Реферат: Бессилие от знания или может ли история помочь физикам?

Как известно, сейсмосигналы, принимаемые сейсмоприемниками при сейсмоизмерениях, имеют вид длительного колебательного процесса неоправданно большой амплитуды. Согласно утверждению ученых-сейсморазведчиков, такого рода сигналы возникают в результате интерференции между множеством элементарных отражений зондирующего импульса от залегающих в земной толще мелких границ. Этот, так называемый, паразитный звон является объектом, с которым борется сейсморазведка в течение всего времени своего существования.

У сейсморазведчиков есть надежда, что если бы удалось уменьшить его амплитуду, то удалось бы, наконец, увидеть на сейсмограммах сам эхо-сигнал. Так вот, как оказалось в результате уже самого первого нашего шахтного измерения, что надежда эта напрасна, но зато спектр этого самого "паразитного звона" однозначно связан с геологическим разрезом в зоне измерений. Дело в том, что, как оказалось, сейсмосигнал, возникающий при ударном воздействии на горный массив, имеет вид не каких-то произвольных по форме и спектру колебаний, а представляет собой одну или несколько затухающих синусоид. При этом частота f_0i каждой из этих составляющих имеет величину, связанную с толщиной (или, как говорят геологи, мощностью) h_i породного слоя следующим выражением:

f_0i = 2500/h_i [(м/с)/м = Гц] (1)

Какой физической реалии соответствует числитель выражения (1), имеющий размерность скорости, тогда было еще неясно, но, выявленное чисто эмпирически, это соотношение выполняется с погрешностью, не превышающей 10% для всего спектра пород угленосной толщи - от слабого аргиллита и до прочнейшего песчаника и известняка при численном равенстве числителя 2500 м/с.

Из этой случайной находки следовало три вывода. Первый заключался в том, что, используя выражение (1), то есть, иначе говоря, спектрально-сейсморазведочный подход, можно без бурения получать информацию о мощностях пород, залегающих как в кровле, так и в почве подземной выработки. Эта информация имеет крайне важное для шахтеров значение, в связи с чем немедленно началась разработка соответствующей аппаратуры. Аппаратура эта впоследствии получила название "Резонанс", и использовалась для оценки и прогнозирования устойчивости пород кровли во всех угольных регионах СССР.

Второй вывод заключался в том, что колебательный процесс, возникающий при ударном воздействии на горный массив, не является мешающим, поскольку содержит информацию о его геологическом строении. Этот вывод накладывал определенные требования на аппаратуру, которые заключаются в том, что она не должна ни в малейшей степени искажать спектр сигнала. Требование это никогда раньше перед сейсмоаппаратурой не ставилось, и выполнение его потребовало весьма нетривиальных решений.

Третий вывод, самый важный для судьбы нового, родившегося при этом направления, в дальнейшем получившего название спектральной сейсморазведки, состоял в том, что породные слои проявляют свойства каких-то новых, неизвестных ранее колебательных систем.

Здесь представляется необходимым дать некоторые пояснения.

Дело в том, что если реакция некоторого устройства (будем говорить, "черного ящика") на короткое (ударное) воздействие имеет вид затухающего синусоидального (гармонического) процесса, значит, этот черный ящик - не что иное как колебательная система. Другого пути, чтобы импульс преобразовать в затухающую синусоиду, просто не существует. Синусоида - это один член ряда Фурье, неделимый информационный кирпичик, который нельзя получить никакой интерференцией. Но в том-то и штука, что единственный мыслимый в акустике процесс, освещенный прошлыми и нынешними авторитетами, с помощью которого предполагается возможным изменение формы сигнала - это интерференция.

В самом деле, а что еще может быть? Сигнал распространяется, многократно отражается, и все эти элементарные отражения векторно складываются друг с другом, то есть, интерферируют. А поскольку другие процессы, способные преобразовывать форму сигнала, неизвестны, то всяческое упоминание о возникновении гармонических сигналов в акустике и сейсмике просто запрещено.

Между тем, наличие такого рода сигналов известно всем. Более того, от них просто деваться некуда. Но называют их квазигармоническими, что само по себе ничего не меняет¹ , но зато как бы дает право настаивать на том, что они являются результатом интерференции.

Надо сказать, что здесь мы встретились с удивительным совпадением. Эта история практически полностью повторяет ту, что происходила в XIX веке при открытии электрического колебательного контура.

Первый колебательный контур был случайно реализован в 40-х годах XIX века Джозефом Генри (тем самым, чье имя носит единица индуктивности). Произошло это при исследовании процессов, возникающих при коротком замыкании конденсатора. Это было время, когда начались исследования новой субстанции - электрической жидкости, содержащейся в только что изобретенных гальванических элементах. Эксперимент заключался в том, что заряжался конденсатор (как тогда говорили, "лейденская банка") от гальванического элемента, а для регистрации процесса разряда Генри использовал праобраз амперметра - магнитную стрелку, многократно обвитую проводом. Провод был достаточно толстым, чтобы можно было не считаться с его сопротивлением. На этом основании Дж. Генри полагал, что разряд шел накоротко.

К его величайшему удивлению, стрелка при разряде многократно изменяла направление своего отклонения. Истолковано это было так, что электрическая жидкость при коротком замыкании лейденской банки не только вытекает из нее, но и втекает обратно.

Сначала эта публикация вызвала бурю негодования у всех действующих тогда физиков. Однако после того как оказалось, что описанный результат устойчив при повторении эксперимента, ученые нашли ему объяснение. Многократное изменение направления тока через конденсатор при коротком замыкании было воспринято как следствие интерференционных процессов, возникающих в "электрической жидкости", заполняющей лейденскую банку, в результате ее встряхивания, которому эквивалентно короткое замыкание. В таком виде это явление и существовало в учебниках и научных публикациях еще лет 30.

Второе открытие колебательного контура было сделано спустя 30 лет после этого лордом Кельвином. Он заинтересовался формой сигнала, возникающего при разряде конденсатора и, чтобы удовлетворить свое любопытство, изобрел осциллограф. Увидев же, что электрический ток, протекающий через лейденскую банку, имеет форму синусоиды, Кельвин сообразил, что имеет дело с неизвестной ранее колебательной системой.

И только еще через почти 10 лет электрический LC контур был открыт окончательно, когда Фергюсон осознал роль индуктивности² .

Проводя параллель с историей открытия электрического контура, можно сказать, что, найдя зависимость (1), я выполнил только первую часть - обнаружил наличие акустической колебательной системы в виде плоскопараллельной структуры (как частный случай). Однако при этом остался непонятен механизм преобразования импульса в гармонический сигнал, а также был неясен физический смысл числителя выражения (1).

Достаточно долгое время, уже используя на практике выражение (1) и аппаратуру "Резонанс", я, тем не менее, мог без труда доказать, что обнаруженный эффект существовать не может. В самом деле, при условии, что материал пластины однороден по вещественному составу и по акустическим свойствам, можно представить себе лишь один механизм - это прямолинейное распространение упругих колебаний внутри пластины и отражение их от границ. Результат многократного переотражения от поверхностей пластин короткого импульса - это отнюдь не гармонический процесс. В отличие от гармонического, такой процесс имеет очень широкий частотный спектр, и перепутать их невозможно.

Но однажды истину, изложенную в предыдущем абзаце, я воспринял иначе. Реакция на импульсное воздействие имеет вид гармонического сигнала, и это достоверно и однозначно доказывается средствами электроизмерений. Однородность вещественного состава материала пластины, по-видимому, тоже нет оснований подвергать сомнению. Следовательно, раз уж преобразование удара в гармонический процесс все-таки происходит, то должна же быть какая-то неоднородность... А что там у нас с однородностью акустических свойств материала пластины? А может ли оказаться скорость распространения упругих волн неодинаковой в различных точках объекта из однородного по вещественному составу материала?

На чувственном, интуитивном уровне этот вопрос воспринимается с трудом. В самом деле, уверенность в постоянстве скорости звука в однородных по вещественному составу средах, я думаю, рождается вместе с нами. Так же точно, как и некоторые другие аксиомы. Такие, как, скажем, утверждение о том, что параллельные линии не пересекаются в пространстве. Но, с другой стороны, нет такой аксиомы, которая не требовала бы проверки. Ведь, как сказал Лобачевский, аксиома - это не то, что не требует доказательства, а то, что никак не доказать (или не опровергнуть). Чем это кончилось, я имею в виду утверждение о непересекающихся параллельных, известно. Всего лишь, созданием нового типа геометрии.

Здесь я хотел бы немного отвлечься, чтобы показать, что все, что произошло дальше, ничуть от меня не зависело. В самом деле, казалось бы, если уж я получил инструмент для прогнозирования устойчивости кровли в угольных шахтах, то так ли обязательно было доискиваться до механизма того эффекта, на котором этот инструмент работает?.. Я ведь сам только что говорил, что физический эффект совсем не обязательно нужно понимать, чтобы его использовать... Но смотрите сами, ведь аппаратура "Резонанс" была предназначена для сохранения человеческих жизней в условиях шахт. Возможно ли использование в этих целях прибора, который работает на эффекте, которого в принципе быть не может? А если все те результаты, которые мы получали до этого, были результатом какого-то странного стечения обстоятельств, а в дальнейшем, когда использование прибора узаконится, таких обстоятельств больше не будет (или, что еще хуже, они не всегда будут), то наши рекомендации будут способствовать гибели людей, так ведь?

Когда я это осознал, то принял для себя решение аппаратуру шахтерам не давать до тех пор, пока не разберусь в физике используемых эффектов. Мое решение вызвало такую бурю негодования, от шахтных геологов и до самого Минуглепрома, что об этом нужно рассказывать отдельно. Но здесь важно то, что только тот стресс, в котором я оказался, помог мне пройти весь дальнейший путь поисков механизма эффекта преобразования ударного воздействия в гармонический отклик. Не даром у нас потом родился афоризм, что для того, чтобы в голову пришло что-то приличное, надо, чтобы по ней ударили. Вот гипотеза о непостоянстве скорости звука в однородных средах и возникла как результат удара по голове.

Способ проверки факта постоянства скорости звука в однородных средах оказался на удивление простым. Напомню только, что скорость движения какого-либо объекта V прямому измерению не подлежит. Она вычисляется делением отрезка пути r на время t, в течение которого пройден этот путь. Поэтому определяемая в эксперименте скорость всегда является средней, усредненной по отрезку пути r.

Эксперимент, направленный на проверку постоянства скорости звука в однородных по вещественному составу средах, имел следующую логику. Если это постоянство действительно имеет место, то при сквозном прозвучивании пластин величина определяемой скорости распространения упругих волн V не должна зависеть от толщины пластины h. При всей прозрачности этой логики, все же, первый цикл измерений зависимости V(h) был осуществлен на пластинах из оргстекла. Почему это было сделано. Дело в том, что измерение скорости звука в акустике твердых сред является очень серьезной проблемой. При всей кажущейся очевидности и простоте вопроса, результаты реальных измерений в простейших условиях порою настолько непонятны, что теоретикам показалось проще создать массу запретов, чем разобраться в этих неясностях. Так, если результаты ваших измерений не соответствуют каким-то существующим мысленным моделям, вам просто объяснят, что вы не имели права так измерять. Причем эти запреты настолько нечеткие, что в принципе, можно запретить любые измерения. Однако если мы берем два совершенно идентичных по своей геометрии образца из различных материалов, то если вас устроят результаты измерений на одном из них, то запрет точно таких же измерений на другом уже не будет убедительным.

График зависимости скорости распространения упругих колебаний от толщины прозвучиваемых пластин из оргстекла, показанный на рисунке (график 1), свидетельствует о том, что скорость распространения упругих колебаний в оргстекле действительно одинакова во всех точках этого однородного материала. Утолщение линии этого графика при уменьшении толщины пластины соответствует увеличению относительной погрешности определения скорости с уменьшением величины t. Итак, метрологическая корректность при проведении этих измерений может считаться приемлемой.

При точно таком же исследовании пластин из любого металла или сплава, керамики, стекла или горной породы зависимость V(h), как оказалось, имеет вид, подобный графику 2. Как истолковать такой результат?..

В принципе, подобная зависимость имела бы место, если бы мы таким же точно способом определяли скорость движения автомобиля при изменении расстояния между точками его начала движения и остановки. Средняя или крейсерская скорость любого средства передвижения уменьшается при уменьшении длины пути за счет неизбежного присутствия участков, где скорость сначала плавно увеличивается, а затем, перед остановкой плавно уменьшается.