Какие ученые экспериментально подтвердили это положение: Учёные подтвердили существование «кристаллов времени» — фазового состояния вещества с нарушением временной симметрии / Хабр

Учёные подтвердили существование «кристаллов времени» — фазового состояния вещества с нарушением временной симметрии / Хабр

Структура кристалла времени периодически повторяется не только в пространстве, но и во времени. Например, кольцо охлаждённых атомов в слабом магнитном поле

Итак, больше это не пустые разговоры и не голая теория. На прошлой неделе в авторитетном журнале Physical Review Letters опубликована научная статья старшего преподавателя (assistant professor) физики Калифорнийского университета в Беркли Нормана Яо (Norman Yao) с коллегами, в которой он приводит схему для создания кристалла времени и методику регистрации состояний, характерную именно для этой новой формы материи.

Теперь построен мост между теорией и реальностью — эксперимент по созданию кристаллов времени может повторить каждый, и эту теорию нобелевского лауреата Вилчека можно считать подтверждённой экспериментально.

В 2012 году выдающийся физик Франк Вилчек выдвинул гипотезу «кристаллов времени». Она становится понятна, если представить существование кристалла в пространстве-времени немного с другой стороны, чем это принято. Обычно принято рассматривать кристаллическую решётку в пространстве, но Франк Вилчек предложил посмотреть на неё также во времени.

Если посмотреть на атомы кристаллической решётки таким образом, то в стабильном внешне кристалле происходят некие внутренние энергетические колебания. Расчёты Вилчека показали, что атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени, возвращаясь в исходное положение спустя разные интервалы времени, тем самым нарушая временную симметрию. Получается, что без потребления или производства энергии временные кристаллы будут находиться в «основном состоянии», но циклически изменять структуру, что с точки зрения физики определяется как вечное движение.

В сентябре 2016 года Крис Монро (Chris Monroe) в лаборатории Мэрилендского университета в Колледж-Парке создал первый временной кристалл. Его идея состояла в том, чтобы создать квантовую систему в виде группы ионов, расположенных кольцом. При охлаждении кольца энергетическое состояние системы понизится до минимального уровня, то есть «основного состояния». Крис Монро для создания «основного состояния» кольца взял ионы иттербия. Он использовал квантовые взаимодействия, чтобы заставить ионы иттербия войти в основное состояние, а потом и зафиксировать нарушение временной симметрии. Научная работа выложена на arXiv.org.

После группы Монро успешный эксперимент с созданием кристаллов времени провели коллеги из Гарвардского университета (ведущий автор исследования — Михаил Лукин, сотрудник Гарварда), используя совершенно другую экспериментальную установку с плотно упакованным азот-вакансионными центрами в алмазах. Они тоже опубликовали свои результаты на arXiv.org. В гарвардской работе принимал участие Норман Яо, представитель кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли.

Норман Яо одновременно плотно сотрудничал с исследовательскими коллективами Монро и Лукина, что позволило ему детально изучить главные базовые свойства кристаллов времени.

Кристаллы времени периодически повторяют свою структуру, потому что периодически получают энергию извне. По словам старшего преподавателя Яо, это можно сравнить с движением кубика желе, которому дали щелчок пальцем. Получив внешнее энергетическое воздействие, кристаллы времени демонстрируют крайне интересное поведение, что и делает их новым фазовым состоянием вещества. Это широкий класс материалов, которым от природы не свойственно равновесие.

«Это новое фазовое состояние вещества, однозначно, — говорит Норман Яо. — но оно в самом деле классное, потому что это один из первых примеров неравновесного вещества. За последние полвека мы исследовали равновесное вещество, как в металлах и диэлектриках. Мы только сейчас начинаем изучать целый новый мир неравновесного вещества».

Сам Норман Яо с трудом представляет, где можно на практике использовать кристаллы времени. Другие исследователи предполагают, что неравновесные материалы с цикличным повторением структуры во времени могут стать практически идеальными запоминающими устройствами и найдут применение в квантовых компьютерах.

Изменение экспериментальных параметров легко может расплавить кристалл времени до состояния тривиального диэлектрика или разогреть его. Иллюстрация: Норман Яо

В только что опубликованной научной работе Нормана Яо описана схема создания кольца из 10 ионов иттербия, у которых спины электронов взаимодействуют друг с другом, словно кубиты в квантовых компьютерах. Чтобы вывести ионы из равновесия, их облучают лазерным импульсом для создания слабого магнитного поля, а второй лазер частично раскручивает спины атомов, многократно повторяя это воздействие. Поскольку спины взаимодействуют друг с другом, атомы переходят в повторяемый паттерн взаимодействий, который определяет структуру кристалла. Такая схема использовалась во время вышеупомянутого эксперимента в Мэрилендском университете.

В кристалле времени электроны формируют во времени кристалл, который не соответствует закреплённой в пространстве симметрии атомов. Именно это определяет его уникальные свойства.

Кристалл времени Мэрилендского университета. Иллюстрация: APS/Alan Stonebraker/Phil Richerme

Ещё одно необычное свойство этого фазового состояния — отклик на взаимодействие с интервалом, который превышает интервал взаимодействия. То есть материал облучают лазером с интервалом T, а материал реагирует с интервалом 2T. Это крайне странное свойство, которое отсутствует в обычных материалах. Представьте кубик желе, который начинает колебаться только со второго щелчка.

В экспериментах группы Михаила Лукина с совершенно другой экспериментальной установкой был зафиксирован такой же феномен нарушения временной симметрии — это доказывает, что кристалл времени действительно представляет собой некое новое фазовое состояние вещества.

Научная статья опубликована 18 января 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi: 10.1103/PhysRevLett.118.030401).

Физики экспериментально подтвердили необратимость процессов в квантовой системе

Физики измерили скорость производства энтропии в двух простейших системах, — оптической полости и бозе-конденсате, — и показали, что экспериментальные зависимости совпадают с теоретическими расчетами. Обе эти системы можно схематически описать с помощью двух связанных гармонических осцилляторов, а их энтропия производится за счет квантовомеханических колебаний. Таким образом, ученые показали, что обратимость законов квантовой механики во времени не противоречит второму закону термодинамики. Статья опубликована в Physical Review Letter, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Энтропию очень удобно использовать, чтобы описывать ход термодинамических процессов: с ее помощью можно измерить и связать между собой такие разные характеристики системы, как температура, беспорядок и информация, а также определить направление процесса и доказать его необратимость. В частности, второй закон термодинамики утверждает, что энтропия замкнутой системы не может убывать — из этого закона следует, что холодное тело не может передать тепло горячему (не затрачивая на это работу), а вечный двигатель второго рода не существует. Другими словами, скорость необратимого производства энтропии всегда не отрицательна. Для незамкнутых систем второй закон немного усложняется: помимо необратимого производства энтропии внутри системы Π(t) необходимо учитывать, что часть энтропии может «утекать» во внешнее пространство с потоком Φ(t). Система находится в состоянии термодинамического равновесия только в том случае, если обе величины обращаются в ноль. Если же они постоянны, но отличны от нуля, говорят, что система достигла неравновесного стационарного состояния (при этом, очевидно, должно выполняться неравенство Π > Φ).

К сожалению, физики до сих пор плохо понимают, почему второй закон термодинамики работает. Проблема в том, что уравнения квантовой механики инвариантны относительно обращения времени (замены t → −t), а закон не убывания энтропии явным образом нарушает эту симметрию. Грубо говоря, законы механики не могут отличить процессы, в результате которых молекулы газа равномерно распределяются по сосуду (энтропия растет) или собираются в одной его половине (энтропия уменьшается), хотя термодинамика запрещает процессы второго типа. Более того, недавно ученые обнаружили системы, которые нарушают второй закон термодинамики, — например, заставили холодное тело отдавать тепло горячему, не совершая над ними работу, или показали, что энтропия системы двух запутанных спинов может уменьшаться. Впрочем, во всех этих случаях второй закон термодинамики можно сохранить, если добавить к классическому определению энтропии «квантовый беспорядок». Тем не менее, физики пытаются придумать эксперименты, которые помогли бы связать законы квантовой механики и термодинамики.

Группа ученых под руководством Маттео Брунелли (Matteo Brunelli) придумала и реализовала на практике такой эксперимент, а также показала, что скорость необратимого производства энтропии простейших систем можно рассчитать в рамках квантовой механики. Для этого физики рассмотрели две простые системы, которые можно схематически описать с помощью двух связанных гармонических осцилляторов, соединенных с тепловыми резервуарами. Скорость необратимого производства энтропии в такой системе можно рассчитать с помощью функции Вигнера, которая описывает квантовые состояния каждого осциллятора и может изменяться со временем. Если усреднить эти функции по пространству состояний, можно связать зависимость Π(t) с заселенностью квантовых уровней и константами связи осцилляторов. Грубо говоря, в этой системе энтропия производится за счет квантовых флуктуаций. При нулевых константах связи флуктуациями можно пренебречь, энтропия не производится, и в системе устанавливается термодинамическое равновесие. В противоположном случае величина Π(t) всегда положительна, что согласуется со вторым законом термодинамики.

В качестве первой системы ученые выбрали оптическую полость, то есть интерферометр Фабри — Перо с подвижной стенкой. Этот интерферометр состоит из двух практически непрозрачных параллельных зеркал, между которыми «бегает» лазерный пучок. Положение этой стенки можно сопоставить координате одного гармонического осциллятора, а число фотонов в оптической полости — координате второго осциллятора. Частоты осцилляторов при этом совпадают, температуры тепловых резервуаров близки к комнатной, а заселенности уровней, отвечающих механической степени свободы, много больше, чем заселенности уровней оптической степени свободы. Из-за этого оптические степени свободы вносят гораздо больший вклад в производство энтропии, чем механические.

Во второй серии измерений физики работали с бозе-конденсатом атомов рубидия-87, пойманных в оптическую ловушку и охлажденных до температуры порядка 40 нанокельвинов. Подробнее про конденсат Бозе — Эйнштейна можно прочитать в статье «Квантовые газы при низких температурах», а про принцип работы оптической ловушки, которая удерживала атомы конденсата, — в материале «Скальпель и пинцет». В этом случае осцилляторам отвечала мода светового поля и мода механических колебаний бозе-конденсата. В результате частота колебаний оптической моды была много больше частоты механических колебаний, температура тепловых резервуаров составляла несколько десятков кельвинов, а заселенность уровней, отвечающих оптическим колебаниям, была много меньше уровней механической степени свободы. Из-за этого форма зависимости Π(t) для бозе-конденсата должна заметно отличаться от формы зависимости для оптической полости.

Наконец, исследователи измерили производство энтропии Π(t) в зависимости от константы связи двух осцилляторов, а затем сравнили их с результатами теоретических расчетов. В результате ученые обнаружили, что зависимости практически совпадают. Поэтому авторы заключают, что скорость производства энтропии действительно можно объяснить с помощью квантовых флуктуаций.

Законы квантового мира во многом отличаются от привычных для нас законов классической механики. В частности, в квантовых системах может нарушаться принцип причинности — другими словами, в них принципиально невозможно установить, в какой последовательности происходят события. Кроме того, квантовый мир не локален, то есть его объекты могут быть связаны даже в том случае, если они разнесены на очень большое расстояние. В частности, на этом свойстве основана квантовая связь, которая позволяет безопасно обмениваться информацией, не опасаясь перехвата сообщений.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Видео с вопросами: Определение цели научных экспериментов

Стенограмма видео

Какое из следующих утверждений
наиболее правильно описывает цель проведения эксперимента? Теперь нам дали четыре
заявления здесь. Итак, давайте перейдем к ним один за другим и
посмотрите, какой из них правильный. Номер один, эксперимент
проводится для открытия новых явлений.

Итак, давайте подумаем над этим
один. Цель эксперимента
действительно открывать новые явления? Ну, иногда, когда мы проводим
эксперимент, мы можем открыть новые явления. Что-то неожиданное произойдет, если
скажем, например, ученый, проводящий эксперимент, делает что-то не так, или
если экспериментальная установка не работает должным образом, или просто что-то совпало
происходит не то, что мы ожидаем.

И это может оказаться новым
явление. Однако действительно ли ученый
поставить эксперимент и провести его, чтобы обнаружить это новое явление? Ну нет. Возможно, им повезло и
открыли что-то новое, но не это было целью проведения
эксперимент. Так что это не ответ на
наш вопрос.

Давайте перейдем к номеру два
тогда. Проводится эксперимент, чтобы
генерировать наблюдения об известном явлении. Теперь этот кажется немного
больше похоже на ответ. Это предполагает, что мы
провести эксперимент, чтобы лучше узнать известное явление. Однако это утверждение весьма
нечеткий. Это просто говорит о чем-то
генерация наблюдений.

Так что да, это ближе к
правильный ответ, но, на наш взгляд, он все еще слишком расплывчатый. Так что это не тот ответ, который мы
находясь в поиске. Номер три, эксперимент
выполняется для проверки предсказания. Вот это уже больше похоже. Это очень специфично. Мы проводим эксперимент, чтобы проверить
прогноз. Вся идея в том, что мы подходим
с гипотезой, представлением о том, что может происходить, чтобы описать
известное явление.

Затем мы используем эту гипотезу
с предсказаниями, которые мы можем проверить с помощью эксперимента. И весь смысл в этом
Эксперимент заключается в проверке предсказаний, сделанных гипотезой. А значит, эксперимент
специально разработан для проверки этих предсказаний. И мы можем понять, почему это утверждение
лучше, чем номер два, потому что номер два, как мы уже говорили ранее, слишком
нечеткий. Он просто говорил о создании
наблюдения, которые, как вы понимаете, не для нас.

Нам нужно быть очень, очень
специфический. Мы разрабатываем этот эксперимент, чтобы
проверить это предсказание, сделанное этой гипотезой. Это позволяет нам быть более
систематически с нашей наукой. Мы не просто хотим быть волнистыми
и генерировать наблюдения. Мы хотим специально протестировать
предсказание, сделанное гипотезой. Таким образом, мы можем быть систематичными, т.к.
мы сказали, потому что мы можем проверить все предсказания, сделанные одной гипотезой, а затем
перейти к следующей гипотезе.

В сущности, так лучше для
административной части науки, потому что тогда мы можем очень тщательно проверять гипотезы и их
предсказания. Таким образом, номер три выглядит как
правильный ответ на наш вопрос. Но давайте просто убедимся, что
цифра четыре действительно неверна. Номер четыре говорит, что эксперимент
выполняется для подтверждения гипотезы. Теперь это утверждение очень и очень
неправильно и очень опасно. Почему это?

Ну, мы никогда не сможем подтвердить
гипотеза, потому что так работает наука. Мы выдвигаем гипотезу и
проверить это экспериментом. Если результат эксперимента
не согласуется с предсказаниями, сделанными гипотезой, то сразу же мы знаем, что
гипотеза не может быть верной. Но если результаты эксперимента
согласиться с гипотезой, то все, что мы можем сказать, это то, что у нас есть веские доказательства в пользу
гипотеза находится в правильном направлении.

Однако мы не можем подтвердить
гипотеза, потому что нам, возможно, просто повезло, и мы получили правильные результаты. Или гипотеза, возможно, дала
правильный прогноз по неправильным причинам. Также эксперимент, который мы проводим
никогда не следует выполнять для подтверждения гипотезы, потому что, как мы уже говорили, мы
не может подтвердить гипотезу, но и это утверждение говорит о том, что ученые
уже верит, что гипотеза верна, и они просто ищут экспериментальные
результаты, подтверждающие это.

Очень похоже на
предвзятость подтверждения, когда вы предполагаете, что что-то верно, а затем ищете
результаты, чтобы поддержать вас. И это не то, как наука
работает. Мы всегда должны быть
открытый. Так что номер четыре не наш правильный
ответь либо. Теперь просто прояснить этот финал
указать, почему номер четыре неверен, давайте рассмотрим пример.

Допустим, у нас есть этот холм, и
у нас есть мяч на вершине холма или почти на вершине холма. Допустим, мы предполагаем, что
мяч телепортируется оттуда, где он сейчас находится, к подножию холма, и мы выдвигаем гипотезу
что нужно 10 секунд, чтобы добраться туда. Итак, что мы делаем, так это проводим
эксперимент. Ставим мяч на старт
должность. А потом проверяем где 10
секунд спустя. Ну, через 10 секунд это действительно заканчивается
там, где мы ожидали, что это будет.

Таким образом, наши экспериментальные результаты совпадают
с тем, что мы предсказывали. Но значит ли это, что наша
гипотеза подтверждается? Ну нет. Это было бы нелепо. Как мы уже говорили ранее, мы только что получили
счастливый. Гипотеза о том, что мяч
телепорты с вершины холма к подножию холма дали нам право
ответ по неправильным причинам. На самом деле, наверное, просто прокатило
вниз по склону, и на это ушло 10 секунд.

Однако, чтобы мы обнаружили, что
предполагая, что мы этого еще не знали, нам пришлось бы проводить дальнейшие
эксперименты. Мы должны были бы проверить пять секунд
позже, где мяч был. И мы бы поняли, что мяч был
где-то на полпути вниз по холму через пять секунд после того, как мы его выпустили. И тогда мы поймем, что это
наверное не телепортируется. Но тогда, возможно, он телепортировался из
сюда сюда. Так что, возможно, нам нужно пересмотреть наши
гипотеза.

Вот в чем суть. Мы никогда не сможем подтвердить
гипотеза. Единственное, что мы можем сделать, это
провести несколько различных экспериментов, чтобы проверить различные предсказания, сделанные
гипотеза. И чем больше доказательств того, что
мы заключаем, что согласуется с предсказаниями, сделанными гипотезой, тем больше и больше
скорее всего, гипотеза верна.

Но мы никогда не сможем на 100 процентов
подтверди это. Мы можем только приблизиться. Но все же, возвращаясь к нашему
вопрос, наш окончательный ответ заключается в том, что эксперимент проводится для проверки
прогноз.

экспериментов и гипотез | Биология для специальностей II

Результаты обучения

• Сформулируйте гипотезу и используйте ее для разработки научного эксперимента

Теперь сосредоточимся на методах научного исследования. Наука часто включает наблюдения и разработку гипотез. Эксперименты и дальнейшие наблюдения часто используются для проверки гипотез.

Научный эксперимент — это тщательно организованная процедура, при которой ученый вмешивается в систему, чтобы что-то изменить, а затем наблюдает за результатом изменения. Научные исследования часто включают в себя проведение экспериментов, хотя и не всегда. Например, ученый, изучающий брачное поведение божьих коровок, может начать с подробных наблюдений за божьими коровками, спаривающимися в их естественной среде обитания. Хотя это исследование может и не быть экспериментальным, оно является научным: оно включает в себя тщательное и поддающееся проверке наблюдение за миром природы. Затем тот же ученый мог бы обработать некоторых божьих коровок гормоном, который, как предполагается, вызывает спаривание, и наблюдать, спариваются ли эти божьи коровки раньше или чаще, чем нелеченные. Это можно квалифицировать как эксперимент, потому что сейчас ученый вносит изменения в систему и наблюдает за эффектами.

Формирование гипотезы

При проведении научных экспериментов исследователи выдвигают гипотезы для планирования эксперимента. Гипотеза – это предполагаемое объяснение, которое можно проверить и опровергнуть. Вы должны иметь возможность проверить свою гипотезу, и должна быть возможность доказать ее истинность или ложность.

Например, Майкл наблюдает, что клены осенью теряют листья. Затем он мог бы предложить возможное объяснение этому наблюдению: «холодная погода заставляет клены осенью сбрасывать листья». Это утверждение можно проверить. Он мог выращивать клены в теплом закрытом помещении, например в теплице, и смотреть, опадают ли их листья осенью. Гипотеза также фальсифицируема. Если листья все еще опадали в теплой среде, то очевидно, что температура не была основным фактором, вызывающим опадение кленовых листьев осенью.

В приведенном ниже разделе «Попробовать» вы можете попрактиковаться в распознавании научных гипотез. Размышляя над каждым утверждением, постарайтесь думать как ученый: могу ли я проверить эту гипотезу наблюдениями или экспериментами? Является ли утверждение фальсифицируемым? Если ответ на любой из этих вопросов «нет», утверждение не является действительной научной гипотезой.

Практические вопросы

Определите, является ли каждое следующее утверждение научной гипотезой.

Загрязнение воздуха автомобильными выхлопами может вызвать симптомы у людей, страдающих астмой.

1. Нет. Это утверждение нельзя проверить или опровергнуть.
2. Нет. Это утверждение не подлежит проверке.
3. Нет. Это утверждение невозможно опровергнуть.
4. Да. Это утверждение можно проверить и опровергнуть.

Показать Ответ

Стихийные бедствия, такие как торнадо, являются наказанием за плохие мысли и поведение.

1. Нет. Это утверждение нельзя проверить или опровергнуть.
2. Нет. Это утверждение не подлежит проверке.
3. Нет. Это утверждение невозможно опровергнуть.
4. Да. Это утверждение можно проверить и опровергнуть.

Показать ответ

Тестирование вакцины

Давайте рассмотрим научный процесс, обсудив реальный научный эксперимент, проведенный исследователями из Вашингтонского университета. Эти исследователи исследовали, может ли вакцина снизить заболеваемость вирусом папилломы человека (ВПЧ). Экспериментальный процесс и результаты были опубликованы в статье под названием «Контролируемое испытание вакцины против вируса папилломы человека типа 16».

Предварительные наблюдения, сделанные исследователями, проводившими эксперимент с ВПЧ, перечислены ниже:

• Вирус папилломы человека (ВПЧ) является наиболее распространенным вирусом, передающимся половым путем в Соединенных Штатах.
• Существует около 40 различных типов ВПЧ. Значительное число людей, инфицированных ВПЧ, не подозревают об этом, потому что многие из этих вирусов не вызывают никаких симптомов.
• Некоторые типы ВПЧ могут вызывать рак шейки матки.
• Около 4000 женщин в год умирают от рака шейки матки в США.

Практический вопрос

Исследователи разработали возможную вакцину против ВПЧ и хотят ее протестировать. Какова первая проверяемая гипотеза, которую должны изучить исследователи?

1. ВПЧ вызывает рак шейки матки.
2. Люди не должны заниматься незащищенным сексом со многими партнерами.
3. Люди, получившие вакцину, не заразятся ВПЧ.
4. Вакцина против ВПЧ защитит людей от рака.

Показать ответ

Experimental Design

Вы успешно определили гипотезу исследования ВПЧ, проведенного Вашингтонским университетом: люди, получившие вакцину против ВПЧ, не заразятся ВПЧ.

Следующим шагом будет разработка эксперимента, который проверит эту гипотезу. Есть несколько важных факторов, которые следует учитывать при планировании научного эксперимента. Во-первых, у научных экспериментов должна быть экспериментальная группа. Это группа, которая получает экспериментальное лечение, необходимое для проверки гипотезы.

Экспериментальная группа получает вакцину, но как мы можем узнать, повлияла ли вакцина? Многие факторы могут со временем изменить уровень инфицирования ВПЧ в группе людей. Чтобы ясно показать, что вакцина помогла экспериментальной группе, нам нужно включить в наше исследование аналогичную контрольную группу, которая не получает лечения. Затем мы можем сравнить две группы и определить, повлияла ли вакцина. Контрольная группа показывает нам, что происходит в отсутствие изучаемого фактора.

Однако контрольная группа не может получить «ничего». Вместо этого контрольная группа часто получает плацебо. Плацебо — это процедура, которая не имеет ожидаемого терапевтического эффекта, например, введение человеку сахарной пилюли или инъекции, содержащей только простой физиологический раствор без лекарств. Научные исследования показали, что «эффект плацебо» может изменить результаты эксперимента, потому что, когда людям говорят, что они лечатся или не лечатся, это знание может изменить их действия или их эмоции, которые затем могут изменить результаты эксперимента.

Более того, если врач знает, к какой группе относится пациент, это тоже может повлиять на результаты эксперимента. Не говоря об этом прямо, врач может показать — с помощью языка тела или других тонких сигналов — свое мнение о том, выздоровеет ли пациент. Эти ошибки могут затем изменить опыт пациента и изменить результаты эксперимента. Поэтому многие клинические исследования являются «двойными слепыми». В этих исследованиях ни врач, ни пациент не знают, к какой группе относится пациент, пока не будут собраны все экспериментальные результаты.

Как лечение плацебо, так и двойное слепое исследование предназначены для предотвращения систематической ошибки. Смещение — это любая систематическая ошибка, которая делает конкретный результат эксперимента более или менее вероятным. Ошибки могут случиться в любом эксперименте: люди ошибаются в измерениях, приборы выходят из строя, компьютерные сбои могут изменить данные. Но большинство таких ошибок случайны и не дают преимущества одному результату перед другим. Вера пациентов в лечение может повысить вероятность того, что оно «работает». Плацебо и двойные слепые процедуры используются, чтобы уравнять правила игры, чтобы к обеим группам испытуемых относились одинаково и у них были одинаковые представления об их лечении.

Практические вопросы

Ученые, изучающие эффективность вакцины против ВПЧ, проверят свою гипотезу, разделив 2392 молодых женщин на две группы: контрольную и экспериментальную. Ответьте на следующие вопросы об этих двух группах.

1. Какая из следующих групп, скорее всего, представляет собой контрольную группу?
   1. Эта группа получает плацебо.
   2. Эта группа преднамеренно инфицирована ВПЧ.
   3. Этой группе ничего не дается.
   4. Эта группа получает вакцину против ВПЧ.
2. Какая из следующих групп, скорее всего, представляет собой экспериментальную группу?
   1. Эта группа получает плацебо.
   2. Эта группа преднамеренно инфицирована ВПЧ.
   3. Этой группе ничего не дается.
   4. Эта группа получает вакцину против ВПЧ.

Показать ответы

Экспериментальные переменные

Переменная — это характеристика субъекта (в данном случае человека, участвующего в исследовании), которая может меняться во времени или у разных людей. Иногда переменная принимает форму категории, например, мужчина или женщина; часто можно точно измерить переменную, например рост. В идеале в научном эксперименте между контрольной и экспериментальной группами различается только одна переменная. В противном случае исследователи не смогут определить, какая переменная вызвала какие-либо различия в результатах. Например, представьте, что люди из контрольной группы были в среднем гораздо более сексуально активны, чем люди из экспериментальной группы. Если в конце эксперимента уровень инфицирования ВПЧ в контрольной группе был выше, могли бы вы с уверенностью определить, почему? Возможно, подопытные были защищены вакциной, а может быть, их защитил их низкий уровень сексуальных контактов.

Чтобы избежать этой ситуации, экспериментаторы должны убедиться, что их группы испытуемых максимально похожи по всем переменным, кроме той, которая тестируется в эксперименте. Эта переменная или фактор будет преднамеренно изменена в экспериментальной группе. Одна переменная, которая различается между двумя группами, называется независимой переменной. Известно или предполагается, что независимая переменная вызывает некоторый результат. Представьте себе исследователя в области образования, исследующего эффективность новой стратегии обучения в классе. Экспериментальная группа получает новую стратегию обучения, а контрольная группа получает традиционную стратегию. Именно стратегия обучения является независимой переменной в этом сценарии. В эксперименте независимая переменная — это переменная, которую ученый намеренно изменяет или навязывает испытуемым.

Зависимые переменные являются известными или предполагаемыми последствиями; это эффекты, возникающие в результате изменений или различий в независимой переменной. В эксперименте зависимые переменные — это те, которые ученый измеряет до, во время и особенно в конце эксперимента, чтобы увидеть, изменились ли они, как ожидалось. Зависимая переменная должна быть указана так, чтобы было ясно, как она будет наблюдаться или измеряться. Вместо того, чтобы сравнивать «обучение» студентов (что является расплывчатой ​​и трудно поддающейся измерению концепцией), исследователь в области образования может предпочесть сравнить результаты тестов, которые очень специфичны и легко поддаются измерению.

В любом реальном примере многие переменные МОГУТ повлиять на результат эксперимента, однако тестировать можно только одну или несколько независимых переменных. Другие переменные должны быть как можно более похожи между исследовательскими группами и называются контрольными переменными . Для нашего примера исследования образования, если бы контрольная группа состояла только из людей в возрасте от 18 до 20 лет, а экспериментальная группа состояла бы из людей в возрасте от 30 до 35 лет, мы бы не знали, была ли это стратегия обучения или возраст студентов. это сыграло большую роль в результатах. Чтобы избежать этой проблемы, хорошее исследование будет организовано таким образом, чтобы в каждой группе были учащиеся с одинаковым возрастным профилем.