Miara wszechrzeczy, czyli pofilozofujmy

Zmysły, czym są, każdy wie. To analogowe rejestratory niektórych, niezbędnych do przeżycia wielkości fizycznych. Dobór naturalny jest skąpy w dzieleniu umiejętności, daje tylko wtedy, kiedy musi. I tylko tyle, na ile go stać.

Weźmy, na ten przykład, wzrok. Światło to fala elektromagnetyczna. Narząd wzroku rejestruje bardzo wąski zakres długości fal: 380-780 nanometrów. To zaledwie wycinek elektromagnetycznego widma, którego częstotliwości rozciągają się od prawie zera (długie fale radiowe) do prawie nieskończoności (promieniowanie gamma). Czy człowiekowi pierwotnemu potrzebna była detekcja i rejestracja tak szerokiego zakresu? Przecież oświetlające Ziemię Słońce emituje także mikrofale, fale radiowe, podczerwień, ultrafiolet, częstotliwości rentgenowskie, a nawet promieniowanie gamma. Odpowiedź brzmi NIE, koszt takiej inwestycji wielokrotnie przerastałby nakłady, a w większości przypadków budowa takich receptorów byłaby niemożliwa z powodu sprzeczności z biologicznym paradygmatem budowy organizmów żywych, chemią i fizyką budowy białek.

Ryc. 1 Widmo fal elektromagnetycznych. Licencja: Wikimedia Commons

Jak sięgać tam, gdzie wzrok nie sięga? Jak sprawdzić głębokość rzeki w poszukiwaniu brodu? Są na to dwa sposoby: porównywać albo mierzyć. Porównywanie jest łatwiejsze, nie wymaga analizy i zapamiętywania wyników; jest też skuteczne i praktyczne. Wystarczą zmysły, niewielka pamięć operacyjna i prosty ośrodek decyzyjny.

Rozwój mózgu dodaje do tego mechanizmu nowy wymiar. Analiza informacji, wyciąganie wniosków i zapamiętywanie wyników doświadczeń i ich projekcja na nowe sytuacje to silna broń ewolucyjna. Eliminuje konieczność każdorazowego doświadczania zagrażającej życiu sytuacji i znacząco podnosi prawdopodobieństwo przetrwania. Nic dziwnego, że ewolucja szybko podchwyciła ten pomysł.

Mamy więc zmysły, które dostarczają mózgowi wartości pomiarowych niektórych wielkości występujących w otoczeniu. Mózg analizuje, mierzy, porównuje i zapamiętuje, tworząc coś, co nazywamy doświadczeniem życiowym. Pozwoli to w przyszłości uniknąć konieczności doświadczania zjawisk, których już doświadczyliśmy, gdyż ich zapis został zarejestrowany w pamięci. Możemy to porównać do pamięci cache w komputerach, która jest szybka, tania i bezpieczna.

Pomiary bezpośrednie to nie wszystko. Zakresy pomiarowe oferowane przez zmysły (380-780 nm dla światła, 20-20000 Hz dla dźwięków, zakres temperatur od minus kilkudziesięciu do kilkuset stopni) to niewiele. Niektóre wielkości możemy mierzyć pośrednio, przez obserwację odpowiednich zjawisk wtórnych. Bardzo wysoka temperatura wywołuje świecenie, a barwa światła świadczy o temperaturze. Infradźwięki powodują niesłyszalne, ale wyczuwalne drgania. Woda, zamarzając, zmienia stan skupienia. Światło podczerwone wywołuje uczucie ciepła, rejestrowane przez zmysł dotyku. Niektóre wielkości, jak czas, w ogóle nie wymagają receptorów, mózg potrafi zmierzyć go bez odwoływania się do zmysłów.

Na tym kończy się prosta metrologia zmysłowa. Można się spierać, która wielkość była pierwszą mierzoną wielkością. Może to był czas i doba słoneczna? Może patyk o długości ciała człowieka, który był jednocześnie czujnikiem i przedłużeniem ręki? Zostawmy to filozofom.

Byt kształtuje świadomość i przez długi czas to wystarczało, by żyć w harmonii z otoczeniem. Dopiero rozwój cywilizacyjny i rozwój zjawisk społecznych, w tym handlu, uświadomił, że przydałoby się niektóre wielkości mierzyć dokładniej i w szerszym zakresie, a pomiary powinny być powtarzalne. Zwłaszcza powtarzalność i precyzja pomiarów stały się ważne.

Człowiek współczesny (Homo smartfonicus) jest otoczony miernikami. W zasięgu wzroku mamy kilka zegarów, kilka termometrów, mnóstwo mierników mierzących różne częstotliwości fal elektromagnetycznych, dźwiękowych. Do tego sztuczne ośrodki decyzyjne w postaci sygnalizatorów (świetlnych, dźwiękowych) przekroczenia wartości progowych niektórych wielkości. Pomiary, pomiary, pomiary. Wszędzie protezy naszych zmysłów. I ciągle nam mało. Marzymy o protezach mózgu podejmujących za nas decyzje, wartościujących i przekazujących nam gotowe podpowiedzi, abyśmy tylko nacisnęli odpowiedni klawisz. Już nawet nie chcemy decydować, chcemy wygodnie trwać (a może tylko wegetować?).

Mówi się, że matką wynalazków jest lenistwo, ale jeśli pozbędziemy się obowiązku myślenia, to do czego będziemy stworzonej przez nas cywilizacji potrzebni? Do konserwacji i oliwienia sztucznej inteligencji? Jaki będzie z nas pożytek dla ekosystemu? Mało, że nie integrujemy się z nim, to nie produkujemy liczącej się wartości dodanej, a nawet, w dłuższej skali czasowej, jesteśmy szkodnikami i pasożytami.

Ryc. 2 Zegar słoneczny projektu Przypkowskiego na fasadzie budynku na Starym Mieście w Warszawie. Licencja CC BY-SA 3.0 (Andrzej Barabasz)

Na przykładzie zegara słonecznego możemy sformułować pierwszą zasadę rozwoju przyrządów pomiarowych: zwiększenie dokładności.

Druga zasada rozwoju metrologii to powtarzalność pomiarów. Istnieje wiele sposobów pomiaru tej samej wielkości fizycznej, na przykład czasu. Czas oddziałuje na materię na wiele sposobów. Każde z tych oddziaływań można mierzyć, gdyż zjawiska fizyczne są powtarzalne, przynajmniej na gruncie fizyki klasycznej. Płynięcie wody, naprężenie sprężyny, drgania atomów różnych kryształów, obroty pulsarów, wszystko to daje się zmierzyć. No to mierzymy. Rozwój zegarów był w historii techniki chyba najbardziej burzliwym i długim rozwojem. Co ciekawe, trwa nadal.

Trzeci nurt rozwoju metrologii to zwiększanie zakresu pomiarowego. Będzie o tym oddzielny wpis. Oba końce tego wektora z dwoma zwrotami (najmniejsze i największe jednostki pomiarowe) są równie ważne. W przypadku czasu istnieją pewne ograniczenia, choć, z punktu widzenia filozofii, niekoniecznie muszą istnieć. Najdłuższy możliwy do zmierzenia czas to wiek Wszechświata, obecnie szacowany na 13,8 miliarda lat. Najkrótszy to tzw. czas Plancka, czyli 5,39 * 10-44 sekundy. Jesteśmy w stanie zmierzyć czasy rzędu zeptosekund, czyli 10-21 sekundy (piszę o tym we wpisie Atomowe rekordy Guinnessa (1)), więc brakuje nam tylko podzielić zeptosekundę na 1023 części, żeby móc się cieszyć możliwością mierzenia całego „widma” czasu.

Udostępnij wpis

4 thoughts on “Miara wszechrzeczy, czyli pofilozofujmy

  1. Z jednym bym polemizował – zakresy pomiarowe naszych zmysłów nie są tak skromne, jak mogłoby się wydawać. Przykładowo, dla zmysłu słuchu dynamika, czyli “odległość” między najcichszym i najgłośniejszym dźwiękiem, jaki możemy usłyszeć, wynosi ~120 dB. Oznacza to, że rozróżniamy dźwięki od najcichszych do takich, których natężenie jest od nich 10¹² razy większe. W przypadku zmysłu wzroku ta dynamika to aż 160 dB, przy czym wrażenie widzenia po pełnej adaptacji siatkówki do ciemności może zacząć się już od kilkunastu(!) fotonów. W ogóle ciekawym, a nie wspomnianym w artykule aspektem “fizjologicznej metrologii” jest to, że wszystkie zmysły działają “logarytmicznie”, na zasadzie porównywania odczytów z jakąś wartością odniesienia, czyli że subiektywne wrażenie nie zależy wprost od mierzalnej siły bodźca, ale od jego “kontrastu” na “tle”. Dlatego łatwiej zauważamy duże różnice w ilości światła, hałasie, zapachu czy ciężarze, a odpowiednio niewielkie pozostają niezauważalne. Fenomen ten opisuje prawo Webera-Fechnera.

    • To prawda, zakres dynamiki jest ogromny, nieporównywalnie większy od zakresu częstotliwości. Ale tym rządzi inna fizyka i inny rodzaj “receptorów”. Słyszalny dźwięk to zjawisko kompleksowe: częstotliwość, ciśnienie (natężenie), rozkład przestrzenny.

  2. Dla formalności – w licencjach CC litery BY oznaczają, że należy podać autora utworu. W przypadku tego zdjęcia to wikipedysta Chepry, czyli Andrzej Barabasz.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *