Измерение (физика). Зачем человеку нужны измерения - документ

Измерение в науке означает выявление количественных характеристик изучаемых явлений. Цель измерения всегда заключается в получении информации о количественных признаках объектов, организмов или событий. Измеряется не сам объект, а только свойства или отличительные признаки объекта. В широком смысле измерение – это особая процедура, посредством которой числа (или порядковые величины) приписываются вещам по определенным правилам. Сами правила состоят в установлении соответствия между некоторыми свойствами чисел и некоторыми свойствами вещей. Возможность данного соответствия и обосновывает важность измерения в педагогике.

В процессе измерения исходят из предположения, что все существующее каким-то образом проявляется или на что-то действует. Общая задача измерения состоит в том, чтобы определить так называемую модальность одного показателя по сравнению с другим, измеряя его «вес».

Многообразие психических, физиологических и социальных явлений принято называть переменными, поскольку они отличаются индивидуальными величинами у отдельных индивидов или в разное время у одного и того же индивида. С позиции теории измерения следует различать два аспекта: а) количественная сторона - частота некоторого проявления, (чем оно чаще проявляется, тем выше значение свойства); б) интенсивность (величина или сила проявления).

Измерения можно проводить на четырех уровнях. Четырем уровням будут соответствовать четыре шкалы.

Шкала [< лат. scala – лестница] – инструмент для измерения непрерывных свойств объекта; представляет собой числовую систему, в которой отношения между различными свойствами объектов выражены свойствами числового ряда. Шкала есть способ упорядочивания объектов произвольной природы. В педагогике, психологии, социологии и других социальных науках различные шкалы используются для изучения различных характеристик педагогических и социально-психологических явлений.

Первоначально были выделены четыре типа числовых систем, которые определяют соответственно четыре уровня (или шкалы) измерения. Точнее три уровня, но третий уровень подразделяется еще на два подуровня. Их разделение осуществимо на основе тех математических преобразований, которые допускаются каждой шкалой.

1) Шкала наименований (номинальная).

2) Шкала порядка (ранговая, ординальная).

3) Метрические шкалы: а) шкала интервалов, б) шкала пропорций (пропорциональная, отношений).

Метрическая шкала бывает относительная (шкала интервалов) и абсолютная (шкала пропорций). В метрических шкалах носитель шкалы образует отношения строгого порядка, как, например, в шкалах времени, весов, температуры и др.

При абсолютном типе метрической шкалы за точку отсчета выбирается некоторая абсолютная отметка, например, измерение длины и расстояния в сравнении с эталоном (рост Пети 92 см, расстояние от одного города до другого 100 км).

В относительных шкалах точка отсчета привязана к чему-то другому. Например, Петя ростом с третьеклассника, длина удава равняется тридцати двум попугаям, летоисчисление на Западе привязывается к рождеству Христову, нулевая точка Московского времени служит ориентиром для всей территории Российской Федерации и Гринвичское нулевое время для Москвы.

Порядковая шкала не дает возможности изменить расстояние между объектами, проецируемыми на нее. С порядковыми шкалами связаны нечеткие шкалы, например, Петя выше Саши. Сначала было то-то, а потом то-то; также далеко, как …; давно, как … . Список учащихся в классном журнале также есть вид порядковой шкалы. Такие шкалы широко используются в моделировании рассуждений: если А больше, чем В , а С выше А , следовательно, С выше, чем В .

Различие уровней измерения какого-либо качества можно проиллюстрировать следующим примером. Если подразделить учащихся на справившихся и не справившихся с контрольной работой, то тем самым получим номинальную шкалу выполнивших задание. Если можно установить степень правильности выполнения контрольной работы, то строится шкала порядка (ординальная шкала). Если можно измерить насколько и во сколько раз грамотность одних больше грамотности других, то можно получить интервальную и пропорциональную шкалу грамотности выполнения контрольной работы.

Шкалы различаются не только своими математическими свойствами, но и разными способами сбора информации. В каждой шкале применяются строго определенные методы анализа данных.

В зависимости от типа задач, решаемых с помощью шкалирования, строят либо а) шкалы оценок, либо б) шкалы для измерения социальных установок.

Шкала оценок – методический прием, позволяющий распределять совокупность изучаемых объектов по степени выраженности общего для них свойства. Возможность построения шкалы оценок основывается на предположении, что каждый эксперт способен непосредственно давать количественные оценки изучаемым объектам. Простейшим примером такой шкалы является обычная школьная система баллов. Шкала оценок имеет от пяти до одиннадцати интервалов, которые могут быть обозначены цифрами, либо сформулированы вербально (словесно). Считается, что психологические возможности человека не позволяют ему производить классификацию объектов более чем по 11-13 позициям. К основным процедурам шкалирования с помощью шкалы оценок относятся парное сравнение объектов, отнесение их к категориям и др.

Шкалы для измерения социальных установок. Например, отношение учащихся к выполнению проблемного задания может варьироваться от отрицательного до творчески активного (рис.1). Расположив все промежуточные значения на шкале, мы получаем:

Используя принцип шкал, можно строить шкалы полярных профилей, измеряющие сразу несколько показателей.

Сама шкала точно определяет промежуточные значения измеряемой переменной:

7 – признак проявляется всегда,

6 – очень часто, почти всегда,

5 – часто,

4 – иногда, ни часто, ни редко,

3 – редко,

2 – очень редко, почти никогда,

1 – никогда.

Инвариант этой шкалы с заменой односторонней шкалы на двустороннюю может выглядеть следующим образом (см. рис. 2):

Шкалирование [< англ. scaling – определение масштаба, единицы измерения] – метод моделирования реальных процессов с помощью числовых систем. В социальных науках (педагогике, психологии, социологии и др.) шкалирование является одним из важнейших средств математического анализа изучаемого явления, а также способом организации эмпирических данных, получаемых с помощью наблюдения, изучения документов, анкетного опроса, экспериментов, тестирования. Большинство социальных объектов не могут быть строго фиксированы и не поддаются прямому измерению.

Общий процесс шкалирования состоит в конструировании по определенным правилам самой шкалы и включает в себя два этапа: а) на этапе сбора информации осуществляется изучение эмпирической системы исследуемых объектов и фиксирование типа отношений между ними; б) на этапе анализа данных строится числовая система, моделирующая отношения эмпирической системы объектов.

Существует два типа задач, решаемых с помощью метода шкалирования: а) числовое отображение совокупности объектов с помощью их усредненной групповой оценки; б) числовое отображение внутренних характеристик индивидов посредством фиксации их отношения к какому-либо социально-педагогическому явлению. В первом случае отображение осуществляется с помощью шкалы оценок, во втором – шкалы установок.

Разработка шкалы для измерения требует учета ряда условий: соответствие измеряемых объектов, явлений измерительному эталону; выявление возможности измерения интервала между различными проявлениями измеряемого качества или свойства личности; определение конкретных показателей различных проявлений измеряемых явлений.

В зависимости от уровня шкалы необходимо вычислять величину для обозначения главной тенденции. На номинальной шкале можно указать только модальную величину, т.е. наиболее часто встречающуюся величину. Порядковая шкала позволяет вычислить медиану, ту величину, по обе стороны от которой располагается равное количество величин. Шкала интервалов и шкала отношений делают возможным вычисление средней арифметической величины. От уровня шкалы зависят также величины корреляции.

Основы метрологии

учебное пособие

«Три пути ведут к познанию:

путь размышления – самый благородный;

путь подражания – самый легкий;

путь опыта – самый трудный»

Конфуций

С 32 Ю. П. Щербак Основы метрологии:

Учебное пособие для вузов.

Рассматриваются основные понятия и положения метрологии, основные понятия теории погрешностей, обработки результатов измерений, классификации сигналов и помех. Для студентов вузов, обучающихся по естественно-научным и техническим специальностям.

© Ю. П. Щербак, 2007

Глава 1 . Предмет и задачи метрологии……………………………………………………….4

1.1 Предмет метрология………………………………………………………………………....4

1.2 Роль измерений в развитии науки, промышленности…………………………………….4

1.3 Достоверность научного знания…………………………………………………………..16

Глава 2 . Основные положения метрологии………………………………………………....23

2.1 Физические величины……………………………………………………………………...23

2.2 Система физических величин и их единиц……………………………………………….30

2.3 Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров………………35

2.4 Измерение и его основные операции……………………………………………………..39

Глава 3 . Основные понятия теории погрешностей………………………………………....49

3.1 Классификация погрешностей…………………………………………………………….52

3.2 Систематические погрешности…………………………………………………………....58

3.3 Случайные погрешности…………………………………………………………………..62

3.3.1 Общие понятия…………………………………………………………………………...62

3.3.2 Основные законы распределения……………………………………………………….64

3.3.3 Точечные оценки параметров законов распределения………………………………...67

3.3.4 Доверительный интервал (доверительные оценки)…………………………………....69

3.3.5 Грубые погрешности и методы их исключения………………………………………..71

Глава 4 . Обработка результатов измерений………………………………………………....72

4.1 Однократные измерения…………………………………………………………………..72

4.2 Многократные равноточные измерения……………………………………………….....73

4.3 Косвенные измерения……………………………………………………………………..75

4.4 Некоторые правила выполнения измерений и представление результатов…………...77

Глава 5 . Измерительные сигналы…………………………………………………………...79

5.1 Классификация сигналов………………………………………………………………….79

5.2 Математическое описание сигналов. Параметры измерительных сигналов………….81

5.3 Дискретные сигналы……………………………………………………………………...86

5.4 Цифровые сигналы………………………………………………………………………..89

5.5 Помехи……………………………………………………………………………………..91

Литература……………………………………………………………………………………109

Глава 1. Предмет и задачи метрологии

Предмет метрология

Метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (ГОСТ 16263-70).

Греческое слово «метрология» состоит из 2-х слов «метрон» - мера и «логос» - учение.

Предметом метрологии – является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.

Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.

Без измерений не может обойтись ни одна наука.

Основное понятие метрологии – измерение.

Измерение – это нахождение значения физической величины (ФВ)

Опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263-70).

Измерения могут быть представлены тремя аспектами [Л.1]:

• Философский аспект измерения : измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов
• Научный аспект измерения : с помощью измерений (эксперимента) осуществляется связь теории и практики («практика – критерий истины»)
• Технический аспект измерений : измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля.

Роль измерения в развитии науки, промышленности.

Приведем высказывания известных ученых о роли измерений [Л.3].

В. Томпсон : «Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чем вы говорите и можете выразить это в числах, то вы кое-что знаете об этом; но когда вы не можете измерить это, не можете выразить это в числах, то ваши знания будут жалкого и неудовлетворительного рода; это может представлять собой начало знания, но в ваших мыслях вы едва придвинулись к тому, что заслуживает название науки, каков бы ни был предмет исследования» (Строение материи, 1895г.)

А. Ле Шателье : «Выучиться правильно измерять – одно из наиболее важных, но и наиболее трудно осуществимых этапов науки. Достаточно одного ложного измерения для того, чтобы помешать открытию закона и, что еще хуже, привести к установлению несуществующего закона. Таково было, например, происхождение закона о непредельных соединениях водорода и кислорода, основанных на экспериментальных ошибках в измерениях Бунзена» (Наука и промышленность, 1928г.).

Проиллюстрируем первую часть высказывания А. Ле Шателье примерами некоторых важных измерений в области механики и гравитации за последние ~ 300 лет и их влияние на развитие науки и техники.

1. 1583 г. – Г. Галилей установил изохронность колебаний маятника.

Изохронность колебаний маятника явилась основой создания новых часов – хронометров, которые стали важнейшим инструментом навигации в эпоху великих географических открытий (измерение времени полудня в точке нахождения корабля по сравнению с портом отплытия давало возможность определить долготу, измерения высоты Солнца над горизонтом в полдень – широту …)

(Период колебаний маятника: - угловая скорость; период колебаний не зависит от массы и амплитуды колебаний – изохронность).

1. 1604 г. – Г. Галилей установил равноускоренность движения тела по наклонной плоскости
2. 1619 г. – И. Кеплер сформулировал на основе измерений III закон движения планет: Т 2 ~ R 3 (Т – период, R – радиус орбиты)
3. 1657 г. – Х. Гюйгенс сконструировал маятниковые часы со спусковым механизмом (анкер)
4. 1678 г. – Х. Гюйгенс измерил величину силы тяжести для Парижа (g = 979,9 см/с 2)
5. 1798 г. – Г. Кавендиш измерил с помощью крутильных весов силу притяжения двух тел и определил гравитационную константу в законе Ньютона, определил среднюю плотность Земли (5,18 г/см 3)

Создание Х. Гюйгенсом точных часов со спусковым механизмом (анкер) стало основой измерительной техники; а измерение силы тяжести – основой баллистики.

В результате этих экспериментов были сформулированы 3-й закон движения планет И. Кеплера, закон всемирного тяготения (И. Ньютон) – основа всей современной деятельности человека, связанной с космосом.

1. 1842 г. – Х. Доплер предположил влияние относительного движения тел на частоту звука (эффект Доплера, в 1848 г. А. Физо распространил этот принцип на оптические явления)

Сдвиг частоты из-за относительного движения источника и приемника звука или света (Х. Доплер, А. Физо) явился основой для создания модели расширяющейся Вселенной (Э. Хаббл). Измерение реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Вильсон) – решающее свидетельство справедливости модели расширяющейся Вселенной, начало которой имело форму «Большого взрыва».

Современные представления :

Первая («инфляционная») стадия расширения Вселенной продолжалась всего ~ 10 -35 секунды. За это время появившийся из абсолютного ничто «зародыш» Вселенной увеличился до 10 100 раз. Согласно современным представлениям рождение Вселенной из сингулярности в результате Большого взрыва обусловлено квантовой флуктуацией вакуума. При этом уже в момент Большого взрыва в квантовых флуктуациях вакуума были заложены разнообразные свойства и параметры, в т.ч. фундаментальные физические константы (ε, h, γ, k и т.д.)

Если бы к моменту Т 0 =1с скорость разлета вещества отличалась от реального значения на 10 -18 (10 -16 %) доли своей величины в ту или другую сторону, то Вселенная либо сколапсировалась в материальную точку, либо вещество полностью рассеялось.

Современное естествознание базируется на многократном наблюдении факта, повторение его в различных условиях – эксперименте, его количественном описании; создание модели этого факта, явления или процесса, установление формул, зависимостей, связей. Одновременно развиваются практические применения явления. Далее возникает (создается) фундаментальная теория. Такая теория предлагает обобщение и устанавливает связи данного явления с другими явлениями или процессами; в настоящее время часто проводится математическое моделирование явления. На основе фундаментальной теории возникают новые, более широкие применения.

На рис. 1.1 приведена условная схема методологии естествознания [Л.2]

На примере экспериментально открытого Х. Доплером влияния относительного движения тел на частоту звука можно проследить этапы этой методологической схемы

1 этап .

Проблемы регистрации факта, точности измерений для последующего количественного описания, выбор единиц измерений. (Эксперимент)

Пример : Х. Доплер зафиксировал (измерил) в 1842 году влияние относительного движения тел на частоту звука (эффект Доплера).

2 этап .

Установление зависимости, формул, связей, включая анализ размерности величин, установление констант. (Модель)

Пример : На основании опытов Х. Доплера разработана модель явления:

звук – это продольные колебания воздуха; при движении источника изменяется число колебаний, принимаемых приемником в 1 с., т.е. меняется частота.

Этап.

Пример : Разработка приборов на эффекте Доплера: эхолокаторы, измерители скорости движущихся тел (локатор ГИБДД).

Этап.

Формулировка принципов и обобщения, создание фундаментальной теории, выяснение связей с другими явлениями, прогнозы (включая математическое моделирование). (Фундаментальная теория).

Пример : Сформулированы принципы относительности Галилея, затем Эйнштейна:

равноправие всех инерциальных систем отсчета.

Этап.

Анализ широкого круга явлений, поиск закономерностей в других областях физики. (Другие явления).

Пример : В 1848 году А. Физо распространил принцип Доплера на оптические явления:

Свет– это поперечные колебания электромагнитного поля, поэтому применим эффект Доплера и для света (эффект ФИЗО).

6 этап .

Создание новых устройств, применение в других областях. (Новые практические применения).

Пример :

§ Измерение расстояний в космологии по красному смещению излучения далеких Галактик

§ Сдвиг частоты из-за относительного движения источника и приемника излучения явилось основой для создания модели расширяющейся Вселенной (Э. Хаббл)

§ Измерение реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Вильсон) явилось свидетельством справедливости модели расширяющейся Вселенной, начало которой имело форму «Большого взрыва».

Создание измерительного прибора или выработка метода измерений – важнейший шаг к обнаружению новых явлений и зависимостей. В наше время очень мало шансов открыть что-либо существенно новое, не прибегая к точной аппаратуре: все новое, ставшее известным за последнее время, не далось в результате простого невооруженного наблюдения над обыденным кругом явлений повседневной жизни, как это бывало у истоков науки.

Однако важно на первых этапах общего прощупывания не прибегать к чрезмерно тонкой технике эксперимента – излишнее усложнение вызывает задержки и уводит в густую чащу вспомогательных деталей, отвлекающих от основного.

Умение обходиться простыми средствами всегда ценится исследователями.

Каждый исследователь должен считаться с общепринятыми системами мер, должен хорошо разбираться в соотнесении производных единиц с принятыми за основные, т.е. в размерности. Понятие о системах единиц и о размерностях должно быть настолько ясным, чтобы были совершенно исключены такие «студенческие» случаи, когда размерности левой и правой частей уравнения различны, или величины – в разных системах единиц.

Когда принципиальный путь измерения установлен, стремятся повысить точность измерения. Каждый имеющий дело с измерениями должен быть знаком с приемами оценки точности результатов. Если исследователь неопытен, он редко умеет ответить на вопрос о том, какова точность произведенного им измерения, не отдает себе отчета ни в том, какой точности он должен в своей задаче добиваться, ни в том, что именно лимитирует его точность. Напротив, опытный исследователь умеет выразить в цифрах точность каждого своего измерения, а если получаемая точность оказывается ниже требуемой, он может заранее сказать – какой из элементов измерения окажется наиболее существенным улучшать.

Если не задают себе подобных вопросов, происходят неприятные случаи даже со сведущими людьми; например, профессор Московского университета Лейст на протяжении 20 лет строил карту магнитной аномалии, в которой измерения магнитного поля были точными, но координаты точек измерения не были соответственной точности, так что не оказалось возможности надежно определить градиенты составляющих напряженности поля, необходимые для оценки массы, залегающей под землей. В результате, всю работу пришлось повторить.

Как бы не стремился исследователь к точности измерения, все же он столкнется с неизбежными погрешностями результатов измерений.

Вот что говорил по этому поводу еще в 1903 году А. Пуанкаре («Гипотеза и наука»): «Представим себе, что мы измеряем некоторую длину неверным метром, например, слишком длинным по сравнению с нормальным. Получившееся число, выражающее измеряемую длину, всегда будет несколько менее истинного, и эта ошибка не устранится, сколько бы мы не повторяли измерение; это пример систематической ошибки. Но измеряя нашу длину верным метром, мы тем не менее не избежим ошибок, например от того, что неверно прочтем число делений; но эти ошибочные наблюдения могут быть и более или менее истинной величины, так что если мы произведем большое число наблюдений и возьмем среднее из них, то ошибка будет близка к нулю; вот пример случайных ошибок».

«Наиболее тяжелы систематические погрешности, источник происхождения которых еще неизвестен. Когда с ними сталкиваются в работе – это катастрофа. У одного ученого явилась мысль построить психрометр с помощью крысиного пузыря. Сжатие пузыря вызывало подъем ртути капиллярной трубке и отражало гидротермическое состояние воздуха. Было постановлено, чтобы все суда английского флота в течении года производили по всему свету соответствующие измерения. Таким путем надеялись построить полную психрометрическую карту всего мира. Когда работа была закончена, оказалось, что способность крысиного пузыря к сокращению сильно изменилась за год, причем изменялась неравномерно, в зависимости от климата, в котором он находился. И вся огромная работа пропала даром». (Ле Шателье, Наука и промышленность).

Этот пример показывает, что систематические ошибки могут представлять собой наложение незамеченного побочного явления на измеряемое – это разъясняет их характер и опасность.

Систематические погрешности присутствуют в любом эксперименте. Источников их множество – это неточность калибровки прибора, «сбитая» шкала, влияние прибора на объект исследования и мн. другое.

Пример , иллюстрирующий влияние прибора на исследуемую схему (рис.1.2).

Необходимо измерить с помощью

амперметра А ток в нагрузке.

Рис. 1.2

Реальный амперметр имеет внутреннее сопротивление r А. (Сопротивление рамки у амперметра магнитоэлектрической или электромагнитной системы).

Если мы знаем величину r А (она всегда приводится в технических характеристиках прибора) то систематическую погрешность легко рассчитать и учесть поправкой.

Пусть r А =1.Ом,

Тогда эквивалентная схема будет иметь вид:

В идеальной схеме (r А = 0)

В реальной схеме(с включенным

прибором)

I Нх =

Рис 1.3

Погрешность измерения (абсолютная) равна:

Относительная систематическая погрешность равна: (!).

Если прибор (амперметр) имеет класс точности 1,0 % и мы не будем учитывать влияние прибора на точность эксперимента, то ошибка измерения будет почти на порядок превышать ожидаемую погрешность (обусловленную классом точности прибора). Вместе с тем, зная природу систематической погрешности, ее легко учесть (в главе 3 будут подробно рассмотрены причины появления систематических погрешностей и способы их компенсации).

В нашем примере, зная величину r А легко рассчитать эту погрешность

() и ввести в результат соответствующую поправку (D n = - D сист):

Iн = Iн х + D n = 2,73А +0,27А=3,00А

Совершенно иной характер имеют случайные ошибки, о которых говорил Пуанкаре.

Случайность в науке и технике обычно рассматривается как враг, как досадная помеха, препятствующая точному измерению. Люди давно вступили в борьбу со случайностью.

Долгое время считалось, что случайности связаны просто с нашим незнанием причин, их вызывающих. Характерно в этом смысле высказывание известного русского ученого К. А. Тимирязева.

«…Что такое случай? Пустое слово, которым прикрывается невежество, уловка ленивого ума. Разве случай существует в природе? Разве он возможен? Разве возможно действие без причины?» («Краткий очерк Теории Дарвина»).

Действительно, если выявить все причины случайного события, то можно случайность устранить. Но это – однобокое понятие, здесь случайность отождествляется с беспричинностью . Здесь и кроется заблуждение великого ученого.

Всякое событие имеет вполне определенную причину, в том числе и случайное событие. Хорошо, когда цепь причин и следствий проста, легко просматривается. В этом случае событие нельзя считать случайным. Например, на вопрос: упадет брошенная монета на пол или на потолок – можно ответить определенно, случайности здесь нет.

Если же цепь причин и следствий сложна и не поддается обозрению, то событие становится непредсказуемым и называется случайным .

Например: упадет ли подбрасываемая монета вверх цифрой или гербом – можно точно описать цепью причин и следствий. Но проследить такую цепь практически невозможно. Выходит, хотя причина и есть – предсказать результат мы не можем – он случаен.

«Никто не обнимет необъятного»

(К. Прутков)

Рассмотрим задачу, которая может служить отличным примером относительности наших знаний и хорошо иллюстрирует афоризм К. Пруткова.

Задача : На столе лежит знаменитое Ньютоновское яблоко.

Что нужно было бы принять во внимание, чтобы вычислить абсолютно точно ту силу, с которой яблоко в данный момент давит на стол?

Решение абстрактное :

Сила F , с которой яблоко давит на стол, равна весу яблока P:

Если яблоко весит 0,2 кг, то и F = 0,2 кг.с = 0,2 х 9,80665Н = 1,96133Н(система СИ).

Перечислим все причины, влияющие на давление яблока в данное мгновение на стол.

Итак: F = P = mg ., где m – масса яблока, g – ускорение свободного падения.

В итоге мы имеем 4 элемента, на которые могут влиять внешние факторы.

1 . Масса яблока m .

На него влияют:

§ Испарение воды под действием тепла, солнечных лучей;

§ Выделение и поглощение газов из-за продолжающихся химических реакций (созревание, гниение, фотосинтез);

§ Вылет электронов под действием солнечных лучей, рентгеновского и γ – излучений;

§ Поглощение электронов, протонов и др. квантов;

§ Поглощение радиоволн и мн. др.

2. Ускорение свободного падения g меняется и в пространстве, и во времени.

§ В пространстве : зависит от географической широты, высоты над уровнем моря (яблоко – несимметрично, от его положения – центр массы, т.е. высота; земной шар – неоднороден, и т.д.

§ Во времени : g меняется: непрерывное перемещение масс внутри Земли, перемещение морских волн, возрастание массы Земли за счет метеоритной пыли и т.д.

3. Если выражение P = mg – точное, но тогда неверно равенство F = P, т. к. кроме Земли, на яблоко действует Луна, Солнце, другие планеты, центробежные силы инерции, вызванные вращением Земли и т.д.

4. Верно ли равенство F = P ?

§ Нет, т.к. оно не учитывает, что яблоко «плавает» в воздухе и поэтому из Р нужно вычесть силу Архимеда, которая сама меняется вместе с атмосферным давлением;

§ Нет, потому что на яблоко действуют переменные силы конвекции нагретого и холодного воздуха;

§ Нет, потому что на яблоко давят солнечные лучи;

и т.д., и т.п.

Вывод:

Всякая физическая задача бесконечно сложна , потому что на всякое физическое тело действуют одновременно все законы физики, в том числе и еще не открытые!

Физическая задача может быть решена лишь приближенно . И в зависимости от той точности, которая требуется в конкретной ситуации.

Случайность можно исследовать и нужно. Именно поэтому еще в XVII в. были заложены основы теории вероятностей – наука о случайных событиях. Это и является вторым направлением в борьбе со случайностью. Оно имеет своей целью изучение закономерности в случайных событиях. Знание закономерностей дает возможность вести эффективную борьбу с непредсказуемостью случайных событий.

Итак, можно сказать:

Случайность – это, прежде всего, непредсказуемость, которая является результатом нашего невежества, результатом нашего незнания, результатом отсутствия необходимой информации.

С этой точки зрения Тимирязев совершенно прав.

Всякое событие (Б) является следствием малого или большого ряда причин (А 1 А 2 ,…)

Рис. 1.4

Если причин очень много – интересующее нас событие нельзя предсказать точно, оно станет случайным, непредсказуемым. Здесь случайность образуется за счет недостаточного знания.

Означает ли это, что в одно прекрасное время, когда мы станем уж очень умными, случайность исчезнет с нашей планеты? Вовсе нет. Этому будут препятствовать по крайней мере три обстоятельства, которые надежно защищают случайность.

Роль и значение измерений в науке и технике. Перспективы развития электроизмерительной техники

Измерения являются одним из основных средств познания природы, ее явлений и законов.

Особенно важную роль играют электрические измерения, так как теоретическая и прикладная электротехника имеет дело с различными электрическими и магнитными величинами и явлениями, которые не воспринимаются непосредственно органами чувств. Поэтому обнаружение присутствия этих величин, количественное их, а так же изучение электрических и магнитных явлений возможно только при помощи электроизмерительных приборов.

Быстро развивающейся областью измерительной техники является измерение электрических величин электрическими приборами и методами. Это объясняется возможностью непрерывного измерения и записью его результатов на расстоянии, высокой точностью, чувствительностью и другими положительными свойствами электрических методов и приборов измерения. В современном производстве соблюдение любого технологического процесса и автоматизация управления обеспечиваются применением измерительной техники и тесно связанной с ней автоматики.

Таким образом, электрические измерения обеспечивают рациональное ведение любых технологических процессов, бесперебойную работу электроустановок и т.п., а следовательно, улучшают технико-экономические показатели работы предприятия.

Начертите структурную схему электронно-лучевого осциллографа и опишите назначение основных его узлов

Канал вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа предназначен для передачи входного напряжения на вертикальные отклоняющиеся пластины. Он включает аттенюатор, обеспечивающий ослабление входного сигнала до уровня получения на экране картинки необходимого размера, линию задержки и усилитель. С выхода усилителя сигнал поступает на вертикальные отклоняющиеся пластины.

Рис. 1 Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

Канал горизонтального отклонения (канал развертки) служит для создания и передачи на горизонтально отклоняющие пластины напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорционально времени.

Изображение формируется с помощью электронно-лучевой трубки, использующей электростатическое отклонение луча. В ней с помощью электронного прожектора формируется поток электронов в виде тонкого луча, который, достигая люминофора на внутренней поверхности экрана, вызывает его свечение. Отклонение луча по вертикали и горизонтали осуществляется с помощью двух пар пластин, на которые подаются отклоняющие напряжения. Исследуемое напряжение является функцией времени, и поэтому для его наблюдения необходимо, чтобы луч двигался по экрану в горизонтальном направлении пропорционально времени, а его перемещение по вертикали определялось входным исследуемым напряжением. Для движения луча по горизонтали к горизонтальным отклоняющимся пластинам прикладывается напряжение пилообразной формы, что обеспечивает перемещение луча слева направо с постоянной скоростью, быстрый возврат в начало экрана и очередное движение с постоянной скоростью слева направо. Исследуемое напряжение подается на вертикальные отклоняющие пластины, в результате положение луча в момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в данный момент времени.

В осциллографе имеются два канала - канал вертикального (Y) и горизонтального (X) отклонения. Канал вертикального отклонения предназначен для передачи входного напряжения на вертикальные отклоняющие пластины. Он включает аттенюатор, обеспечивающий ослабление входного сигнала до уровня получения на экране картинки необходимого размера, линию задержки и усилитель. С выхода усилителя сигнал поступает на вертикальные отклоняющие пластины. Канал горизонтального отклонения (канал развертки) служит для создания и передачи на горизонтальные отклоняющие пластины напряжения вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорционально времени.

В осциллографах применяются несколько видов развертки, основная из которых образуется с помощью пилообразного напряжения. Чтобы линия развертки не мерцала при наблюдении, луч должен прочерчивать одну и ту же траекторию не менее 25…30 раз в секунду ввиду инерционной способности зрения человека.

Приведите схему и опишите, каким образом определяется место повреждения изоляции кабеля методом петли Муррея

Метод петли из жил кабеля - метод Муррея представляет собой использование схемы одинарного моста.

Для определения места пробоя между жилой и броней или землей концы б-б´ исправной и поврежденной жил кабеля закорачиваются. К двум другим концам а-а´ подключают магазины сопротивлений R и r А и гальванометр. Зажим, в котором соединены магазины резисторов, через батарею элементов соединен с землей.

Рис. 1 Схема метода петли из жил кабеля - метод Муррея

В результате имеем схему моста, равновесие которой определяется условием:

Определив r x , зная удельное сопротивление ρ материала жил кабеля и их сечение S, по формуле l x =r x S/ρ определяют расстояние от конца кабеля а´ до места повреждения изоляции.

При неизменном сечении жил кабеля r x и r можно заменить их выражением:

откуда определяется расстояние до места повреждения

Для проверки результата измерения производят второе аналогичное измерение, поменяв концы кабеля а и а´. При этом расстояние до места повреждения определяют по формуле:

где R´ и r´ A - значения сопротивлений плеч моста при втором измерении. Правильность результатов измерений подтверждается равенством l x + l y =2l

Определите напряжение на сопротивлении и наибольшую возможную относительную погрешность при его определении если напряжение на зажимах сети равно 220 В, а напряжение на сопротивлении R 1 = 180 В. Для измерения используются вольтметры класса точности 1,0 на 250 В

Из электротехники знаем:

U 2 = U - U 1 = 220 - 180 = 40 В

Наибольшая возможная относительная погрешность

где - относительная погрешность прибора, в нашем случае для класса точности 1,0 = 1,0%;

U н - номинальное напряжение вольтметра;

U - показание вольтметра.

Ответ: U 2 = 40 В, .

Измерительный прибор без шунта сопротивлением R A = 28 Ом имеет шкалу в 50 делений цена деления 0,01 A/дел. Определить цену деления этого прибора и предельную величину измеряемого тока при подключении шунта сопротивлением R Ш = 0,02 Ом.

Найдем шунтирующий множитель «р»

где r И - сопротивление прибора; r Ш - сопротивление шунта.

Найдем предельную величину измеряемого прибором тока

где W - количество делений прибора; N - цена деления

Найдем предельную величину измеряемого прибором тока при подключении шунта

где I max - предельная величина измеряемого прибором тока;

р - шунтирующий множитель

Найдем цену деления прибора при подключении шунта

где I′ max - предельная величина измеряемого прибором с шунтом тока; W - количество делений прибора

Ответ: А, А/дел.

На щитке счетчика написано: 220В, 5А, 1кВт·ч - 2000 оборотов диска. Вычислить номинальную постоянную счетчика, действительную постоянную, относительную погрешность, поправочный коэффициент, если при проверке счетчика на неизменное напряжение U = 220 В и неизменной величине тока I = 5 А диск сделал N = 37 оборотов за 60 с.

Определим номинальную постоянную счетчика

где W н - номинальное количество регистрируемой счетчиком энергии за N н оборотов диска

Определим действительную постоянную счетчика

где W - расчетное количество зарегистрированной энергии за N оборотов диска при проверке счетчика, при чем: W = U ∙ I ∙ t (U - неизменное напряжение подаваемое в течении времени - t при неизменной величине тока - I).

Определим относительную погрешность счетчика

где k н - номинальная постоянная счетчика; k - действительная постоянная счетчика, определенная при проверке.

Поправочный коэффициент будет равен

Ответ: Вт·ч/об, Вт·ч/об,

Номинальный ток амперметра 5А, класс точности его 1,5. Определить наибольшую возможную абсолютную погрешность.

Наибольшая возможная абсолютная погрешность:

где γ д - относительная погрешность амперметра, в нашем случае для класса точности 1,5 γ д = 1,5%; I н - номинальный ток амперметра.

Литература

1. «Электрические измерения» В.С. Попов (М. 1974 г.)
2. «Электротехника и электроника» под ред. проф. Б.И. Петленко М. 2003 г.
3. Электрические измерения под редакцией Малиновского 1983 г.

Предмет физики.

Физика – естественная наука, задача которой –изучение природы. Природа для нас это совокупность явлений окружающего мира, из взаимодействие. Мерилом справедливости научных выводов является опыт. Метод любой науки состоит в наблюдении, размышлении и опыте. Для физики, название которой означает «природоведение» существенным является установление закономерностей, которые наблюдаются в явления как живой, так и неживой природы. Эти закономерности выражаются или описываются теми или иными физическими законами.

В недалеком историческом прошлом все явления природы принято было делить на классы.: теплоты, электричества, механики, магнетизма, химических явлений, световых явлений, рентгеновских лучей, ядерных превращений. и т.д. Однако эта классификация явлений является отображением различных сторон одной физической картины мира.

Почему изучение физики так важно для человечества? Одним из существенных мотивов является необходимость применения физических, прежде всего экспериментальных методов для получения качественно новых сведений о явлениях из других областей науки. Это чисто прагматичный подход. Что касается самой физики, то в ней открытие новых явлений и осмысливание их позволяет усовершенствовать и построить более стройную картину миру, систему представлений о природе.

Пример прагматической ценности физических методов – создание микроскопа позволило исследовать множество микроскопических объектов и получить громадное количество знаний о живых микроскопических объектах в том числе в разделе клеточной биологии. Применение рентгено структурного анализа позволило расшифровать структуру ДНК. Собственные достижения физики – в прошлом веке было понято, что тепловые явления могут быть сведены к механическим. Теплота и температурные эффекты могут быть описаны с помощью законов механики.

При изучении любого ограниченного круга явлений важно установить закономерности или принципы с помощью которых объясняются все известные наблюдаемые явления рассматриваемого ряда. Установление этих принципов в дальнейшем предсказать некоторые новые явления.

Физика, будучи наукой естественной, не основывается на законах и принципах, которые могут быть получены, доказаны, рассмотрены чисто умозрительно. Всегда, любой физический закон является следствием и получен в результате обобщения набора опытных, экспериментальных фактов. Любой опыт ставится с помощью измерительных приборов. В процессе выполнения опыта измеряются те или иные результаты с некоторым погрешностями. Возникает вопрос о том, что те законы, которые подтверждаются данным опытом соблюдаются с некоторой точностью? Действительно, в некоторых случаях известные закономерности справедливы лишь в ограниченных пределах и с ограниченной точностью. С совершенствованием техники, измерительных методик и накоплением массивов опытных фактов возможно получать более точные результаты, либо опровергнуть ранее наблюдаемые с относительно большими погрешностями. В этом случае первично сформулированные принципы заменяются на новые. Этот процесс иллюстрирует собой методологию науки физики.

В качестве примера рассмотрим эволюцию Ньютоновской механики. Ньютоновской она называется потому, что Исаак Ньютон обощил и систематизировал семейство опытных фактов в «Математических началах натуральной философии»- 1642г. Ньютоновская механика с очень хорошей точностью описывает относительно медленные движения, справедлива вы нерелятивистском приближении. v << c и является, предельным случаем релятивистской механики при v/ c << 1 . Принципы Ньютоновской механики несправедливы при описании объектов микромира, в атомных, молекулярных масштабах. В этом случае правильное, подтверждаемое опытом описание достигается только на основе принципов квантовой механики.

Модель, теория, закон.

Модель – мысленный образ явления, опирающийся на известные понятия, и ограничивающийся при рассмотрении явления только наиболее существенными его сторонами. Модель позволяет построить полезное, возможно, математическое описание. Модель является отображением явления, в котором учитываются наиболее существенные его свойства. Пример: квазиклассическая планетарная модель атома Бора. Модельные предположения состоят в пренебрежении размерами ядра и электронов. Модель опускает вопросы устойчивости такого образования. Модель атома Бора правильно описывает спектр простейших водородоподобных атомов.

Теория. Иногда термин теория и модель являются синонимами. Чаще модель предполагает относительную простоту, по сравнению с теорией. Теория рассматривает более широкий круг явлений, изучает их более детально. Возможно, что теория строится на основе ряда моделей и т. образом привести решение задач с высокой математической точностью. Пример: атомно - молекулярная теория строения вещества.

Закон – краткие и общие утверждения относительно характера процессов. Например: импульс замкнутой системы сохраняется. Или, например, закон всемирного тяготения: сила пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон устанавливает соотношение между физическими величинами, описывающими явление. Чтобы называться законом некоторое утверждение должно быть многократно подтверждено опытными фактами в широком диапазоне условий. Причем эта экспериментальная проверка должна давать всякий раз точный результат. Например закон сохранения энергии рассматриваемый в актах столкновения частиц гласит: энергия системы до столкновения равна энергии системы после столкновения. Знак равенства имеет место всегда, во множестве опытов, равенство выполняется с достижимой современными приборами точностью.

Системы единиц, размерности.

Физика – количественная наука. Любое измерение дает результат в виде числа. Измеренное число подразумевает, что введены некоторые масштабы (эталоны) , которые будут называться единицами измерений (стандарты).

• Перевод

Теория относительности утверждает, что мы живём в четырёх измерениях. Теория струн - что в десяти. Что такое «измерения» и как они влияют на реальность?

Когда я пишу тексты за своим столом, я могу протянуть руку вверх, чтобы включить лампу, или вниз, чтобы открыть ящик стола и достать ручку. Протянув руку вперёд, я касаюсь небольшой и странной на вид статуэтки, которую мне на счастье подарила сестра. Потянувшись назад, я могу похлопать чёрную кошку, крадущуюся у меня за спиной. Справа лежат заметки, сделанные во время исследований для статьи, слева - куча вещей, которые необходимо сделать (счета и корреспонденция). Вверх, вниз, вперёд, назад, вправо, влево - я управляю самим собой в моём личном космосе трёхмерного пространства. Невидимые оси этого мира налагает на меня прямоугольная структура моего кабинета, определяемая, как и большая часть западной архитектуры, тремя составленными вместе прямыми углами.

Наши архитектура, образование и словари сообщают нам о трёхмерности пространства. Оксфордский словарь английского языка так определяет пространство: «непрерывная область или простор, свободная, доступная или не занятое ничем. Измерения высоты, глубины и ширины, в рамках которых существуют и движутся все вещи». [словарь Ожегова говорит похожим образом: «Протяженность, место, не ограниченное видимыми пределами. Промежуток между чем-н., место, где что-н. вмещается.» / прим. перев. ]. В XVIII веке Иммануил Кант утверждал, что трёхмерное евклидово пространство является априорной необходимостью, и нам, пресыщенным изображениями, созданными компьютером, и видеоиграми, постоянно напоминают об этом представлении в виде вроде бы аксиоматичной прямоугольной системы координат. В точки зрения XXI века это кажется уже почти самоочевидным.

И всё же идея о жизни в пространстве, описываемом какой-то математической структурой - это радикальная инновация западной культуры, сделавшая необходимостью опровержение старинных верований по поводу природы реальности. Хотя зарождение современной науки часто описывают как переход к механизированному описанию природы, вероятно, более важным его аспектом - и однозначно более длительным - был переход к понятию о пространстве как о геометрической конструкции.

В прошлом веке задача описания геометрии пространства стала основным проектом теоретической физики, в котором эксперты, начиная с Альберта Эйнштейна, пытались описать все фундаментальные взаимодействия природы в виде побочных продуктов формы самого пространства. Хотя на локальном уровне нас приучили думать о пространстве как о трёхмерном, общая теория относительности описывает четырёхмерную Вселенную, а теория струн говорит о десяти измерениях - или об 11, если взять за основу её расширенный вариант, М-теорию . Существуют варианты этой теории с 26-ю измерениями, а недавно математики с энтузиазмом приняли версию , описывающую 24 измерения. Но что это за «измерения»? И что означает наличие десяти измерений в пространстве?

Чтобы прийти к современному математическому пониманию пространства, сначала необходимо подумать о нём как о некоей арене, которую может занимать материя. По меньшей мере, пространство необходимо представить себе, как нечто протяжённое. Такая идея, пусть и очевидная для нас, показалась бы еретической Аристотелю , чьи концепции представления физического мира преобладали в западном мышлении в поздней античности и в средневековье.

Строго говоря, аристотелева физика включала в себя не теорию пространства, а лишь концепцию места. Рассмотрим чашку чаю, стоящую на столе. Для Аристотеля чашка была окружённой воздухом, самим по себе представлявшим некую субстанцию. В его картине мира не было такой вещи, как пустое пространство - были только границы между веществами - чашкой и воздухом. Или столом. Для Аристотеля пространство, если вы хотите его так называть, было лишь бесконечно тонкой гранью между чашкой и тем, что её окружает. Баз протяжённости пространство не было чем-то таким, внутри чего может быть что-то другое.

С математической точки зрения, «измерение» - это всего лишь ещё одна координатная ось, ещё одна степень свободы, становящаяся символической концепцией, не обязательно связанной с материальным миром. В 1860-х пионер в области логики Огастес де Морган, чьи работы повлияли на Льюиса Кэрролла, подытожил эту становящуюся всё более абстрактной область, отметив, что математика - это чисто «наука о символах», и как таковая не обязана связываться с чем-либо, кроме самой себя. Математика, в каком-то смысле, это логика, свободно перемещающаяся на полях воображения.

В отличие от математиков, свободно играющих на полях идей, физики привязаны к природе, и, по крайней мере, в принципе, зависят от материальных вещей. Но все эти идеи приводят нас к освобождающей возможности - ведь если математика допускает количество измерений больше трёх, и мы считаем, что математика оказывается полезной для описания мира, откуда нам знать, что физическое пространство ограничено тремя измерениями? Хотя Галилей, Ньютон и Кант принимали длину, ширину и высоту как аксиомы, не может ли в нашем мире существовать больше измерений?

Опять-таки, идея Вселенной с количеством измерений больше трёх проникла в сознание общества через художественную среду, на этот раз - через литературные рассуждения, наиболее известной из которых служит работа математика Эдвина Эбботта Эбботта "Флатландия " (1884). Это очаровательная социальная сатира рассказывает историю скромного Квадрата, живущего на плоскости, к которому однажды в гости приходит трёхмерное существо лорд Сфера, выводящее его в великолепный мир трёхмерных тел. В этом рае объёмов Квадрат наблюдает за его трёхмерной версией, Кубом, и начинает мечтать о переходе в четвёртое, пятое и шестое измерение. Почему не гиперкуб? Или не гипер-гиперкуб, думает он?

К сожалению, в Флатландии Квадрата причисляют к лунатикам и запирают в сумасшедший дом. Одной из моралей истории, в отличие от более слащавых её экранизаций и адаптаций, является опасность, таящаяся в игнорировании социальных устоев. Квадрат, рассказывая о других измерениях пространства, рассказывает и о других изменениях бытия - он становится математическим чудаком.

В конце XIX и начале XX веков масса авторов (Герберт Уэллс, математик и автор НФ-романов Чарльз Хинтон , придумавший слово «тессеракт» для обозначения четырёхмерного куба), художников (Сальвадор Дали) и мистиков (Пётр Демьянович Успенский [русский оккультист, философ, теософ, таролог, журналист и писатель, математик по образованию / прим. перев. ] изучала идеи, связанные с четвёртым измерением и тем, чем может стать для человека встреча с ним.

Затем в 1905 году неизвестный тогда физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, описывающую реальный мир как четырёхмерный. В его «специальной теории относительности» время добавлялось к трём классическим измерениям пространства. В математическом формализме относительности все четыре измерения связаны вместе - так в наш лексикон вошёл термин «пространство-время». Такое объединение было не произвольным. Эйнштейн обнаружил, что используя этот подход, можно создать мощный математический аппарат, превосходящий физику Ньютона и позволяющий ему предсказывать поведение электрически заряженных частиц. Электромагнетизм можно полностью и точно описать только в четырёхмерной модели мира.

Относительность стала чем-то гораздо большим, чем просто ещё одной литературной игрой, особенно когда Эйнштейн расширил её от «специальной» до «общей». Многомерное пространство приобрело глубинное физическое значение.

В картине мира Ньютона материя движется через пространство во времени под влиянием естественных сил, в частности, гравитации. Пространство, время, материя и силы - различные категории реальности. С СТО Эйнштейн демонстрировал объединение пространства и времени, уменьшая количество фундаментальных физических категорий с четырёх до трёх: пространства-времени, материи и сил. ОТО делает следующий шаг, вплетая гравитацию в структуру самого пространства-времени. С четырёхмерной точки зрения, гравитация - всего лишь артефакт формы пространства.

Чтобы осознать эту примечательную ситуацию, представим её двумерный аналог. Представьте себе батут, нарисованный на поверхности декартовой плоскости. Теперь разместим на решётке шар для боулинга. Вокруг него поверхность натянется и исказится так, что некоторые точки отдалятся друг от друга сильнее. Мы исказили внутреннюю меру расстояния в пространстве, сделали её неровной. ОТО говорит, что именно такому искажению тяжёлые объекты, такие, как Солнце, подвергают пространство-время, и отклонение от декартового совершенства пространства приводит к появлению явления, которое мы ощущаем, как гравитацию.

В физике Ньютона гравитация появляется из ниоткуда, а у Эйнштейна она естественным образом возникает из внутренней геометрии четырёхмерного многообразия. Там, где многообразие наибольшим образом растягивается, или отходит от декартовой регулярности, гравитация ощущается сильнее. Это иногда называют «физикой резиновой плёнки». В ней огромные космические силы, удерживающие планеты на орбитах вокруг звёзд, а звёзды на орбитах в рамках галактик, являются ничем иным, как побочным эффектом искажённого пространства. Гравитация - это буквально геометрия в действии.

Если переход в четырёхмерное пространство помогает объяснить гравитацию, то будет ли какое-либо научное преимущество у пятимерного пространства? «Почему бы не попробовать?» - спросил в 1919 году молодой польский математик Теодор Франц Эдуард Калуца , размышляя над тем, что если Эйнштейн включил гравитацию в пространство-время, то, возможно, дополнительное измерение может схожим образом обращаться с электромагнетизмом, как с артефактом геометрии пространства-времени. Поэтому Калуца добавил дополнительное измерение к уравнениям Эйнштейна, и, к своему восторгу, обнаружил, что в пяти измерениях обе эти силы прекрасно оказываются артефактами геометрической модели.

Математика волшебным образом сходится, но в данном случае проблемой стало то, что дополнительное измерение никак не коррелировало с каким-либо определённым физическим свойством. В ОТО четвёртым измерением было время; в теории Калуцы оно не было чем-либо, что можно увидеть, почувствовать или на что можно указать: оно просто было в математике. Даже Эйнштейн разочаровался в такой эфемерной инновации. Что это? - спрашивал он; где оно?

В 1926 году шведский физик Оскар Клейн дал на этот вопрос ответ, очень похожий на отрывок из произведения о Стране чудес. Он предложил представить себе муравья, живущего на очень длинной и тонкой секции шланга. По шлангу можно бегать вперёд и назад, даже не замечая крохотного кругового изменения под ногами. Это измерение смогут увидеть только муравьиные физики при помощи мощных муравьиных микроскопов. Согласно Клейну, каждая точка нашего четырёхмерного пространства-времени обладает небольшим дополнительным кружком в пространстве подобного рода, который слишком мал для того, чтобы мы его видели. Поскольку он во много раз меньше атома, неудивительно, что мы его пока не нашли. Только физики с очень мощными ускорителями частиц могут надеяться добраться до такой крохотной шкалы.

Когда физики отошли от первоначального шока, идея Клейна их покорила, и в течение 1940-х эта теория была разработана в больших математических подробностях и перенесена в квантовый контекст. К несчастью, бесконечно малая шкала нового измерения не даёт представить, как его существование можно подтвердить экспериментально. Клейн подсчитал, что диаметр крохотного кружка составляет примерно 10 -30 см. Для сравнения, диаметр атома водорода равен 10 -8 см, поэтому мы говорим о чём-то, на 20 порядков меньшем, чем самый мелкий из атомов. Даже сегодня мы вовсе не приблизились к тому, чтобы суметь разглядеть что-то на такой миниатюрной шкале. Так эта идея вышла из моды.

Калуцу же так просто было не напугать. Он верил в своё пятое измерение и в мощь математической теории, поэтому он решил провести собственный эксперимент. Он выбрал такую тему, как плавание. Он не умел плавать, поэтому он прочёл всё, что нашёл, по теории плавания, и когда решил, что достаточно полно овладел принципами поведения на воде, поехал с семьёй к морю, бросился в волны, и внезапно поплыл. С его точки зрения эксперимент по плаванию подтверждал правдивость его теории, и, хотя он не дожил до триумфа своего любимого пятого измерения, в 1960-х специалисты по теории струн возродили идею пространства с высшими измерениями.

К 1960-м физики открыли две дополнительных силы природы, работающие на субатомном масштабе. Их назвали слабым ядерным взаимодействием и сильным ядерным взаимодействием, и они отвечают за некоторые типы радиоактивности и за удержание кварков, формирующих протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. В концце 1960-х физики начали изучать новую тему теории струн (утверждающей, что частицы похожи на крохотные резиновые полоски, вибрирующие в пространстве), и идеи Калуцы и Клейна вновь вышли на поверхность. Теоретики начали постепенно приходить к мысли, нельзя ли описать две субатомные силы в терминах геометрии пространства-времени.

Оказывается, что для того, чтобы охватить обе эти силы, необходимо добавить ещё пять измерений к нашему математическому описанию. Не существует какой-то особой причины для того, чтобы их было пять; и вновь, никакие из этих дополнительных измерений не связаны с нашими ощущениями напрямую. Они есть только в математике. И это приводит нас к 10 измерениям теории струн. И вот вам четыре крупномасштабных измерения пространства-времени (описываемые ОТО), плюс шесть дополнительных «компактных» измерений (одно для электромагнетизма и пять для ядерных сил), свернувшиеся клубочком в чертовски сложную, сморщенную геометрическую структуру.

Физики и математики прилагают огромные усилия к тому, чтобы понять все возможные формы, которые способно принять это миниатюрное пространство, и какие, если вообще какие-то из множества этих альтернатив, реализуются в реальном мире. Технически эти формы известны как многообразия Калаби-Яу , и они могут существовать в любом количестве высших измерений. Эти экзотические и сложные существа, эти необычайные формы, составляют абстрактную систематику в многомерном пространстве; их двумерное сечение (лучшее, что мы можем сделать для визуализации их внешнего вида) напоминает кристаллические структуры вирусов; они кажутся почти