текст! Зробіть оцінку і запам'ятайте числа.
Рис. 1. Результати порівняльної оцінки площ і обсягів
А тепер перевірте результати. Обсяг правого куба більше обсягу лівого в два рази, обсяги циліндрів відносяться як один до тридцяти, еліпсоїдів - як один до трьох. А наскільки площа чорного кільця менше площі білого кола, який воно обмежує?
Рис. 2. Наскільки площа чорного кільця менше площі білого кола, який воно обмежує?
Вимірявши їх, неважко переконатися, що площі рівні. У даному випадку ілюзія посилюється не тільки «провокаційним» питанням, але і спеціальною розфарбуванням: чорні предмети здаються людському оку менше білих. Цей ефект називають іррадіацією, Значення таких помилок в оцінці площі й обсягу для наших дослідів очевидно.
Цілий ряд зорових ілюзій пов'язаний з рухом. Підвісьте на темному тлі яскравий грузик на білій нитці і спробуйте розглядати цей маятник двома очима, помістивши перед одним з них темне скло (підійде скло від сонцезахисних окулярів). Ви помітите, що маятник описує витягнутий еліпс. Прибравши скло, легко переконатися, що він як і раніше гойдається в одній площині. Закрийте склом інше око, і маятник знову рушить по еліпсу, тільки в іншу сторону (якщо скло перед лівим оком, маятник здається обертовим за годинниковою стрілкою, якщо перед правим - проти годинникової стрілки). Ілюзія буде ще сильніше, якщо зосередити погляд на нитки недалеко від точки підвісу, Ця ілюзія пояснюється тим, що наше око помічає світлі предмети швидше, ніж темні (різниця в часі, звичайно, дуже невелика - частки секунди.
Хитний маятник видно оку, закритому склом, трохи відстаючим у порівнянні зі своїм справжнім станом, а інше око бачить його як звичайно. Це неузгодженість і народжує враження об'ємності при плоскому русі маятника. Подібні ілюзії можуть призвести до помилок при вивченні руху предмета, по-різному розсіює світло в різних напрямках.
Механізм людського зору взагалі досить складний і остаточно не ясний: у ньому беруть участь не тільки кришталик і сітківка, а й сам мозок. Тому при випадкових перемиканнях уваги спостерігача також можуть виникати деякі ілюзії. Загальновідомий приклад - «вивертається куб», який здається зверненим до нас різними гранями в залежності від того, на якій з його вершин зосереджений погляд. Іншу ілюзію того ж типу можна спостерігати за допомогою картонного пропелера, що обертається на невеликому гвоздиці. Таку вертушку потрібно розглядати в сутінкової кімнаті на тлі світлого вікна, щоб бачити тільки її контур і не мати можливості визначити, яка з лопатей пропелера знаходиться ближче, а яка далі. Іноді здається, що пропелер обертається в один бік, а іноді - в іншу. Зосередившись, можна невеликим зусиллям уяви «перемикати» напрямок обертання вертушки за своїм бажанням. Так, що там напрямок обертання вертушки! Здатність людини, бачити те, що він очікує побачити, значно ширше, і це доводять багато курйозні приклади.
У книзі М. Міннарта «Світло і колір в природі» зазначено, що різні люди бачать в розташуванні плям на Місяці досить чіткий малюнок, утворює людське обличчя в профіль, анфас чи в три чверті, жіночу фігуру, стару з в'язкою хмизу, зайця, омара і багато іншого. Едгар По в оповіданні «Сфінкс» описує, як невірне уявлення про відстань до об'єкта може викликати помилкову оцінку його розмірів. Невелике комаха, повільно повзе по павутинці за віконним склом, здалося оповідачеві величезним чудовиськом, стрімко переміщається по віддаленому пагорба, а слабкий звук, виданий комахою, здався йому гучним криком. Остання деталь показує, що такого обману піддається не тільки зір, але і слух. Незнайомі, незрозумілі звуки часто лякають людину лише тому, що, не маючи точних відомостей про відстань до їхнього джерела, він перебільшує їх гучність. Втім, акустичні обмани зустрічаються рідше, ніж зорові, оскільки від наших вух у мозок надходить значно менше інформації, ніж від очей. З особливостей слуху варто підкреслити лише одну. Наша здатність визначати на слух, де розташоване джерело звуку, заснована на різній силі сигналів, що приходять в праве і ліве вухо; ми очікуємо знайти джерело з того боку, звідки звук голосніше. Якщо ж сила обох сигналів однакова (наприклад, коли джерело знаходиться у вертикальній площині, що проходить через центр голови), звук здається лунають прямо в мозку, і точне положення джерела вказати важко. Зауважте очі вашому товаришеві і попросіть його визначити місце, в якому ви постукали ложечкою по склянці. Він буде правильно знаходити це місце у всіх випадках, крім тих, коли відстань від склянки до обох вух виявиться однаковим.
Може підвести навіть таке просте почуття, як дотик. Схрестіть вказівний і середній пальці однієї руки і доторкніться ними гострого ребра якого-небудь предмета (столу, шафи) так, щоб відчути його кінчиками пальців обох. Закрийте очі і зосередьтеся на відчуттях своїх пальців. Вам здасться, що ви обмацує не одне, а два ребра. Проведіть пальцями вздовж ребра до його кінця - це підсилить ефект. Злегка поверніть пальці навколо їх осі в одну й іншу сторону - два уявних ребра розійдуться трохи в сторони, а потім знову зблизяться. Проведіть тепер пальцями від перенісся до кінчика носа, і вам здасться, що у вас два носи замість одного. Ця ілюзія пов'язана з незвичайним взаємним розташуванням пальців: сигнали, які посилає ними в мозок, «розшифровуються» за колишньою схемою, яка тепер не відповідає дійсності.
Особливо важко розпізнаються ілюзії, причина яких полягає в незвичному поєднанні відчуттів різних органів чуття. Покладіть в раковину повітряна кулька, наповніть його водою і спробуйте підняти. Бути може, з першої спроби це не вдасться - ви мимоволі зробите занадто слабке зусилля і будете здивовані великою вагою кульки. Між тим, якби ту ж кількість води було налито в каструлю, ви відразу доклали б потрібну силу. Тяжкість води асоціюється з відчуттям жорсткого корпусу каструлі, а тонкі гумові стінки повітряної кульки асоціюються з його нікчемним вагою. Це спочатку і вводить в оману.
Наш вестибулярний апарат теж не завжди працює точно, особливо якщо зорові образи суперечать його відчуттям. Це породжує помилки у визначенні вертикалі і горизонталі. Велосипедисту, спускається по схилу, дорога здається менш крутий, ніж насправді, - звик до горизонтального положення землі очей автоматично робить поправку, відраховуючи кути від площині дороги. Інший приклад. Іноді доводиться підніматися по виключеному ескалатору. Зверніть увагу, наскільки невпевненими бувають декілька перших кроків. Звичка нахилятися вперед, щоб не впасти, ступивши на що йде з-під ніг стрічку, настільки сильна, що ми несвідомо дотримуємося її, навіть коли бачимо, що ступені нерухомі. Відчуття вертикального і горизонтального напрямків залежить не тільки від зорових вражень, але і від стереотипів, сформованих в мозку людини. З цього випливає, до речі, що всі досліди з механіки потрібно проводити на поверхні, горизонтальність якої перевірена яких-небудь рівнем, а не тільки нашими власними відчуттями.
Може здатися, що ілюзії і обмани почуттів виявляються в особливих умовах і навряд чи зустрінуться нам при проведенні дослідів. Можливо, не в кожному експерименті вони відіграють помітну роль. Однак зустрічаються ситуації, які без їх обліку не пояснити. Ось одна з подібних ситуацій.
Поставте на плиту чайник з невеликою кількістю води і дайте їй закипіти. Потім, вимкнувши вогонь, злегка підніміть чайник. Постарайтеся запам'ятати відчуття тепла, яке передалося вам від нагрітої ручки. Тепер швидко долийте в чайник один-два літри холодної води з наперед приготованою каструлі. Закрийте кришку і знову підніміть чайник, оцінюючи температуру ручки. Ви з подивом виявите, що вона не тільки не стала холодніше, але навіть дещо нагрілася! Можна довго ламати голову над тим, чому ручка чайника нагрівається при доливанні в нього холодної води, можна навіть придумати кілька пояснень різної складності і різної правдоподібності. А правдиве пояснення зовсім просто. Звичайно ж, за короткий час досвіду ручка не встигла ні охолонути, ні нагрітися. Більш гарячої вона здається лише тому, що чайник став важчим, і його ручка з більшою силою тисне на вашу долоню.
Опис помилок наших органів почуттів можна було б продовжити, їх причини бувають не тільки психофізіологічними, а й суто фізичними, і це, крім практичних міркувань, також привертає до них увагу фізика. У всякому разі, такі помилки є настільки великий і цікавий предмет досліджень, що людина, що познайомився з ними ближче, не пошкодує про витрачені зусилля, навіть якщо йому потім не доведеться зіткнутися з ілюзіями і використовувати отримані знань у конкретній роботі.
Список літератури
Я. І. Перельман. Цікава фізика. Москва - Ленінград. 1947р.
М. Міннарт. Світло і колір в природі. Москва. 1958р.
Д. Р. Джадд. Г. Вишецкі. Колір в науці і техніці. Москва. 1978р.
С. Толанський. Оптичні ілюзії. Москва 1967р.