Десять ящиков науки

Ящик — вещь простая. Но наука способна наделить этот предмет глубокими смыслами — хоть физическими, хоть метафизическими. Она может увидеть ящик в пересечении графиков, воздушной пушке, приборе для дрессировки животных и многом другом.

Ящик Шрёдингера

Что это
Это святое! Напоминаем: в ящике находятся кот, кусочек радиоактивного вещества, счётчик Гейгера, молоток и колба с ядом. В течение часа с вероятностью ½ может случиться распад ядра — молоток ударит по колбе, и кот умрёт. А может и не случиться. Если бы эта система подчинялась законам квантовой механики, то кот был бы одновременно и жив, и мёртв, а однозначный статус приобрёл бы только при открывании ящика. Как уверял сам Эрвин Шрёдингер, «это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким фото и снимком тумана».

Для чего нужен
Мысленный эксперимент с котом показывает принципиальные различия законов макро- и микромира. Да и вообще метафора красивая.

Ящик Вуда

Что это
Действительно ящик. Только в нём есть мембрана, которая выталкивает воздух через круглое отверстие. В результате воздушный поток начинает закручиваться, и образуется вихрь тороидальной формы (если проще — в форме бублика). Вот как описывал демонстрацию своего изобретения американский физик Вуд (дело было на рубеже XIX—XX вв.еков): «Большой ящик приберёг к концу лекции. Если я направлял его вверх, невидимое воздушное кольцо ударялось о купол аудитории и гасило большую часть рожков газовой люстры, висевшей под потолком. Два или три из них всё же не гасли, и от них свет опять распространялся по всему кругу люстры, так что опыт можно было повторять снова и снова — так быстро, насколько позволяли удары по ящику. Затем я начал „блицкриг“ против аудитории, „стреляя“ мощными невидимыми кольцами в море лиц. Зрители были в восхищении!»

Для чего нужен
Сейчас такой аттракцион имеется почти в каждом музее занимательных наук наряду с кривой комнатой или зеркальным лабиринтом. Принцип ящика Вуда применяется при тушении пожаров.

Клетка Фарадея

Что это
Устройство, изобретённое в 1836 году Майклом Фарадеем — британским химиком и физиком. Представляет собой заземлённую металлическую клетку, эффективность которой определяется толщиной материала и размерами ячеек (чем меньше, тем лучше). Принцип работы заключается в том, что, если клетка попадает во внешнее электрическое поле, свободные электроны внутри неё концентрируются в определённом месте. В итоге противоположные стороны клетки получают разноимённые заряды, создают новое поле и сводят на нет электромагнитное воздействие извне. Именно поэтому, кстати, в лифте часто пропадает сигнал мобильной связи.

Для чего нужен
Используется везде, где требуется блокировать воздействие электромагнитных полей на человека или аппаратуру. Например, в помещениях с высоковольтным оборудованием. Самый доступный пример — микроволновка.

Ящики Дирихле

Что это
Данный принцип комбинаторики сформулирован немецким математиком Дирихле в 1834 году и устанавливает связь между объектами (зайцами) и контейнерами (клетками) при выполнении определённых условий. Существует множество формулировок этого принципа, многие из них кажутся совершенно очевидными, например: «Если в n клетках сидит n + 1 или больше зайцев, то найдётся клетка, в которой сидят по крайней мере два зайца».

Для чего нужен
Несмотря на свою простоту, этот принцип неплохо помогает решать некоторые математические задачи. Обычно с его помощью доказывается существование некоторого объекта без указания места, где он находится. Это так называемое неконструктивное доказательство: мы не можем сказать, в какой именно клетке сидят два зайца, а знаем только, что такая клетка есть.

Ящик Эджворта

Что это
В основе схемы, созданной британским экономистом Фрэнсисом Эджвортом в 1881 году, лежат две системы координат, одна из которых перевёрнута на 180 градусов по отношению к первой так, что получается прямоугольник (ящик). В каждой координатной плоскости изображена кривая безразличия. Что это такое? Допустим, речь идёт о сладостях. На одной оси отложено количество пирожных, на другой — кексов. Для кого-то из потребителей комплект из 3 кексов и 7 пирожных будет представлять такую же ценность, как набор из 4 кексов и 6 пирожных. Так строится кривая безразличия. А ящик Эджворта — модель для сопоставления этих кривых.

Для чего нужен
Помогает решать задачи, связанные с эффективным распределением благ.

Ящик Торндайка

Что это
Конструкция, придуманная одним из первых психологов — Эдвардом Ли Торндайком. Экспериментальное животное помещали в клетку, сделанную из хитро расположенных реек. Пытаясь вырваться, зверёк случайно приводил в действие механизм, открывавший путь на свободу. При неоднократном повторении опыта количество действий, не дававших нужного результата, постепенно уменьшалось до нуля, а манипуляции, приводившие к успеху, становились всё более точными.

Для чего нужен
Чтобы понять механизмы научения.

Ящик Скиннера

Что это
Похож на ящик Торндайка и устройства, которыми пользовался Павлов, вырабатывая условный рефлекс у собак. Представляет собой пустой ящик, оснащённый педалью, нажатие на которую приводит к подаче пищи. Запущенная туда крыса сначала хаотично исследовала пространство, пока не задевала педаль и не получала порцию лакомства. После нескольких случайных нажатий у животного формировалась новая модель поведения, не связанная ни с какими предшествующими стимулами. Теперь, проголодавшись, крыса бежала прямиком к педали и, нажав на неё, получала желаемое. Скиннер сделал аналогичный ящик для младенцев и экспериментировал со своей дочерью, стремясь путём подкрепления выработать у неё полезные навыки.

Для чего нужен
Это тоже про механизмы научения.

Чёрный ящик № 1

Что это
Модель системы, о принципах работы которой ничего не известно. На схемах изображается как чёрный прямоугольник. Наблюдатель знает, что ящик имеет «вход» для ввода информации и «выход» для вывода, но при этом не имеет понятия, как система работает.

Для чего нужен
Эту метафору любят кибернетики и психологи-бихевиористы. В последнем случае чёрный ящик — это наш мозг.

Чёрный ящик № 2

Что это
Большой чёрный ящик с зеркальной внутренней поверхностью и дырочкой в одной из стенок. Демонстрирует способность абсолютно чёрного тела поглощать свет (электромагнитное излучение). Луч света, проникающий в ящик через отверстие, навсегда остаётся внутри, бесконечно отражаясь от стенок. Такой способ объяснения иногда критикуется физиками, но суть передана точно: свет действительно не выходит из чёрного ящика.

Для чего нужен
Объясняет одно из базовых понятий квантовой механики.

Ящик Пандоры

Что это
Образ из древнегреческого мифа. Эпиметею, младшему брату Прометея, богами была послана прекрасная во всех отношениях девушка Пандора, к которой прилагался ларец с рекомендацией не открывать его. Поддавшись соблазну, Пандора открыла подарок, и на мир обрушилось множество бед и печалей. Испугавшись, она захлопнула крышку, и на самом дне ящика осталась надежда.

Для чего нужен
Часто используется при описании открытий и изобретений. Мол, наука может создать нечто, способное нас погубить, но она же дарует и надежду.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» № 12 2015 г.