Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Индукцию можно определить как процесс выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов.



 

Обычно различают два основных вида индукции: полную и непол- ную. Полная индукция — вывод какого-либо общего суждения о всех объектах некоторого множества на основании рассмотрения каждого объекта данного множества. Сфера применения такой индукции ограни- чена объектами, число которых конечно. На практике чаще применяется форма индукции, которая предполагает вывод обо всех объектах множе- ства на основании познания лишь части объектов. Такие выводы непол- ной индукции часто носят вероятностный характер. Неполная индукция, основанная на экспериментальных исследованиях и включающая теоре- тическое обоснование, способна давать достоверное заключение. Она на- зывается научной индукцией. По словам известного французского физи- ка Луи де Бройля, индукция, поскольку она стремится раздвинуть уже су- ществующие границы мысли, является истинным источником действи- тельно научного прогресса. Великие открытия, скачки научной мысли вперед создаются в конечном счете индукцией — рискованным, но важ- ным творческим методом.

 

Дедукция — это процесс аналитического рассуждения от общего к част- ному или менее общему.

 

Началом (посылками) дедукции являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие характер общих утверждений, а кон- цом — следствия из посылок, теорем. Если посылки дедукции истинны, то истинны и ее следствия. Дедукция — основное средство доказательст- ва. Применение дедукции позволяет вывести из очевидных истин знания, которые уже не могут с непосредственной ясностью постигаться нашим умом, однако представляются в силу самого способа их получения впол- не обоснованными и тем самым достоверными. Дедукция, проводящаяся по строгим правилам, не может приводить к заблуждениям.

 

 

2.4. НАУЧНОЕ ОТКРЫТИЕ И ДОКАЗАТЕЛЬСТВО

 

Логика открытия. Логический путь научного и технического твор- чества, связанного с открытием, чаще всего начинается с возникновения догадки, идеи, гипотезы. Выдвинув идею, сформулировав задачу, ученый ищет ее решение, а затем уточняет его путем расчетов, проверки опытом.

Открытие — установление новых, ранее неизвестных закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания.


 

За «спиной» любого открытия скрывается приведший к нему терни- стый путь, зачастую извилистый, противоречивый и всегда поучитель- ный. Бытует убеждение, будто открытие — результат случайности, вне- запного озарения мысли, вдохновения, таинственной творческой интуи- ции, подсознательного или даже болезненного состояния психики, спо- собной создавать из обычных впечатлений необычные комбинации, рождать «сумасшедшие» идеи, способные ломать наши обычные пред- ставления.

Пути, ведущие к открытию, действительно причудливы. На такие пути иногда наводит случай. Так, например, выдающийся датский уче- ный X. Эрстед (1777—1851) однажды показывал студентам опыты с элек- тричеством. Рядом с проводником, входящим в электрическую цепь, ока- зался компас. Когда цепь замкнулась, магнитная стрелка компаса вдруг отклонилась. Заметив это, любознательный студент попросил ученого объяснить данное явление. В результате повторных опытов и логических рассуждений ученый сделал великое открытие, заключающееся в уста- новлении связи между магнетизмом и электричеством. Это открытие по- служило в свою очередь базой для изобретения электромагнита и других открытий.

Подобных примеров много, но они не могут убедить нас в том, что от- крытия вообще — результат чистого случая. Случаем ведь нужно уметь воспользоваться. Случай помогает тому, кто упорно работает над осуще- ствлением своей идеи, замысла. Мы видим дом, но не замечаем фунда- мент, на котором он стоит. Фундамент любого открытия и изобрете- ния — это общечеловеческий и личный опыт.

В творческой деятельности ученого нередки случаи, когда творче- ский акт мысли осознается как готовый, и самому автору представляется так, как будто его вдруг «осенило». За способностью как бы «внезапно» схватывать суть дела и чувствовать полную уверенность правильности идеи, по существу, стоит накопленный опыт, приобретенные ранее зна- ния и упорная работа ищущей мысли. При этом каждое новое открытие или изобретение подготовлено множеством предшествующих побед и за- блуждений.

Открытие как разрешение противоречий. Одна из характерных особенностей творческой работы состоит в разрешении противоречий. Любое научное открытие или изобретение представляет собой создание нового, неизбежно связанного с отрицанием старого. В этом заключается диалектика развития мысли. Творческий процесс вполне логичен. Вы- страивается логическая цепь операций, в которой одно звено закономер- но следует за другим: постановка задачи, предвидение идеального конеч- ного результата, отыскание противоречия, мешающего достижению


 

цели, открытие причины противоречия и, наконец, разрешение противо- речия.

Например, в кораблестроении для обеспечения мореходных качеств корабля необходим оптимальный учет противоположных условий: чтобы корабль был устойчив, необходимо делать его шире, а чтобы он был бы- строходнее, целесообразно делать его длиннее и уже. Особенно наглядны технические противоречия в самолетостроении: самолет нужно сделать прочным и легким, атребования прочности и легкости противоположны.

История естествознания и техники свидетельствует, что подавляю- щее большинство изобретений — результат преодоления противоречий. Искушенный естествоиспытатель и опытный изобретатель, как правило, приступая к решению научной или технической проблемы, ясно пред- ставляют, в каком направлении идет развитие науки и техники. Открытия зачастую рождаются в ситуации, когда ученого «загоняют» в тупик пара- доксальные, неожиданные факты, кажущиеся ошибкой в эксперименте, отклонения от законов. Академик П.Л. Капица (1894—1984), лауреат Но- белевской премии по физике 1978 г., однажды сказал, что для физика ин- тересны не столько сами законы, сколько отклонения от них. И это верно, так как, исследуя отклонения, ученые обычно и открывают новые законо- мерности. В ситуации обнаруженного парадокса возникает рабочая гипо- теза, объясняющая и тем самым устраняющая парадокс. Она проверяется экспериментом.

Сделать открытие — значит правильно установить надлежащее ме- сто нового факта в системе теории в целом, а не просто обнаружить его. Когда новые факты вступают в противоречие с существующей теорией, то логика мысли теми или иными путями разрешает это противоречие и при этом всегда в пользу требований новых фактов. Их осмысление ведет

к построению новой теории.

Творческое воображение и интуиция. Творческое воображение по- зволяет по едва заметным или совсем не заметным для простого глаза де- талям, единичным фактам улавливать общий смысл новой конструкции и пути, ведущие к ней. Человек, лишенный творческого воображения и ру- ководящей идеи, в обилии фактов может не увидеть ничего особенного, он к ним привык.

Сила творческого воображения позволяет человеку взглянуть на при- мелькавшиеся вещи новыми глазами и различить в них черты, доселе ни- кем не замеченные. Английскому инженеру было поручено построить че- рез реку мост, который отличался бы прочностью и в то же время не был дорог. Как-то, прогуливаясь по саду, инженер заметил паутину, протяну- тую через дорожку. В ту же минуту ему пришла в голову мысль постро- ить висячий мост на железных цепях.


Существенное значение в воспитании творческого воображения иг- рает искусство. И далеко не случаен тот факт, что ряд крупных физиков и математиков считают красоту и развитое чувство красоты эвристическим принципом науки, существенным атрибутом научной интуиции.

Многие ученые утверждают, что, в частности, музыка способствует развитию интуиции, т.е. умению видеть и преобразовывать в своем вооб- ражении факты так, что в них прослеживается гармония закономерного. Например, академик П. С. Александров (1896—1982) устраивал вечера с прослушиванием классической музыки, и к каждому прослушанному му- зыкальному произведению он находил своеобразное, но интересное сло- весное, соответствующее ему повествование. Известно, что П. Дирак вы- двинул идею о существовании позитрона по соображениям чисто эстети- ческим.

В процессе научного открытия большую роль играет интуиция.

 

Интуиция — способность постижения истины путем прямого ее усмот- рения без обоснования с помощью доказательств.

 

Процесс творчества, осмысление данных чувственного восприятия нередко осуществляется в порядке мгновенного обобщения, своего рода мысленного замыкания, непосредственно от исходных данных к резуль- тату. Происходит быстрая мобилизация прошлого опыта на постижение сути какого-либо факта. Например, опытный врач без рассуждений, по незначительным симптомам сразу схватит суть болезни, а потом уже обосновывает правильность своего чутья.

На вершину обостренного интуитивного чувства человек обычно поднимается, опираясь на прочный фундамент жизненного опыта, на крылья вдохновения. Многие ученые и художники считают, что самыми плодотворными в их творческом процессе являются моменты приливов вдохновения. После каких-то, может быть, очень долгих и мучительных исканий вдруг наступает удивительное чувство творческого порыва и яс- ности сознания. В этот момент человек работает быстро и сам чувствует, что делает хорошо, именно так, как нужно, как ему хотелось. Понятие ин- туиции сближает научное творчество с художественным.

Открытия никогда не появляются на пустом месте. Они возникают в

результате заполнения сознания ученого напряженными поисками реше- ния каких-либо творческих задач. Пытаясь воссоздать психологический

и логический путь, которым ученый идет к открытию, мы сталкиваемся с его удивительной способностью взглянуть на вещи как бы в первый раз, без груза привычных представлений.

Однажды, идя по улице в сильный дождь, Н.Е. Жуковский (1847—1921), погруженный в размышления, остановился перед ручьем, через который ему нужно было перешагнуть. Вдруг его взгляд упал на


кирпич, лежавший посреди потока воды. Ученый стал внимательно всматриваться в то, как под напором воды изменилось положение кирпи- ча, а вместе с этим изменился и характер огибающей кирпич струи воды... На лице ученого вспыхнула радость открытия: вот оно, искомое решение гидродинамической задачи! Многие люди сотни раз видели кирпич, ле- жащий в ручье, и проходили мимо непримечательного для них явления. И только глаз ученого с острой наблюдательностью и силой творческого воображения смог увидеть в этом факте важные черты и открыть законо- мерность явления.

К достижениям всего нового ведут острая наблюдательность, кропот- ливое изучение фактов и сила творческого воображения. В процессе на- учного исследования — экспериментального или теоретического — уче- ный ищет нужное решение проблемы, ведет поиск. Поиск можно вести ощупью, наугад, но можно и целенаправленно. Во всяком творении есть направляющая идея, играющая огромную роль. Это своего рода руково- дящая сила, без нее ученый неизбежно обрекает себя на блуждание в по- темках. Наблюдения, эксперимент, проводимые наобум, без ясно осоз- нанной общей идеи, не могут привести к эффективному результату. «Без идеи в голове, — говорил И.П. Павлов, — вообще не увидишь факта».

Ученый не может знать всех фактов: им нет числа. Значит, из множе- ства фактов должен быть сделан разумный выбор вполне определенных фактов — тех, которые необходимы для понимания сути проблемы. Что- бы не пренебречь какими-либо существенными фактами, нужно заранее знать или интуитивно чувствовать, чего они стоят. Результаты интуитив- ного постижения нуждаются в логическом доказательстве своей истин- ности.

Доказательство. Характерная форма научного мышления — доказа- тельство. Истинность или ложность того или иного утверждения, как пра- вило, не обладает прозрачной очевидностью. Только простейшие сужде- ния нуждаются для подтверждения своей истинности лишь в применении чувственного восприятия. Подавляющее большинство утверждений при- нимается за истинные не на уровне чувственного познания и не отдельно от всех других истин, а на уровне логического мышления, в связи с други-

ми истинами, т.е. путем доказательства.

Во всяком доказательстве имеются: тезис, основания доказательства

(аргументы) и способ доказательства.

 

Тезисом называется положение, истинность или ложность которого вы- ясняется посредством доказательства. Доказательство, посредством которо- го выясняется ложность, называется опровержением.

 

Все положения, на которые опирается доказательство и из которых необходимо следует истинность доказываемого тезиса, называются осно-

6-3290 81


 

ваниями или аргументами. Основания состоят из положений о достовер- ных фактах, определений, аксиом и ранее доказанных положений.

 

Аксиомы — положения, не доказываемые в данной науке и играющие в ней роль допускаемых оснований доказываемых истин.

 

Связь оснований и выводов из них, имеющая результатом необходи- мое признание истинности доказываемого тезиса, называется способом доказательства. Доказательство одного и того же положения науки мо- жет быть различным. Связь оснований, ведущая к истинности доказа- тельного тезиса, не единственная. Так как она не дана вместе с самими ос- нованиями, а должна быть установлена, следовательно, доказательст- во — теоретическая задача. В ряде случаев задача доказательства оказы- вается настолько сложной, что решение ее требует от ученых огромных усилий на протяжении целых десятилетий или даже столетий. В течение почти двух с половиной тысячелетий оставалось недоказанным сущест- вование атома, пока успехи новой экспериментальной и теоретической физики не принесли наконец это доказательство. Гениальная догадка Джордано Бруно (1548—1600) о существовании планет, обращающихся вокруг других звезд, получила доказательное подтверждение только в по- следние десятилетия.

От примитивных способов доказательства, опирающихся на неточ- ные, приблизительные представления, до современных доказательств, основанных на достоверных фактах, точно определяемых понятиях, на свободных от противоречий и достаточных в своем числе аксиомах, а так- же на уже строго доказанных ранее положениях, практика доказательства прошла большой путь совершенствования, подняв умственную культуру на уровень современной науки.

 

 

2.5. ЭКСПЕРИМЕНТ — ОСНОВА ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

 

Практическая направленность эксперимента. Эксперимент явля- ется фундаментальной базой естествознания, наиболее эффективным и действенным средством познания. Для современного эксперимента ха- рактерны три основные особенности:

1) возрастание роли теории при подготовке к эксперименту (все чаще эксперименту предшествует теоретическая работа большой группы уче- ных);

2) сложность технических средств эксперимента, состоящих из мно- гофункциональной электронной аппаратуры, прецизионных механиче- ских устройств, высокочувствительных приборов и т.п.;

3) масштабность эксперимента (некоторые экспериментальные объ- екты представляют собой сложнейшие сооружения крупных масштабов,


 

строительство и эксплуатация которых требуют больших финансовых за-

трат).

Любой эксперимент базируется на взаимодействии субъекта с иссле- дуемым объектом и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным резуль- татам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения, эксперимент разновидность практического действия, пред- принимаемого с целью получения знания. В процессе экспериментального исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются многообразные явления и свойства объектов природы. Основная задача эксперимента заключается в проверке гипотез и выводов теорий, имею- щих фундаментальное и прикладное значение. Являясь критерием есте- ственно-научной истины,

 

эксперимент представляет собой основу научного познания окружающе- го мира.

 

Хотя эксперимент и наблюдение относятся к эмпирическим формам естественно-научного познания, между ними есть существенное разли- чие: эксперимент — преобразующая внешний мир деятельность челове- ка, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта. В экспериментальной работе при ак- тивном воздействии на исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естест- венных либо специально созданных условиях.

В процессе естественно-научного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию исследуемого объекта и создают для него различные управляемые условия. Для этого наряду с моделирующим объектом изготавливаются специальные установки и устройства: барока- меры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т.п., — обеспечи- вающие сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование — единственно возможное средство для эксперимента.

Многие экспериментальные исследования направлены не только на достижение естественно-научной истины, но и на отработку технологий производства новых видов разнообразной продукции, что еще раз под- черкивает практическую направленность эксперимента как непосредст- венного способа отработки и совершенствования любого технологиче- ского цикла.

Экспериментальные средства по своему содержанию не однородны, их можно разделить на три основные, функционально отличающиеся сис- темы:

6* 83


 

1) систему, содержащую исследуемый объект с заданными свойст- вами;

2) систему, обеспечивающую воздействие на исследуемый предмет;

3) сложную приборную измерительную систему.

В зависимости от поставленной задачи данные системы играют раз- ную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества ре- зультаты эксперимента во многом зависят от чувствительности прибо- ров. В то же время при исследовании свойств вещества, не встречающего- ся в природе в обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных средств одинаково важны.

Чем сложнее экспериментальная задача, тем острее проблема повы- шения достоверности полученных результатов. Можно назвать четыре пути решения данной проблемы:

1) многократное повторение операций измерений;

2) совершенствование технических систем и приборов, повышение их точности, чувствительности и разрешающей способности;

3) более строгий учет основных и неосновных факторов, влияющих на исследуемый объект;

4) предварительное планирование эксперимента, позволяющее наи- более полно учесть специфику исследуемого объекта и возможности при- борного обеспечения.

Чем тщательнее предварительно проанализированы все особенности исследуемого объекта и управляемые внешние условия, чем чувствитель- нее и точнее приборы, тем достовернее экспериментальные результаты.

В любом естественно-научном эксперименте можно выделить три ос- новных этапа:

1) подготовительный;

2) сбор экспериментальных данных;

3) обработка результатов эксперимента и их анализ. Подготовительный этап обычно сводится к теоретическому обосно-

ванию эксперимента, его планированию, изготовлению образца или мо-

дели исследуемого объекта, конструированию и созданию технической базы, включающей приборное обеспечение. Результаты, полученные на хорошо подготовленной экспериментальной базе, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов экс- перимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объ- екта и сопоставить его с известным теоретическим либо эксперименталь- ным значением, полученным другими техническими средствами, что очень важно при определении правильности и степени достоверности окончательных результатов.


 

Обработка экспериментальных результатов. После сбора первых

экспериментальных данных процедура эксперимента продолжается. Во-первых, как правило, единичные результаты нельзя считать оконча- тельным решением поставленной задачи. Во-вторых, такие результаты нуждаются в логической доработке, превращающей их в научный факт, в истиности которого не возникает сомнений. Отдельные эксперименталь- ные данные, полученные на начальной стадии исследования, могут со- держать ошибки, связанные с некорректной постановкой эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. д. Поэтому, как правило, прово- дится не один эксперимент, а серия экспериментов, в которых уточняют- ся и проверяются результаты измерений, собираются недостающие све- дения, проводится их предварительный анализ. Затем полученные экспе- риментальные данные обрабатываются в рамках математической теории ошибок, позволяющей количественно оценить достоверность оконча- тельных результатов. Сколь бы точными ни были наблюдения и измере- ния, погрешности неизбежны, и задача естествоиспытателя заключается

в том, чтобы приблизить экспериментальные данные к объективным зна- чениям определяемых величин, т. е. уменьшить интервал неточности.

Современная статистическая теория ошибок вооружает эксперимен- таторов надежными средствами корректировки экспериментальных дан- ных. Статистическая обработка — не только эффективное средство уточ- нения экспериментальных данных, отсеивания случайных ошибок, но и первый шаг обобщения их в процессе формирования научного факта. Ра- зумеется, статистическая обработка — необходимая, но не достаточная операция при переходе от эмпирических данных к естественно-научному факту.

После уточнения экспериментальных результатов начинается их сравнение и обобщение, которое еще не означает окончательного уста- новления научного факта. Вновь зафиксированное явление или свойство объекта становится научным фактом только после его интерпретации. Та- ким образом, научный факт, полученный в эксперименте, представляет собой результат обобщения совокупности выводов, основанных на на- блюдениях, и измерениях характеристик исследуемого объекта при пред- сказании их в виде гипотезы.

 

 

2.6. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

 

Специфика современных экспериментальных и теоретических исследований. На всех этапах эксперимента естествоиспытатель руко- водствуется в той или иной форме теоретическими знаниями. В последнем


 

столетии в силу ряда объективных причин основной профессиональной деятельностью некоторых ученых стала исключительно теоретическая работа. Одним из первых ученых, который не проводил никаких экспери- ментов, был немецкий физик М. Планк.

Произошло, таким образом, деление естествоиспытателей на профес- сиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях есте- ствознания возникли экспериментальные и теоретические направления и

в соответствии с ними появились специализированные лаборатории. Соз- даны научные подразделения и даже институты теоретического профиля, например Институт теоретической физики. Такой процесс активизиро- вался во второй половине XX в. В прежние времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения.

В последние же десятилетия только в исключительных случаях теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить свои теретиче- ские выводы.

Одна из объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что современные технические средства довольно сложны. Экспериментальная работа тре- бует концентрации больших усилий — она не под силу одному ученому и выполняется в большинстве случаев целым коллективом научных работ- ников. Например, в проведении эксперимента с применением ускорите- ля, реактора и т. п. принимает участие относительно большая группа ис- следователей. В подобных случаях даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические результаты.

Еще в 60-е годы XX в., когда практически все отрасли естествознания находились на подъеме, академик П.Л. Капица с тревогой говорил о раз- рыве между теорией и экспериментом, между теорией и практикой, отме- чая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, а с дру- гой — недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что на- рушает естественное гармоническое развитие естествознания, возмож- ное только при условии, что теория опирается на современную экспериментальную базу, включающую всевозможное оборудование, большой набор высокочувствительных приборов, специальных материа- лов и т.п. Темпы развития естествознания определяются в основном сте- пенью совершенства такой базы.

Отрыв теории от эксперимента, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Он характе- рен не только для естествознания, но и для философии, связанной с про- блемами естествознания. Ярким примером может служить отношение не-


 

которых «философов» к кибернетике в конце 40-х — начале 50-х годов

XX в., когда в отечественных философских словарях кибернетика назы- валась реакционной лженаукой. Если бы ученые руководствовались та- ким определением, то вряд ли бы стало возможным освоение космоса и создание современных наукоемких технологий, поскольку все сложные многофункциональные процессы вне зависимости от их области приме- нения управляются кибернетическими системами.

Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для развития есте- ствознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться экспериментом. Только гармоничное развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.

Современные методы и технические средства эксперимента. Экс- периментальные методы и технические средства современных естествен- но-научных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие из них основаны на физических принципах. Однако их практиче- ское применение выходит далеко за рамки физики: они широко применя- ются в химии, биологии и многих смежных естественно-научных отрас- лях. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров от- крылась возможность экспериментального исследования неизвестных ранее явлений природы, свойств материальных объектов, быстропроте- кающих физических, химических и биологических процессов.

Лазерная техника. Для экспериментального изучения многих есте- ственных процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:

1) разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;

2) создание ультрафиолетовых лазеров;

3) сокращение длительности импульса лазерного излучения до атто- секунд (1 ас = 10-18 с).

Чем шире спектр излучения лазера, тем он ценнее. Современные лазе- ры с перестраиваемой длиной волны охватывают спектр — от ближней ультрафиолетовой области до инфракрасной, включая видимый диапа- зон. Разработаны лазеры, длина волны излучения которых составляет ме- нее 300 нм, т.е. соответствует ультрафиолетовой области. К ним относит- ся, например, криптон-фторидный лазер.

Минимальная длительность импульсов современных лазеров равна фемтосекундам (1 фс =10-15с). Разрабатываются лазеры с длительностью импульсов излучения, приближающейся к аттосекундам. Такие лазеры,


 

несомненно, позволят расшифровать механизм физических, химических

и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоро- стью.

Сравнительно недавно — в конце 80-х годов XX в. — сотрудник Ка- лифорнийского технологического института, американец египетского происхождения Ахмед Зивэйл исследовал сверхбыструю реакцию распа- да молекул цианида иода, инициируемую импульсами лазерного излуче- ния фемтосекундной длительности. За эту работу он удостоен Нобелев- ской премии по химии 1999 г.

Трудно перечислить все области применения лазеров для исследова- ния многообразных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем са- мым найти способ более эффективного использования солнечной энер- гии; в химической кинетике при анализе различных процессов длитель- ностью 10 -12—10 -18с с помощью лазеров разделяются изотопы, напри- мер, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные прибо- ры служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии они позволяют исследовать живые организмы на клеточном уровне и т.д.

Возможности естественно-научных исследований расширяют лазеры на свободных электронах. Принцип их действия основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Для них характерна важная отли- чительная особенность — перестройка длины волны при большой мощ- ности в широком диапазоне излучения.

Синхротронные источники излучения. Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимо- действия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротрон- ного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. С помощью син- хротронного излучения можно исследовать структуру твердого тела, оп- ределить расстояние между атомами, изучить строение молекул органи- ческих соединений и т.п.

Методы расшифровки сложных структур. Для идентификации, анализа и синтеза сложных химических соединений необходимо опреде- лить состав и структуру их молекул. Современные экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т.п. позволяют исследовать состав и структуру необычайно сложных мо- лекул органических и неорганических веществ.


 

 

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе

взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнит- ным полем. Он применяется в разных отраслях естествознания и, в осо- бенности, в химии синтеза полимеров, и т.п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, структуру сегментов ДНК. Основанный на ЯМР современный томограф позволяет наблюдать картину распределе- ния химических неоднородностей таких крупных объектов, как организм человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том чис- ле и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия обеспечивает анализ спектра излучения вещества в различных агрегатных состояниях. Спектральный ана- лиз — это физический метод качественного и количественного определе- ния состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качест- венном спектральном анализе для интерпретации спектра используются таблицы и атласы, составленные для различных химических элементов и соединений. Состав исследуемого вещества при количественном спек- тральном анализе оценивается по относительной или абсолютной интен- сивности линий или полос спектра. С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спек- трометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обна- ружить отдельную молекулу или атом любого вещества. Лазерный спек- троскопический метод позволяет регистрировать, например, загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

Масс-спектроскопия основана на превращении исследуемого веще- ства в ионизированный газ, ионы которого ускоряются электрическим полем. Масса частиц определяется по радиусу кривизны их траектории и времени пролета. Масс-спектрометрия отличается высокой чувствитель- ностью. С ее помощью можно обнаружить, например, три атома изотопа

14С среди 1016 атомов 12С. Они широко применяются для исследования

структуры химических соединений, определения изотопного состава и строения молекул в разных областях: в производстве интегральных схем, металлургии, нефтяной, фармацевтической, атомной промышленности

и т.п. Для идентификации методом масс-спектроскопии достаточно всего

10 -10 г вещества. Так, в плазме крови масс-спектрометр регистрирует ак- тивное вещество марихуаны с концентрацией 0, 1 мг на килограмм массы тела человека. В сочетании с газовым хроматографом возможности масс-спектроскопии существенно расширились.

Рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции рентгенов- ских лучей, позволяет определить довольно сложные молекулярные


 

структуры неорганических и органических веществ, что способствует

синтезу, например, искусственных ферментов, гормонов роста и т.д.

Нейтронография обладает очень высокой разрешающей способно- стью. Она основана на дифракции пучка нейтронов, формирующихся в ядерных установках, что несколько ограничивает ее применение. Отли- чительная особенность нейтронографии — высокая точность определе- ния расстояния между атомами. Она применяется при определении структуры молекул сверхпроводников, живых организмов и т.п.

 

 

2.7. ВАЖНЕЙШИЕ ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

 

В последние десятилетия благодаря развитию технических средств эксперимента достигнуты значительные успехи в естествознании. Невоз- можно перечислить все естественно-научные достижения, но можно на- звать важнейшие из них: высокотемпературная сверхпроводимость, хи- мические лазеры, молекулярные пучки, атомный лазер, нанотехнология, расшифровка генома человека и т.п., — большинство которых отмечено Нобелевскими премиями.

Высокотемпературная сверхпроводимость. В 1911 г. нидерланд- ский ученый X. Камерлинг-Оннес (1853—1926), исследуя электрическое сопротивление металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до тем- пературы жидкого гелия (4, 2 К) ее электрическое сопротивление скачком уменьшается до нуля, т.е. ртуть переходит в сверхпроводящее состояние.

С течением времени по мере синтеза новых материалов температура пе- рехода в сверхпроводящее состояние (критическая температура) неук- лонно повышалась: в 1941 г. она достигла около 15 К, а в 1973 г. — при- мерно 23 К.

С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости, т.е. сверхпроводимости при относительно высокой температуре. Для четы- рехкомпонентного керамического вещества на основе оксидов меди была достигнута критическая температура 37 К. Затем последовательно через сравнительно короткие промежутки времени она увеличилась до 40, 52,

70, 92 и даже выше 100 К. В 1993 г. обнаружены сверхпроводящие свой- ства ртутьсодержащего металлооксидного вещества при температуре около 170 К, которая достигается при охлаждении не только жидким азо- том, но и более дешевым — жидким ксеноном. Совсем недавно, в мае

2000 г., сообщалось, что даже такой широко распространенный материал,


 

 

как алюминий, способен приобретать сверхпроводящие свойства, однако

не при охлаждении, а при нагревании.

Применение сверхпроводников позволит существенно сократить рас- сеяние энергии в различного рода электрических цепях и особенно при электропередаче, потери в которой в настоящее время составляют около

20%.


Поделиться:



Популярное:

  1. A. Какой заголовок подходит к данному тексту?
  2. BIM как частный случай PLM. Жизненный цикл продукта, жизненный цикл строительного проекта.
  3. D. межгрупповая дискриминация – возможно это неверный ответ
  4. I) индивидуальная монополистическая деятельность, которая проявляется как злоупотребление со стороны хозяйствующего субъекта своим доминирующим положением на рынке.
  5. I. Какое из данных утверждений выражает основную идею текста?
  6. I. Логистика как системный инструмент.
  7. I. Определить жировой компонент.
  8. I. Понятие как форма мышления
  9. I. Предмет, метод и специфика административного права как отрасли права
  10. I. СИСТЕТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
  11. I. Теоретические основы использования палочек Кюизенера как средство математического развития дошкольников.
  12. I. Флагелляция как метод БДСМ


Последнее изменение этой страницы: 2017-03-09; Просмотров: 788; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.102 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь