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%.

Химические лазеры. Сравнительно недавно установлено, что в ре- зультате реакции атомарного водорода с молекулярным хлором образу- ется х