Фізичні експерименти і психологічні ілюзії

П. Дьомін

Багато досліди «Фізпрактікума» побудовані так, що для них не потрібні складні прилади і установки. Це не тільки дозволяє будь-якому читачеві повторити експерименти, але й надає їм додаткову ефектність - цікаво досліджувати нетривіальні фізичні явища за допомогою самих нехитрих засобів. Однак у таких дослідах можна зустрітися і з труднощами, зокрема з помилками сприйняття. Якщо в серйозній експериментальної установки реєструючим елементом служить точний прилад, то в дослідах «фізпрактікума» результат реєструє сам експериментатор - його очі, вуха, руки. А «свідчення» органів чуття людини неоднозначні і залежать від багатьох побічних чинників, починаючи з умов спостереження і кінчаючи настроєм спостерігача.

Ілюзій, пов'язаних з людськими почуттями, відомо дуже багато, і навіть перерахувати їх в одній статті було б важко. Не всі вони можуть вважатися ілюзіями у повному розумінні слова, то є якимось випадковим чи підстроєним обманом - іноді це просто особливі властивості наших органів почуттів, 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.

Параллакс називають здається відносне зміщення об'єктів, що знаходяться на різному 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 найбільш віддалені 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 дома 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 вправо, і показання збільшаться. Вага покупки, виявляється, залежить від вашого положення перед прилавком.

Щоб позбавитися від помилки паралакса, в точних приладах стрілку роблять дуже тонкою, а під шкалою мають дзеркальну смужку. При зчитуванні показань приладу голову потрібно тримати так, щоб сама стрілка та її відображення в дзеркалі збігалися. Тоді погляд строго перпендикулярний площині шкали і помилка виключена. До жаль, не всі помилки паралакса так легко піддаються виправленню. Скажімо, при реєстрації швидко-процесів, що протікають за допомогою деяких високошвидкісних кінокамер виникають параллактичний спотворення, пов'язані з відносним рухом плівки та елементів оптичної системи. Боротьба з такими спотвореннями - складна технічна задача.

Ще один приклад шкідливої ілюзії. Поставте на аркуш паперу перевернутий стакан і, обводячи олівцем його край, намалюйте одна за одною три дуги: маленьку, з центральним кутом близько десяти градусів, середню, з кутом градусів сорок, і велику, градусів сто двадцять. Порівняйте їх кривизну. Навіть добре знаючи, що вони накреслені з 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 перевищує половину кола, 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 обернено пропорційно до його радіусу, і тому повітря з меншого міхура переходить у більший, поки від меншого не залишиться лише невеликий сегмент, що має той же радіус кривизни, і 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 виявляється і в іншій ситуації. Якість поверхні часто контролюють за правильності картини інтерференційних смуг, що виникає при відображення світла, наприклад, по досконалості форми кілець Ньютона. Цей простий досвід легко виконати вдома, 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 більш складні картини. Смуги згинаються 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 помилковий бувають результати порівняльної оцінки площ і обсягів. Це тим більше несподівано, що лінійні розміри тренований очей оцінює досить точно. Спробуйте вгадати, у скільки разів обсяг куба, зображеного на малюнку справа, більше обсягу лівого куба? Яке співвідношення між обсягами 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 ставляться як один до тридцяти, еліпсоїдів - як один до трьох. А наскільки площа чорного кільця менше площі білого кола, яке воно обмежує?

Рис. 2. Наскільки площа чорного кільця менше площі білого кола, яке воно обмежує?

Вимірявши їх, неважко переконатися, що площі рівні. У даному випадку ілюзія посилюється не тільки «провокаційним» питанням, але і спеціальної забарвленням: чорні предмети здаються людського ока менше білих. Цей ефект називають іррадіацією, Значення таких помилок в оцінці площі та 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 хитається в одній площині. Закрийте склом друге око, і маятник знову рушить по еліпсу, тільки в інший бік (якщо скло перед лівим оком, маятник здається що обертається 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 часу, звичайно, дуже невелика - долі секунди.

Качающейся маятник видно оку, закритому склом, трохи відстають, у порівнянні зі своїм справжнім станом, а друге 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 та сітківка, а й сам мозок. Тому при випадкових перемиканнях уваги спостерігача також можуть виникати деякі ілюзії. Загальновідомий приклад - «вивертаються куб», який здається що звернені до нас різними гранями, залежно 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 одну сторону, а іноді - в іншу. Зосередившись, можна невеликим зусиллям уяви «перемикати» напрям 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, який утворює людське обличчя в профіль, анфас або 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'єкту може викликати хибну оцінку його розмірів. Невелике комаха, повільно повзе по павутинці за віконним склом, уявилося оповідачеві величезним чудовиськом, стрімко переміщається по віддаленому пагорбу, а слабкий звук, виданий комах, 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 їх джерела, він перебільшує їх гучність. Втім, акустичні обмани зустрічаються рідше, ніж зорові, оскільки від наших вух в мозок поступає значно менше інформації, ніж від очей. З особливостей слуху варто підкреслити лише одну. Наша здатність визначати на слух, де розташований джерело звуку, заснована на різній силі сигналів, що приходять в праве і ліве вухо, і ми очікуємо знайти джерело з того боку, звідки звук голосніше. Якщо ж сила обох сигналів однакова (наприклад, коли джерело знаходиться у вертикальній площини, 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 торкніться ними гострого ребра якого-небудь предмета (столу, шафи) так, щоб відчути його кінчиками пальців обох. Закрийте очі і зосередьтеся на відчуттях своїх пальців. Вам здається, що ви обмацує НЕ одне, а два ребра. Проведіть пальцями вздовж ребра до його кінця - це підсилить ефект. Злегка поверніть пальці навколо осі їх 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, що посилаються 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 повітряну кульку, наповніть його водою і спробуйте підняти. Бути може, з першої спроби це не вдасться -- ви мимоволі зробите занадто слабка зусилля і будете здивовані великою вагою кульки. Тим часом, якщо б той же кількість води було налито в каструлю, ви відразу приклали 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 відчуттями. Це породжує помилки у визначенні вертикалі і горизонталі. Велосипедисти, що 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 вимкненому ескалатором. Зверніть увагу, наскільки невпевненими бувають кілька перших кроків. Звичка нахилятися вперед, щоб не впасти, ступивши на що йде з-під ніг стрічку, настільки сильна, що ми несвідомо слідуємо їй, навіть коли бачимо, що ступені нерухомі. Відчуття вертикального і горизонтального напрямків залежить не тільки від зорових вражень, але і від стереотипів, сформувалися в мозку людини. З цього випливає, до речі, що всі досліди по механіки потрібно проводити на поверхні, горизонтальність якої перевірена будь-яким рівнем, а не тільки нашими власними відчуттями.

Може здатися, що ілюзії та обмани почуттів виявляються в особливих умовах і навряд чи зустрінуться нам при проведенні дослідів. Можливо, не в кожному експерименті вони відіграють помітну роль. Однак трапляються 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 заздалегідь приготовленої каструлі. Закрийте кришку і знову підніміть чайник, оцінюючи температуру ручки. Ви з подивом виявите, що вона не тільки не стала холодніше, але навіть кілька нагрілася! Можна довго ламати голову над тим, чому ручка чайника нагрівається при доліваніі в нього холодної води, можна навіть вигадати кілька пояснень різної складності та 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, але і чисто 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. Толанскій. Оптичні ілюзії. Москва 1967р.