О методических особенностях постановки экспериментов и интерпретации их результатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

О методических особенностях постановки экспериментов и интерпретации их результатов

Ацюковский В.А.

Некоторые методические особенности постановки и проведения экспериментов

При постановке каких-либо экспериментов исследователь исходит из конечной их цели, с одной стороны, и своего представления о сущности изучаемого им явления, с другой. Без представления цели эксперимента, а также без представления сущности явления вообще невозможно поставить эксперимент, но эти же представления являются основными мешающими факторами, препятствующими объективному исследованию предмета и объективной оценке полученных результатов.

В самом деле, нельзя ставить эксперимент, не зная или не сформулировав, для чего он проводится. Однако выбор цели уже сам по себе в значительной степени предопределяет постановку и методику проведения работы, когда ожидаются совершенно определённые результаты. А поскольку результаты любого эксперимента сопровождаются ошибками, то всегда есть возможность выдачи желаемого за действительность, особенно если ожидаемый результат находится на грани чувствительности приборов. В этом плане рассуждения о «критическом» эксперименте, который якобы проливает свет на изучаемое явление, кажутся несколько сомнительными, так как для такого рода случаев требуется особенно тщательная подготовка эксперимента, большая статистика и объективная оценка данных. Однако действующая на момент подготовки и проведения эксперимента парадигма, как правило, оказывает столь существенное воздействие, что ни о тщательной подготовке, ни о статистике, ни об объективной обработке результатов речь не идёт, а полученные результаты легко выдаются за подтверждение господствующей парадигмы, если они ей не противоречат. Если же противоречат - они просто замалчиваются.

Можно привести много примеров того, как это бывает в жизни.

В 1919 году А. Эддингтон провёл первый эксперимент по измерению отклонения лучей света звёзд около Солнца во время солнечного затмения. Результат измерения укладывался в предсказанные Эйнштейном величины в том смысле, что он их не превышал. Это немедленно было истолковано как подтверждение общей теории относительности А. Эйнштейна. Вообще вся группа экспериментов этого направления характерна тем, что обработка результатов производится в соответствии с той теорией, которую они должны подтверждать, то есть крайне необъективно.

Рис. 1. Последовательность получения экспериментальных данных

Результаты экспериментов Майкельсона трактуются как «отрицательные» или «нулевые», несмотря на то, что в них был получен определённый положительный результат.

Эксперименты по эквивалентности масс, показавшие идентичность гравитационной и инертной масс для различных материалов, трактуются как подтверждение положений общей теории относительности, хотя обычная механика никогда не делала различий между гравитационной и инертной массами.

И так далее.

Рассмотрим общую последовательность постановки и проведения экспериментов, а также обработки и интерпретации результатов (рис. 1).

На постановку эксперимента решающее влияние оказывают использованные теоретические основы, исходя из которых исследователь строит модель явления.

Использование той или иной модели выявляет соответствующие параметры, взаимосвязь между которыми ищется в ходе проведения эксперимента, а также те мешающие факторы, всегда присутствующие в любом эксперименте, которые экспериментатор обязан учесть. Иначе результат воздействия этих мешающих факторов может быть истолкован как основной результат эксперимента.

К сожалению, общее число мешающих факторов всегда и принципиально бесконечно велико, поэтому всех их учесть нельзя. В связи с этим приходится учитывать все существенные факторы, которых немного, но зато возникает другая проблема - проблема доказательства существенности или несущественности того или иного мешающего фактора именно для данного эксперимента, преследующего данную конкретную цель. Эксперимент может быть истолкован неверно, если неучтёнными оказались существенные мешающие факторы, то есть факторы, влияющие на исход в большей степени, чем это допускается величиной допустимой погрешности. Это означает, что должны быть произведены оценки возможного влияния каждого из мешающих факторов, по которым возникает предположение о возможности их влияния на конечный результат эксперимента. К сожалению, это делается далеко не всегда.

В результате проведения эксперимента выявляются функциональные зависимости многих переменных, в том числе и неучтённых факторов. В этих зависимостях имеются выбросы - чрезмерно большие отклонения от общей массы отсчётов, которые могут быть отброшены без должного обоснования, если во внимание принята только определённая модель. То же можно сказать и о выборе экстраполирующих зависимостей. Выбор той или иной из них и определение области распространения экстраполирующих функций на всю область отсчётов существенно определяются выбором теории и модели явления. Здесь также имеются значительные некорректности.

В качестве примера можно привести обработку результатов экспериментов по отклонению света звёзд Солнцем. Поскольку отсчётов отклонений звёздных изображений около края Солнца не существует из-за засветки этой области солнечной короной, то показания обрабатываются статистически. Однако при обработке принята гиперболическая экстраполяция, что определялось общей теорией относительности. Это привело к получению результата, близкого к предсказанному этой теорией. Если бы экстраполяция производилась обычным способом, итог был бы иной.

Некоторые особенности интерпретации результатов экспериментов

Несмотря на очевидность того, что получение ожидаемых результатов, казалось бы, однозначно подтверждает проверяемую теорию, на самом деле это не так. Речь в этом случае может идти лишь о том, что полученные данные не противоречат проверяемой теории.

Дело в том, что так же, как любое конечное число факторов может соответствовать любому (бесконечному) числу теорий, так же и полученный результат опыта может укладываться и тем самым «подтверждать» любое (бесконечное) число теорий, даже взаимоисключающих друг друга. Аналогией этому положению является, например, тот факт, что через ограниченное количество точек можно провести любое число плавных кривых высшего порядка.

Примером являются эксперименты по подтверждению специальной теории относительности, которые, как правило, подтверждают не собственно СТО, как это обычно преподносится, а всего лишь зависимости, удачно аппроксимируемые преобразованиями Лоренца. Собственно, они и являются тем математическим аппаратом, из которого вытекают все остальные функциональные зависимости СТО. Однако сами преобразования Лоренца, предложенные им в 1904 году, то есть за год до создания СТО, основаны на совершенно иной идее, нежели специальная теория относительности. В соответствии с теорией Г.А. Лоренца о неподвижном эфире все тела, имея связи между атомами и молекулами электрического характера, должны менять свои размеры при движении сквозь эфир (поле электрических зарядов, по мысли Лоренца, должно деформироваться, и расстояния между ядрами атомов - меняться). Вывод соответствующих зависимостей привёл Лоренца к преобразованиям, которые и получили его имя. Поэтому соответствие полученных результатов преобразованиям Лоренца вовсе не означает подтверждения СТО, это может быть трактовано и как подтверждение теории Лоренца неподвижного эфира. А кроме того, существуют газомеханические зависимости, в которых вместо в-отношения скорости тела к скорости света фигурирует число М - отношение скорости тела к скорости звука в газовой среде. До величины в=М=0,85 эти зависимости дают результат, отличающийся от эйнштейновского в пределах единиц процентов. Если эфир обладает газоподобной структурой, то полученные СТО результаты хорошо будут демонстрировать наличие в природе газоподобного эфира.

На интерпретацию результатов решающее влияние оказывает выбор инвариантов и представление о сущности явления, вытекающее из общей подготовки экспериментаторов. Здесь имеются чрезвычайно большие возможности для самого разнообразного толкования результатов, выдачи желаемого за действительное.

Среди всех этих вопросов особо важное значение имеет вопрос выбора общих физических инвариантов. Так, в результате экспериментов по определению массы частицы при приближении её скорости к скорости света получается сложная зависимость, связывающая напряжённость поля конденсатора и напряжённость магнитного поля, через которое пролетает частица, с её зарядом, скоростью полёта, радиусом кривизны траектории и массой частицы [27, с. 175J.

Принятие в качестве инвариантов величин напряжённостей полей, заряда частицы и коэффициента взаимодействия частицы с магнитным полем приводят к выводу об изменчивости массы. Однако если считать инвариантом массу, то та же зависимость может быть интерпретирована как обнаружение зависимости величины заряда от скорости, на что было указано Бушем [28]. Если же считать массу, заряд и величины полей неизменными и независимыми величинами, то напрашивается вывод об изменчивости кулоновского коэффициента взаимодействия между движущимся зарядом и полем, на что было обращено внимание автором [29, с. 159]. Для последней трактовки есть веские основания, поскольку взаимодействие между частицей и полем определяется относительной скоростью распространения поля и движения частицы, а поскольку при приближении скорости частицы к скорости распространения поля скольжение уменьшается, то должна уменьшаться и сила, воздействующая на частицу со стороны поля.

Таким образом, трактовка результатов экспериментов существенно зависит от общей постановки, включающей представление о модели явлений, значимости тех или иных сопутствующих факторов, выбора инвариантов и ряда других обстоятельств, которые далеко не всегда учитываются при постановке экспериментов и оценке их результатов.

С учётом изложенного и следует оценивать результаты экспериментов по подтверждению специальной и общей теории относительности.

Исследования зависимости массы от скорости с помощью заряженных частиц

Сущность явления и цель эксперимента

В соответствии с положениями СТО при увеличении скорости частицы её масса должна увеличиваться по закону:

Целью эксперимента является определение реального увеличения массы частицы и сопоставление результата с указанной формулой.

Схема и методика проведения эксперимента

Заряженные ускоренные частицы пропускаются в электрическом поле конденсатора и магнитном поле постоянного магнита, след частиц фиксируется на фотопластинке. Направление магнитного поля ориентируется так же, как и электрическое поле конденсатора. Поскольку частицы заряжены, в электрическом поле они отклоняются в направлении силовых линий электрического поля и далее - в перпендикулярном направлении по отношению к силовым линиям магнитного поля, в результате чего координаты следа на фотопластинке оказываются функциями скорости и заряда частиц (рис. 2).

Рис. 2. Схема эксперимента по исследованию зависимости массы от скорости

Испускаемые частицы ускоряются либо естественно (в случае использования радиоактивных изотопов), либо принудительно (в случае использования ускорителей), при этом на фотопластинке фиксируется кривая линия, анализ которой позволяет выявить зависимость

e/m=f₁(v),

и далее, так как величина заряда считается известной, то

m=f₂(v).

Эта последняя зависимость сопоставляется с зависимостью

Время проведения и параметры эксперимента [31, с. 62-73; 78, с. 59-77; 79-81; 262-272];

1901-1906 годы, Кауфман [59-61] - по расчёту исследованы скорости до в=1,034 (?!) с использованием радиоактивности радия;

1907-1909 годы, Бухерер [62, 63, 64, 70, 71] - в?0,687 с использованием радиоактивности радия;

1914 год, Нейман [72] - в?0,85 с использованием радиоактивности;

1916 год, Гюи, Лаванши [73, 74] - 0,22?в?0,49 с использованием катодных лучей;

1933 год, Герлах [75];

1935 год, Наккен - [76] в?0,7 с использованием катодных лучей.

Результаты расчётов по формуле СТО, связывающей изменение величины массы со скоростью перемещения частицы, используются при разработке методов ускорения тяжёлых заряженных частиц - протонов, дейтронов, альфа-частиц в магнитном поле [78, с. 272]. Неучёт возрастания массы приводит к потере синхронизации между действием ускоряющего поля и движением заряженной частицы.

Вывод авторов

Кауфман - вывод неопределённый.

Бухерер - принцип относительности подтвердился. При 0,3173?в?0,687 получено 1,752·10⁷?e/m?1,767·10⁷.

Нейман - при 0,3915?в?0,85 получено 1,767·10⁷?e/m?1,771·10⁷. Это означает, что если при в=0,85 масса возрастает примерно в 3 раза, то и заряд возрастает также в 3 (?!) раза.

Гюи и Лаванши - принцип относительности подтвердился. При 0,2581?в?0,4829 получено, что 1,041·10⁷?e/m?1,139·10⁷.

Необходимость ввода поправок на релятивистские эффекты при расчётах ускорителей по мнению разработчиков ускорителей и экспериментаторов, работающих на них, однозначно подтверждает справедливость положений СТО.

Комментарий (В. А.)

1. Ряд недоразумений, связанных с полученными экспериментальными данными, остался невыясненным до настоящего времени. К ним относятся, в частности:

а) расчёты, выполненные Н.П. Кастериным [70], перепроверенные Н.Н. Шапочниковым [71], показавшие, что кривые Бухерера не соответствуют расчётам, выполненным в соответствии с СТО;

б) результаты Неймана, из которых вытекает самопроизвольное увеличение заряда частицы, если масса её растет при увеличении скорости;

в) результаты Кауфмана, из которых вытекает, что часть частиц выбрасывается из ядра со сверхсветовой скоростью.

2. Как уже указывалось выше, полученные результаты могут интерпретироваться и исходя из представлений о неизменности массы частицы с увеличением скорости:

а) как изменение заряда частицы [27, 28];

б) как изменение коэффициента взаимодействия электрического и магнитного полей с зарядом частицы, поскольку величина взаимодействия определяется величиной скольжения поля относительно частицы, а скольжение уменьшается с увеличением скорости частицы [29], тогда эффективная электрическая напряжённость равна

E=E₀(1-v/c),

то есть сила, воздействующая на частицу со стороны электрического поля уменьшается с увеличением скорости, чем и объясняются все эффекты;

в) как следствие подчинения эфира законам газовой динамики, в связи с чем целесообразно сравнить три выражения:

научный эксперимент интерпретация

где г=c_P/c_V - коэффициент адиабаты газа, равный для одноатомных газов г=1,67, для двухатомных г=1,4; при повышении температуры г>1 для всех газов.

При г=1,67 имеем:

(при M=1, P₂=2,05; P₃=1,54).

При г=1,4 имеем:

(при M=1, P₂=1,893; P₃=1,577).

При г=1 имеем:

(при M=1, P₂=P₃=1,7).

Интересно отметить, что для величины (в=M=0,8 все указанные зависимости аппроксимируют друг друга вполне удовлетворительно, заметное расхождение начинается со значений 0,85ч0,9 и только с этой величины можно делать выбор между зависимостями;

г) как следствие увеличения массы из-за присоединения массы окружающего эфира, на что обращалось внимание некоторыми авторами [69].

Указанными вариантами все возможности далеко не исчерпаны. Существуют и многочисленные иные интерпретации эффектов, трактуемых ныне как эффект увеличения массы частиц с увеличением их скорости. Конечно, в реальной ситуации на самом деле имеют место не одна, а несколько причин одновременно, однако практически они никогда и никем не анализировались.

Таким образом, нет оснований однозначно считать полученные в экспериментах результаты подтверждающими специальную теорию относительности: те из них, которые укладываются в формульные выражения СТО для увеличения массы частиц с увеличением скорости могут интерпретироваться различно, а те из них, которые не укладываются в эти зависимости (результаты Кауфмана, Неймана, Бухерера), должны быть перепроверены и истолкованы иначе, например, с позиций эфиродинамики, которой они не противоречат.

Исследования зависимости течения времени от скорости

Сущность явления и цель эксперимента

В соответствии с положениями СТО при увеличении скорости тела его собственное время должно увеличиться по сравнению с временем покоящегося тела по закону:

Целью эксперимента является определение реального времени для движущегося тела и подтверждение указанной зависимости.

Схема и методика проведения эксперимента [78, с. 266; 82-91]

В качестве движущегося тела в эксперименте используются мезоны, время жизни которых и соответствующие ему пути составляют:

для м-мезонов (мюонов) ф₀=2,2·10-⁶ с; l₀=600 м;

для р-мезонов (пионов) ф₀=2,56·10-⁶ с; l₀=7,68 м.

Устанавливается факт наличия мезонов, зарождающихся в верхних слоях атмосферы (мюоны - на высоте H?18000 м, пионы - на высоте H?46200 м), в нижних слоях атмосферы, что даёт возможность произвести расчёты по указанной формуле.

Параметры и результаты эксперимента

1940-1941 годы, Вильямс и Робертс [82] - наблюдение самопроизвольного распада мезонов в камере Вильсона;

1940-1941 годы, Оже и Маз [8], Маз и Шаминад [84], Шаминад, Фреон, Маз [85] - наблюдение самопроизвольного распада с помощью счётчиков;

1941 год, Росси и Холл [86] - измерение пути, проходимого мезонами с определёнными энергиями до в?0,99;

1938-1941 годы, Айвс и Стилуэлл [89, 90] - наблюдения с трубками катодных лучей при в?0,004.

Выводы авторов

Ход времени зависит от скорости движения частицы и согласуется с расчётами по СТО.

Комментарий (В. А.)

1. Сами длины пробегов, указанные для обнаружения в нижних слоях атмосферы мезонов, рассчитаны на основе приведённой релятивистской формулы для времени, например, длина пробега для пионов в 46,2 км получена на основе предположения, что скорость пиона в атмосфере лишь на 10^-8 меньше скорости света. Но такая скорость света в атмосфере уменьшается в большей степени и составляет 0,99973c, получается, что пи-мезон должен обгонять свет. Таким образом, расчёты не точны, и в случае мезонов речь может идти лишь о качественной картине явления.

2. Увеличение длины пробега нестабильной частицы в атмосфере может иметь несколько причин, например:

с увеличением начальной скорости входа в атмосферу время взаимодействия частицы с молекулами воздуха сокращается, что приводит к уменьшению воздействия дестабилизирующего фактора;

с увеличением скорости движения частицы в газоподобном эфире увеличивается градиент скорости в пограничном слое эфира, окружающего мезон, в результате чего вязкость в пограничном слое уменьшается и устойчивость мезона возрастает, так как уменьшается отвод энергии в окружающий эфир.

Таким образом, факт увеличения длины пробега мезонов с увеличением начальной скорости говорит не о подтверждении СТО, а о наличии внутренних механизмов явлений, которые подлежат изучению.

Литература

1. Michelson A.A. Compt. Rend., 1882, 94. S. 520-523.

2. Джеммер М. Понятие массы в современной и классической физике: Пер. с англ. Н.Ф. Овчинникова.- М.: Прогресс, 1968.- 254 с.

3. Bush V. The force between moving charges // J. of Math. and Phys. 1925-1926, 5.- P. 192.

4. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире.- М.: Энергоатомиздат, 1990.

5. Вавилов С.И. Экспериментальные основания теории относительности (1928) //Собр. соч. Т. 4. - М.: Изд-во АН СССР, 1956.- С. 9-110.

6. Kaufmann W. Gцtt. Nachr. Math. Nat. Klasse. 1901. S. 143.

7. Kaufmann W. Nachr. K. Gesel. d. Wiss. zu Gцttingen. 1903. S. 98.

8. Kaufmann W. Ann. d. phys. 1906, 19. S. 487.

9. Bucherer A. H. Phil. Mag. April 1907. P. 413.

10. Bucherer A. H. Vern. Deutsch. Phys. Ges. 1908, 6. S. 688.

11. Bucherer A. H. Die experimentalle Bestatigung des Relativitatsprjnzips. 1909, 28. S. 513-536.

12. Comstock D. F. The Relation of Mass to Energy // Phil. Mag. Jan 1908. 15 (6).- P. 1-21.

13. Кастерин Н. П. О несостоятельности принципа относительности А. Эйнштейна. - Одесса, 1919.- 11 с.

14. Шапошников Н. Н. К статье Н. Кастерина “Sur la ueu concordance da principe de relativite”. Известия Иваново-Вознесенского политехнического института. Отдельный оттиск. 1919. Вып. 1.- С. 1-5.

15. Neumann G. Ann. d. Phys. 1914, 45. S. 529.

16. Guye Ch. E., Lavansky C. Arch. de Geneve. 1916, 41. S. 286.

17. Guye Ch. E., Lavansky С. Arch. Sc. Phys. Nat. Geneve. 1916, 41. S. 363-441.

18. Gerlach W. Handbuch d. Phys. 1933, 22. S. 11.

19. Naekeu M. Ann. d. Phys. 1935, 25. S. 313.

20. Тоннелла М. А. Основы электромагнетизма и теории относительности/ Пер. с фр. Г. А. Зайцева. - М.: Изд-во ИЛ, 1962. - 483 с.

21. Williams, Roberts. Nature 1940, 145.- P. 102.

22. Auger P., Maze. Compt. Rend. 1941, 213.- P. 381.

23. Maze, Chaminade. Compt Rend. 1942, 214.- P. 266.

24. Rossi, Hall. Phys. Rev. 1941, 59.- P. 223.

25. Nereson, Rossi. Phvs. Rev 1943, 64.- P. 199.

26. Caccipuoti, Riccioni. Ricera Sci. 1941, 12.- P. 873.

27. Leprince-Rikgnet L., Gorodetzky S. Compt. Rend. 1941, 213.- P. 756.

28. Ives H. E., Stillwell G. R. JOSA, 1938, 28. - P. 215.

29. Ives H. E., Stillwell G. R. JOSA, 1941. 31. - P. 369.

30. Путилов К. А., Фабрикант В. А. Курс физики. Т. 3. - М.: Физматгиз, 1960. - 634 с.

Размещено на Allbest.ru