1. Ориентация птиц по солнцу. 2. GPS и теория относительности

0

Фото: teleor.net

Автор: академик, профессор, д.т.н., Лауреат Государственной премии СССР В.С. Фоменко, Израиль, США.

Ориентация птиц по Солнцу.

В истории науки нередки случаи, когда исследователь, стремясь к одному результату, получал другой, иногда гораздо более важный. Однако бывает и так, что учёный находит блестящее решение именно той задачи, которую ставил перед собой, и при этом обнаруживает, что причины исследуемого явления значительно глубже, чем он предполагал. Именно таким образом сделал своё открытие Крамер, после чего многие биологи в различных исследовательских центрах забросили свою текущую работу, чтобы присоединиться к тем, кто бился над разрешением загадки живых часов.

Свои всемирно известные исследования по ориентации птиц в полете Густав Крамер начал в Гейдельбергском университете и продолжил в Институте биологии моря имени Макса Планка в Вильгельмсхафене, расположенном на западном побережье холодного Северного моря. Наблюдая за стремительными перелётами морских птиц к местам гнездовий, Крамер размышлял над вековой загадкой перелётов, над той изумительной точностью, с которой перелётные птицы находят путь к далёкой цели.
Он дивился геройству полярной крачки, этого необыкновенного летуна, что гнездится в полутора сотнях километров от Северного полюса, а с наступлением осени пролетает над Канадой, затем над безжизненными пространствами Атлантического океана к западным берегам Африки и, обогнув мыс Доброй Надежды, остаётся зимовать южнее Порт-Элизабета.
Но полярная крачка не единственный пример совершенства в навигационном искусстве. Новозеландская бронзовая кукушка покрывает расстояние в две тысячи километров, летя через Тасманово море к Австралии, а оттуда ещё полторы тысячи километров на север через Коралловое море к крошечным участкам своих зимовок на архипелаге Бисмарка и Соломоновых островах. Ещё более удивительно, что молодая кукушка, совершая такой перелёт впервые, может проделать его в одиночестве, опередив своих родителей по меньшей мере на месяц.
Окольцованная белоголовая зонотрихия возвращается из года в год на один и тот же куст в саду профессора Л. Мейвальда в Сан-Жозе (штат Калифорния), пролетев три с половиной тысячи километров от мест своих гнездовий на Аляске.
Загадка столь точно нацеленных перелётов очень давно интересовала биологов, и они объясняли это по-разному. И не удивительно: проблема была исключительно сложной, а возможностей научно разрабатывать её тогда ещё не было.
Поэтому, когда Крамер доложил на международном конгрессе орнитологов о результатах своих экспериментов по изучению ориентации птиц, конгресс был изумлён и восхищён.

Р. Петерсон сказал: «Сообщение Густава Крамера об экспериментах со скворцами, показавших, что единственный источник ориентации птиц — солнце, чрезвычайно захватывает и увлекает».
Сфера исследования миграций животных очень обширна, и определение направления миграций, конечно, только один из её аспектов. Но проникновение в один аспект часто приводит к прояснению всей проблемы в целом.
Как мы видели, животные часто мигрируют к очень удалённым местам и там находят конечную, подчас ничтожно малую по размерам цель своего перелёта. Такая точность была бы физически невозможной при отсутствии некоей системы управления, аналогичной системе управления самонаводящейся торпеды.

При этом крайне важно понимать, что такая система управления не может функционировать без постоянного притока информации из окружающего мира. Самонаводящаяся торпеда должна получать сигналы, которые отражаются от цели, иначе она промахнётся. Подобно этому, и животные должны получать сигналы из окружающей среды, иначе направляющий их механизм не сработает.
Но какие сигналы? Информация, поступающая из окружающей среды, может восприниматься либо известными нам органами чувств птицы, либо пока неизвестными. При этом независимо от того, каким образом воспринимается эта информация, она должна быть такой, чтобы птица смогла решить три задачи.

Во-первых, где она находится в данный момент и в каком направлении ей нужно следовать дальше.
Во-вторых, как сохранить направление в полете и как изменить его в случае необходимости.
В-третьих, как узнать место назначения, прилетев туда.

Существует ли какое-то единое чувство, известное или неизвестное нам, благодаря которому птица могла бы получить ответ на все эти вопросы? Попробуем рассмотреть возможные виды информации.
Каждый объект на поверхности Земли излучает тепло. Горячие предметы испускают излучение высокой интенсивности с малой длиной волны, а холодные — низкой интенсивности с большой длиной волны. Поэтому и частота и интенсивность на полюсах будут сильно отличаться от таковых у экватора. Можно было бы предположить, что дальние мигранты улавливают эту разницу. Но, как заметил Гриффин, это было бы слишком простым объяснением способности птиц к ориентации.
Такому объяснению противоречат три факта. Излучение распространяется прямолинейно. Поэтому излучение от объекта, находящегося всего в полутораста километрах от птицы, попадает в точку, расположенную значительно выше уровня обычных полётов птиц. Кроме того, тепловое излучение сильно искажается такими особенностями ландшафта, как леса, озера, пустыни, города, которые вносят в него помехи —так называемый «шум». И наконец, никто до сих пор убедительно не доказал, что птицы могут воспринимать изменения теплового излучения.
Все это касается обычного теплового излучения. А как же быть с чем-то менее очевидным? С магнитным полем Земли, например. Его тоже называли в качестве возможного «компаса» для птиц. Эквипотенциальные линии напряжённости магнитного поля Земли примерно совпадают с параллелями. Если птица ощущает разницу в напряжённости магнитного поля, то она может определить географическую широту своего местонахождения. Или, скажем, магнитное наклонение. Если птица воспринимает его, стрелка её «компаса» будет находиться в горизонтальном положении над экватором и почти вертикальном — у полюсов. Изменение положения этой стрелки скажет птице о том, где она находится. Но и тут возникают препятствия. Опыты показали, что птицы не реагируют на магнитное поле, даже значительно более сильное, чем магнитное поле Земли. Кроме того, экспериментаторам ни разу не удалось научить птиц реагировать на магнитные поля.
Какие же другие особенности окружающей птицу среды могут давать ей информацию о её местоположении? Очевидно, вращение Земли. Угловая скорость её вращения такова, что точка на поверхности Земли, расположенная недалеко от экватора, движется со скоростью около 1 600 км/час. Если птица летит на восток со скоростью 100 км/час, её истинная скорость (относительно солнца) будет около 1 700 км/час, а если она летит на запад, то около 1 500 км/час. Если птица воспринимает эту разницу, то она может, по-видимому, определить направление полёта и географическую широту своего местоположения.
А если птица не летит? Известен случай, когда гуси с подрезанными крыльями прошли несколько километров в направлении своих обычных перелётов. Кроме того, было убедительно показано, что содержащиеся в клетках птицы прекрасно определяют направление.
Итак, мы получили некоторое представление о сложности проблемы, с которой столкнулся Крамер.
Давно известно, что в сезон перелётов птицы, содержащиеся в клетках, обнаруживают так называемое «перелётное беспокойство»: они перепархивают с места на место, но сохраняют при этом определённое направление. Не это ли направление они избрали бы для полёта, если бы были на свободе? На этот вопрос и решил ответить Крамер.
Объектом для своих наблюдений он выбрал европейского скворца, который превосходно переносит содержание в клетках, легко приручается и поддаётся обучению. И вскоре лаборатория в Вильгельмсхафене обзавелась молодыми желторотыми птицами, а Крамер нетерпеливо ждал конца лета, когда начинаются осенние перелёты.
Ещё до наступления прохладных октябрьских дней он установил непрерывное наблюдение за своими скворцами в светлое время суток (поскольку пролёт скворцов идёт днём). Из Вильгельмсхафена скворцы осенью обычно направляются на юго-запад. Предпочтут ли находящиеся в клетках скворцы именно это направление? Ждать Крамеру пришлось недолго: в октябре его птицы нервно бились в юго-западных углах своих клеток.
Какими ориентирами воспользовались птицы? Может быть, каким-нибудь чисто физическим признаком местности вроде дерева или холма? Крамер ставил клетки в различные места, прикрывал нижнюю часть клеток, чтобы скворец мог видеть только небо, но птицы по-прежнему столь же упорно стремились на юго-запад. Следующей весной, когда направление перелётов скворцов изменилось на северо-западное, птицы в своих клетках отдавали предпочтение северо-западному направлению.
Такова суть экспериментального метода, который столь долго искал Крамер. Теперь ему предстояло создать оборудование, чтобы проводить тысячи наблюдений и статистически обрабатывать их.
Была построена круглая клетка с абсолютно симметричной внутренней поверхностью: находящаяся в ней птица не имела никаких ориентиров, по которым она могла бы определить направление. С жёрдочки, расположенной в центре клетки, птица в период перелётного беспокойства постоянно вспархивала, порываясь лететь все время в одном направлении. Прозрачный пластиковый пол позволял наблюдателю, лежащему под клеткой, следить за птицей. Чтобы обеспечить точную регистрацию положения птицы в любой момент, пластик был размечен на ряд секторов.
Самой важной переменой в опытах Крамера было направление света, попадавшего в клетку. Поэтому он поместил экспериментальную круглую клетку в шестигранный павильон, каждая из сторон которого имела окно со ставнями. К внутренней стороне ставней прикреплялось зеркало, изменявшее направление луча света, идущего в клетку. И, наконец, и клетку и экран вокруг павильона можно было вращать.

Установка Крамера, при помощи которой он наблюдал за выбором птицей направления миграционного перелёта (вверху). Когда скворец видел истинное положение солнца, он указывал нормальное северо-западное направление весенней миграции (внизу слева). При изменении солнечных лучей при помощи зеркал на 90° птица поворачивалась на те же 90° (внизу справа).

Когда все было готово, Крамер расположился под прозрачным дном клетки с тетрадью и карандашом в руках и каждые десять секунд записывал, какой из размеченных секторов занимала птица. По утрам в течение по крайней мере часа Крамер отмечал положение птицы и очень скоро убедился, что ни оборудование, ни его собственное присутствие не беспокоят скворцов.
Теперь исследователю уже не мешали неопределённости и неточности, неизбежные при наблюдениях в поле. Лабораторный опыт позволял экспериментатору менять контролируемые условия любым нужным ему образом. Как, например, будут вести себя птицы, если луч света, попавший в клетку, отразится зеркалом под прямым углом к его естественному направлению? Ведь в такой ситуации положение солнца должно казаться находящейся в клетке птице повёрнутым на 90°.
И снова Крамер педантично записывал: «Первые 10 секунд птица в секторе № 8, вторые 10 секунд — в секторе № 9; третьи 10 секунд — в секторе № 7; четвертые 10 секунд — в секторе № 9; пятые 10 секунд — в секторе № 8…» и так далее, пока не сделал более 350 записей в течение всего лишь часа. Вскоре достоверность полученных результатов стала очевидной. Но примут ли их скептически настроенные учёные? Наверняка нет, поскольку из этих результатов следовал совершенно поразительный вывод. И Крамер снова принимается за свои утомительные наблюдения.
Когда же он объявил о своих выводах, научный мир был действительно поражён. Более всего учёных удивил тот факт, что, когда направление солнечных лучей было изменено на 90°, скворцы порывались лететь в новом направлении, повёрнутом на те же 90°. Значит, для определения направления перелёта птицам необходимо взять пеленг по солнцу!
Крамер искал ответ на интересовавшие его вопросы, всячески изменяя условия своего эксперимента. Вращал непрозрачный экран вокруг павильона, так что птицы могли видеть лишь часть неба. Вращал клетку. Прикрывал павильон экранами, чтобы варьировать количество проникающего в него света, имитируя различную степень облачности. Но как бы он ни изменял условия, скворцы всегда выбирали правильное направление, если видели солнце непосредственно.
Крамер, конечно, был знаком с ранней работой Белинг, показавшей, что пчёл можно научить искать пищу в определённом направлении. А что, если попробовать таким же образом обучать птиц?
Исследователь строит круглую дрессировочную клетку, которая так же, как и первая, выглядит изнутри абсолютно симметричной. Но снаружи вокруг клетки он равномерно разместил двенадцать совершенно одинаковых кормушек, прикрытых резиновыми мембранами с прорезями. Пока птица не просовывала клюв сквозь прорезь, она не знала, в какой из кормушек лежит зерно.
Теперь Крамеру нужно было обучить птицу искать пищу в одной какой-нибудь стороне клетки. Он выбрал для этого восточную кормушку и в семь часов утра насыпал в неё зерно. Птица проявила большую настойчивость и после серии попыток обнаружила, что пища лежит только в восточной кормушке. Через 28 дней обучения (дрессировка проходила от 7 до 8 часов утра) скворец усвоил урок.
Пришло время решительной проверки. Крамер перенёс клетку на десять километров и в 17.45 насыпал зерно в восточную кормушку. Как теперь поведёт себя птица?
Во время утренних дрессировок солнце находилось чуть-чуть правее восточной кормушки. Теперь же, к концу дня, оно было позади западной. Будет ли птица и сейчас искать пищу в восточной кормушке или повернёт за ней в направлении солнца? Крамер напряжённо ждал. Скворец немного пометался по клетке, видимо, в нерешительности, а затем, ошибившись всего один раз, повернулся к восточной кормушке.
Итак, птица каким-то образом знала, что для того, чтобы найти восток утра, надо двигаться по направлению к солнцу, а в конце дня — так, чтобы солнце оставалось непосредственно сзади!


Установка Крамера для изучения выбора скворцом направления при фиксированном положении «солнца» (верх). Сначала скворца обучали искать пищу при открытом небе (А) в кормушке, находящейся в западном секторе клетки. Затем загораживали клетку защитным экраном от настоящего солнца и включали фиксированное «солнце».

И птица, принимая искусственное «солнце» за настоящее, искала пищу в восточной кормушке утром (Б), в северной — в полдень (В) и в западной — в конце дня (Г).

Чтобы ещё более утвердиться в своих выводах, Крамер придумал исключительно изящный эксперимент. Прежде всего он обучал скворца находить пищу независимо от времени дня в западной кормушке. Затем он закрыл клетку защитной ширмой от настоящего солнца и осветил её искусственным солнцем, но так, что свет падал все время с одной и той же стороны — с запада.
Что будет делать бедная птица при таком «солнце», которое непрерывно светит с одной и той же стороны? К удивлению сгоравшего от нетерпения Крамера, скворец отнёсся к этому светилу как к настоящему, то есть повёл себя так, словно «солнце» перемещалось, как ему и положено, по небосводу. Поскольку он был обучен искать пищу в любое время дня в западной кормушке, он искал её в восточной кормушке в 6 часов утра, в северной — в полдень и в западной — в 17 часов.
Можно ли было теперь сомневаться в том, что птица с темными переливающимися перьями могла определять время дня с точностью до минуты.
Вот о таких удивительных открытиях сообщил Крамер научному миру в начале 50-х годов. И хотя эти открытия очень быстро принесли ему мировую известность, сам он смотрел на свои достижения глазами непредубеждённого человека. Предстояло сделать ещё очень много, чтобы выяснить, как же именно ориентируются птицы.
Поскольку он показал, что птица определяет направление, ориентируясь по солнцу и учитывая его суточное перемещение, можно было считать, что она обладает солнечным компасом, которым пользуется точно так же, как штурман магнитным компасом для прокладывания курса. Но это было лишь частичным решением проблемы. Ведь человек для определения направления должен иметь ещё и карту, а также знать своё местоположение на этой карте. Значит, для того, чтобы достигнуть конечной цели перелёта, птице тоже необходимо располагать какой-то картой. Но о такой карте пока никто не знал. И Крамер обращается к литературе. Один из английских исследователей, Джеффри Мэтьюз, долгое время изучал поведение почтовых голубей… Мэтьюз выпускал почтовых голубей, предварительно унесённых от голубятни в специально выбранное для этого место (открытые равнины с одинаковой видимостью во все стороны), и следил за направлением их полёта в бинокль до тех пор, пока птица не скрывалась из виду. Эти наблюдения тщательно сопоставлялись со сроками возвращения птиц к гнезду.
Учитывая результаты Мэтьюза, Крамер наметил широкую программу собственных экспериментов, которую он, к сожалению, не смог осуществить.
В поисках хорошо ориентирующихся птиц он начал отлавливать диких голубей в горах Калабрии, на юге Италии. 4 апреля 1959 года во время одного из восхождений он сорвался и погиб.
Густав Крамер неоспоримо доказал, что птицы способны ориентироваться по положению солнца на небосводе с внесением поправок на его перемещение. И объяснялось все это единственным способом — птицы имеют собственные часы. Причём настолько точные, что сравнить их можно разве что с хронометром, которым пользуются штурманы.
Р. Уорд «Живые часы»
Источник: www.perunica.ru

Источники:

https://subscribe.ru/group/razumno-o-svoem-i-nabolevshem/16513576/?utm%5Fcampaign=subscribe%2Dgroup%2Dgrp&utm%5Fsource=subscribe%2Dgroups&utm%5Fmedium=email


GPS и теория относительности.

GPS-приемник в самолете определяет свое текущее положение и направление путем сравнения сигналов времени, получаемых с разных GPS-спутников (обычно от 6 до 12) и трилатерации по текущему положению каждого из спутников. Так достигается замечательная точность: даже простенький карманный GPS-приемник может определить вашу абсолютную позицию относительно поверхности Земли с точностью от 5 до 10 метров всего за несколько секунд (с помощью разностных техник, сравнивающих два близлежащих приемника, точности порядка сантиметров или миллиметров в относительном положении часто достигаются в течение часа или около того). GPS-приемник в машине и вовсе может получать точные значения местоположения, скорости и направления в реальном времени!

Для достижения такой точности сигналы времени, поступающие со спутников GPS, должны быть известны с точностью 20-30 наносекунд. Однако из-за постоянного движения спутников относительно наблюдателя на Земле, для достижения желаемых 20-30 наносекунд погрешности, необходимо учитывать эффекты, предсказываемые общей и специальной теорией относительности.
Так как наблюдатель на земле видит спутники в движении, специальная теория относительности (СТО) утверждает, что мы должны видеть, будто их часы отсчитывают время медленнее (см. лекцию об СТО). СТО говорит, что бортовые атомные часы на спутниках должны запаздывать по сравнению с земными примерно на 7 микросекунд в день из-за меньшей скорости хода ввиду релятивистского замедления времени.

Кроме того, спутники находятся на орбитах на большом расстоянии от Земли, где кривизна пространства-времени из-за массы Земли меньше, чем на земной поверхности. Прогноз общей теории относительности (ОТО) в том, что ход часов, расположенных ближе к массивному объекту, будет казаться медленнее, чем тех, что находятся дальше от него (см. лекцию о черных дырах). По сути, будучи наблюдаемыми с земной поверхности, часы на спутниках кажутся более быстрыми, чем аналогичные часы на земле. Расчеты, опирающиеся на ОТО, показывают, что часы на каждом спутнике GPS должны спешить относительно земных на 45 микросекунд в день.

Комбинация этих двух релятивистских эффектов означает, что часы на борту каждого спутника должны идти быстрее, чем аналогичные часы на земле примерно на 38 (45 — 7 = 38) микросекунд в день! Звучит как маленькая величина, но высокая точность, требуемая в системе GPS, требует наносекундных погрешностей, в то время как 38 микросекунд равны 38 тысячам наносекунд.

Если бы эти эффекты не были приняты в расчет, то координаты, вычисленные на основе облака GPS-спутников, были бы неверными уже через две минуты, а ошибки в глобальных местоположениях продолжали бы накапливаться со скоростью примерно 10 километров в день!

Вся система была бы абсолютно непригодной для навигации через очень маленький промежуток времени. Такой вид накапливаемой ошибки сродни поиску моего местоположения, когда я стою на крыльце своего дома в Колумбусе (штат Огайо) в один день, и когда я выполняю такой же поиск неделей позже, мой GPS-приемник говорил бы мне, что я стою на своем крыльце и я примерно на высоте 5 тысяч метров где-то над Детройтом.

Инженеры, проектировавшие GPS, включили эти релятивистские эффекты в свои расчеты во время проектирования и развертывания системы. К примеру, для нейтрализации эффекта, описываемого ОТО, они замедлили ход атомных часов перед их запуском, так что будучи на своих орбитах, они шли бы с той же скоростью, что и эталонные атомные часы на наземных станциях GPS. Кроме того, в каждый GPS-приемник встроен микрокомпьютер, который (помимо прочего) выполняет необходимые релятивистские вычисления в момент определения местоположения пользователя.

Относительность — не просто какая-то абстрактная математическая теория: понимание ее является необходимым условием правильной работы GPS!+
https://habr.com/ru/company/ivideon/blog/230117/

*****************
Данный эффект, наряду с гравитационным замедлением времени учитывается в спутниковых системах навигации. Например, в GPS ход времени часов спутников скорректирован на разницу с поверхностью Земли[2], составляющую суммарно 38 микросекунд в день[3][4].

****************************
Навигационные спутники движутся со скоростью около 14000 км в час. Из-за относительности частота синхронизации на спутниках ГНСС может дрейфовать на 38 микросекунд в день, что даст ошибку позиционирования порядка 10 км – если не принимать этот фактор во внимание, сообщает журнал GPS World.
http://vestnik-glonass.ru/news/tech/gnss-uchityvayut-misticheskie-iskazheniya-vremeni-okolo-chyernoy-dyry/
«…поскольку спутники постоянно в движении относительно наблюдателей на Земле, эффект, предсказанный Специальной и Общей теориями относительности, должен приниматься во внимание, чтобы иметь необходимую точность в 20-30 наносекунд, — пишет Ричард В. Поджи в статье «Относительность в реальном мире: ГНСС», опубликованной Университетом штата Огайо. – поскольку наблюдатель на земле видит спутники в движении относительно себя,
Специальная теория относительности предсказывает, что мы должны увидеть, что их часы тикают медленнее. Бортовые атомные часы на спутниках, согласно этой теории, должны отставать от часов на земле на 7 микросекунд в день. Вместе с тем, Общая теория относительности прогнозирует, что из-за меньшего поля тяготения, часы на ГНСС-спутниках будут идти быстрее, чем часы на земле – на 45 микросекунд в день («эффект близнецов» наоборот!).
Комбинация этих двух релятивистских эффектов даёт в сумме 38 в день – настолько будут спешить спутниковые часы. Казалось бы, немного, однако точность ГНСС требует наносекундной точности, а 38 микросекунд – это 38000 наносекунд.
Если эти эффекты не брать во внимание, навигационная привязка уже через две минуты станет неверной, и ошибки глобального позиционирования будут продолжать накапливать по 10 км каждый день. Весьма скоро вся система станет бесполезной для навигации».

Иллюстрация: 900igr.net

Поделиться.

Об авторе

Наука и Жизнь Израиля

Прокомментировать

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.