Текст книги "Концепции современного естествознания"

Эксперимент – разновидность практического действия, предпринимаемого с целью познания окружающего мира. Он позволяет в контролируемых и управляемых условиях исследовать разные явления и свойства объектов природы. Основная задача эксперимента – получение естественно-научных результатов, имеющих фундаментальное или прикладное значение. Являясь критерием естественно-научной истины, эксперимент представляет собой фундаментальную базу естествознания, эффективное средство познания окружающего мира. Многие эксперименты проводятся не только для постижения естественно-научной истины, но и отработки технологических операций.

Для современного эксперимента характерны три особенности:

• возрастание роли начальной стадии эксперимента, которой, как правило, предшествует большая теоретическая работа;

• сложность технических средств эксперимента, состоящих из многофункциональной электронной аппаратуры, прецизионных механических устройств, высокочувствительных приборов;

• масштабность – для проведения некоторых экспериментов возводятся огромные сооружения, строительство и эксплуатация которых требуют больших финансовых затрат.

Любой эксперимент включает операцию наблюдения не только с качественным описанием, но и процедурой измерений. Наблюдение, как и эксперимент, относится к эмпирической форме естественнонаучного познания, но между ними есть различие. В экспериментальной работе при активном воздействии на исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо в специально созданных условиях. А наблюдению свойственны созерцательность и чувственное восприятие таких свойств.

Для проведения эксперимента часто используют физическое моделирование исследуемого объекта и создают различные управляемые условия, для чего изготавливают различные установки и устройства: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т. п., – обеспечивающие сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование – единственно возможный способ исследования.

Экспериментальные средства состоят из функционально различающихся систем:

• исследуемогообъекта с заданными свойствами;

• системы, обеспечивающей управляемые условия для этого объекта;

• измерительнойсистемы.

Чем сложнее экспериментальная задача, тем труднее получить достоверные результаты. Для повышения достоверности результатов необходимо:

• анализировать все факторы, влияющие на исследуемый объект;

• наиболее полно учитывать его специфику и возможности приборного обеспечения;

• использовать аппаратуру и приборы с высокой чувствительностью и разрешающей способностью;

• проводитьмногокра тныеизмерения.

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

В любом эксперименте можно выделить три основных этапа:

• подготовкук эксперименту;

• сборэкспериментальных данных;

• обработкурезульта товэксперимента и их анализ.

Подготовительный этап обычно сводится к обоснованию причинно-следственной связи исследуемого объекта, планированию эксперимента, изготовлению образца или модели, созданию технической базы, включающей приборное обеспечение. Результаты, полученные на хорошо подготовленной экспериментальной базе, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Первые экспериментальные данные нельзя считать окончательными. Они могут содержать ошибки, обусловленные некорректной постановкой задачи эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. д. Поэтому проводят не один, а серию экспериментов для уточнения и проверки полученных данных, которые предварительно анализируют и затем обрабатывают с помощью математической теории ошибок, позволяющей оценить достоверность окончательных результатов. Современная статистическая теория ошибок не только эффективное средство обработки экспериментальных данных, но и первый шаг обобщения их для формирования научного факта. Разумеется, такая обработка необходима, но недостаточна для перехода от эмпирических результатов к естественно-научному факту. Математически обработанные экспериментальные результаты сравниваются с теоретическими либо полученными другим методом. Если при этом не возникает противоречий, полученные результаты после их интерпретации можно считать научным фактом, основанном на наблюдениях и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.

Специфика современных экспериментальных и теоретических исследований. На всех этапах эксперимента естествоиспытатель руководствуется 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 экспериментов, был немецкий физик М. Планк.

В прошлом веке произошло деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории. Созданы научные подразделения и даже институты теоретического профиля, например Институт теоретической физики. Такой процесс активизировался во второй половине XX в. В прежние времена даже великие ученые Ньютон, Гюйгенс, Максвелл и др. сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить свои теоретические результаты.

Одна из объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что современные технические средства довольно сложны. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилий – она не под силу одному ученому и выполняется в большинстве случаев целым коллективом научных работников. Например, в проведении эксперимента с применением ускорителя заряженных частиц либо ядерного реактора принимает участие относительно большая группа исследователей. 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 в нашей стране многие отрасли естествознания находились на подъеме, академик П.Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, а с другой – недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает естественное гармоничное развитие естествознания, возможное только при условии, что теория опирается на современную экспериментальную базу, включающую всевозможное оборудование, большой набор высокочувствительных приборов, специальных материалов и т. п. Темпы развития естествознания определяются в основном степенью совершенства такой базы.

Отрыв теории от эксперимента, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Кроме того, невосполнимый ущерб науке наносится при ошибочном философском толковании естественно-научных проблем. Например, в конце 40-х – начале 50-х годов XX в. в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученые руководствовались таким определением, вряд ли стало бы возможным освоение космоса и создание современных наукоемких технологий, поскольку все сложные многофункциональные процессы вне зависимости от области их применения управляются кибернетическими системами.

Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в естествознание, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Для развития естествознания всякое теоретическое обобщение должно обязательно проверяться экспериментом. Только гармоничное сочетание эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.

Современные методы и технические средства эксперимента. Экспериментальные методы и технические средства современных естественно-научных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие из них основаны на физических принципах. Однако их практическое применение выходит далеко за рамки физики: они широко применяются в химии, биологии и многих смежных естественнонаучных отраслях. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров открылась возможность экспериментального исследования неизвестных ранее явлений природы, свойств материальных объектов, быстропротекающих физических, химических и биологических процессов.

Лазерная техника. Для экспериментального изучения многих явлений и 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 аттосекунд (1 ас = 10^-18с).

Современные лазеры с перестраиваемой длиной волны обеспечивают широкий спектр излучения – от ближней ультрафиолетовой области до инфракрасной, включая видимый диапазон. Например, длина волны излучения криптон-фторидного лазера, что менее 300 нм, соответствует ультрафиолетовой области.

Минимальная длительность импульсов современных лазеров равна фемтосекундам (1 фс = 10-15с). Разрабатываются лазеры с длительностью импульсов, приближающейся к аттосекундам. Такие лазеры позволяют расшифровывать механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.

Сравнительно недавно – в конце 80-х годов XX в. – сотрудник Калифорнийского технологического института, американец египетского происхождения А. Зивэйл исследовал сверхбыструю реакцию распада молекул цианида иода, инициируемую импульсами лазерного излучения фемтосекундной длительности. За эту работу он удостоен Нобелевской премии по химии 1999 г.

Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования разных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер позволяет изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективного использования солнечной энергии; в химической кинетике при анализе различных процессов длительностью 10^-12– 10^-18с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии они позволяют исследовать живые организмы на клеточном уровне и т. д.

Возможности естественно-научных исследований расширяют разработанные сравнительно недавно 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 отличительная особенность – перестройка длины волны при большой мощности в широком диапазоне излучения.

Синхротронные источники излучения. Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. С помощью синхротронного излучения можно исследовать структуру твердого тела, определить расстояние между атомами, изучить строение молекул органических соединений и т. п.

Методы расшифровки сложных структур. Для идентификации, анализа и синтеза сложных химических соединений необходимо определить состав и структуру их молекул. Современные экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгено-структурного анализа, нейтронографии и т. п. позволяют исследовать состав и структуру весьма сложных молекул органических и неорганических веществ.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Он применяется в разных отраслях естествознания. Например, с помощью метода ЯМР можно определить структуру сегментов ДНК. Основанный на ЯМР, современный томограф позволяет наблюдать картину распределения неоднородностей таких крупных объектов, как организм человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия обеспечивает анализ спектра излучения вещества в различных агрегатных состояниях. Спектральный анализ – это физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе для интерпретации спектра используются таблицы и атласы, составленные для различных химических элементов и соединений. Состав исследуемого вещества при количественном спектральном анализе оценивается по интенсивности линий или полос спектра. С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или атом любого вещества. Лазерный спектроскопический метод позволяет регистрировать, например, загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

Масс-спектроскопия основана на превращении исследуемого вещества в ионизированный газ, ионы которого ускоряются электрическим полем. Масса частиц определяется по радиусу кривизны их траектории и времени пролета. Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью. С ее помощью можно обнаружить, например, три атома изотопа ¹⁴C среди 10¹⁶ атомов ¹²C. 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 10-10г вещества. Так, в плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное 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 рентгеновских 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 способностью. Она основана на дифракции пучка нейтронов, формирующихся в ядерных установках, что несколько ограничивает ее применение. Отличительная особенность нейтронографии – высокая точность определения расстояния между атомами. Она применяется при определении структуры молекул сверхпроводников, живых организмов и т. п.

Туннельный микроскоп, разработанный в 80-х годах прошлого века, значительно расширяет возможности экспериментального исследования физических, химических и других свойств вещества на атомном уровне.

В последние десятилетия благодаря развитию технических средств эксперимента достигнуты значительные успехи в естествознании. К важнейшим естественно-научным достижениям относятся: высоко-температурная сверхпроводимость, химические лазеры, молекулярные пучки, атомный лазер, нанотехнология, расшифровка генома человека и др. Многие из них отмечены Нобелевскими премиями.

Высокотемпературная сверхпроводимость. В 1911 г. нидерландский ученый X. Камерлинг-Оннес (1853–1926), исследуя электрические свойства металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры жидкого гелия (4,2 K) ее электрическое сопротивление скачком уменьшается до нуля, т. е. ртуть переходит в сверхпроводящее состояние. С течением времени по мере синтеза новых материалов температура перехода в сверхпроводящее состояние (критическая температура) неуклонно повышалась: в 1941 г. она достигла около 15 K, а в 1973 г. – примерно 23 K.

С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости, т. е. сверхпроводимости при относительно высокой температуре. Для четырехкомпонентного керамического вещества на основе оксидов меди была достигнута критическая температура 376 K. Затем последовательно через сравнительно короткие промежутки времени она увеличилась до 40, 52, 70, 92 и даже выше 100 K. В 1993 г. обнаружены сверхпроводящие свойства металлооксидного вещества при температуре около 170 K, которая достигается при охлаждении не только жидким азотом, но и более дешевым жидким ксеноном. Даже такой широко распространенный материал, как алюминий способен приобретать сверхпроводящие свойства, однако не при охлаждении, а при нагревании.

Применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние энергии в различных электрических цепях и особенно при электропередаче, потери в которой в настоящее время составляют около 20 %.

Химические лазеры. Сравнительно недавно установлено, что в результате реакции атомарного водорода с молекулярным хлором образуется хлороводород и атомарный хлор. При этом излучается инфракрасный свет. Анализ спектра излучения показал, что существенная часть энергии (около 40 %) обусловливается колебательным движением молекул хлороводорода. Исследования такого излучения привели к созданию первого химического лазера – устройства, преобразующего энергию реакции водорода с хлором в когерентное излучение. Химические лазеры отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энергию электрического источника, а энергию химической реакции. Созданы десятки химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования термоядерного синтеза (иодный лазер) и для военных целей (водородно-фторидный лазер). Мощные химические лазеры позволяют разрабатывать специализированные технологические системы. Благодаря энергетической автономии и большой удельной энергии химические лазеры найдут применение при освоении новых технологий в космосе.

Атомный лазер. Одним из важнейших последних достижений естествознания является создание в 1997 г. атомного лазера, способного излучать не свет, а пучок атомов. Пучок атомов обладает необычным свойством – когерентностью, присущей волнам, т. е. он похож на лазерное излучение.

На первой стадии формирования когерентного атомного пучка производился захват атомов натрия магнитной ловушкой. Захваченные атомы подвергались охлаждению, при котором эквивалентные им длины волн увеличиваются. Когда температура приближается к абсолютному нулю, длины волн становятся настолько большими, что они начинают перекрываться и вся группа атомов представляет собой единое целое. Такой конденсат атомов, подчиняющийся статике Бозе – Эйнштейна, был получен в 1995 г. в Американском национальном институте стандартов и технологии университета штата Колорадо. При этом применялся метод лазерного охлаждения и удержания атомов, за разработку которого американские ученые С. Чу и У. Филипп, а также французский физик К. Коэн-Таннуджи удостоены Нобелевской премии 1997 г. в области физики. Следует отметить, что идея лазерного охлаждения атомов и принципиальная схема экспериментальной установки для его осуществления были предложены в Институте спектроскопии Российской академии наук группой ученых под руководством В. Летохова, результаты исследований которых опубликованы еще в 1986 г.

В сложной лазерной ловушке, основанной на комбинации нескольких эффектов, удалось охладить атомы гелия до 0,0002 К. С применением сильного охлаждения можно удерживать антиматерию, изучать взаимодействие атомов, производить сверхточные спектральные измерения, исследовать на молекулярном уровне свойства молекул ДНК и т. п. Полученный в лазерных ловушках конденсат является рабочей средой для атомного лазера, открывающего новое весьма перспективное направление в современном естествознании.

Молекулярные пучки. Молекулярный пучок представляет собой струю молекул при испарении вещества в специальной печи и пропускании его через узкое сопло, формирующее пучок в камере со сверхвысоким вакуумом, исключающим межмолекулярные столкновения. При направлении молекулярного пучка на реагент – соединение, вступающее в реакцию, – при сравнительно низком давлении (10-10атм) возрастает вероятность участия каждой молекулы только в одном столкновении, приводящем к реакции. Для проведения такого сложного эксперимента требуется камера со сверхвысоким вакуумом, источник молекулярных пучков, высокочувствительный масс-спектрометр и электронные определители времени свободного пробега молекул. С помощью молекулярных пучков удалось определить, например, ключевые реакции при горении этилена.

Технология атомных размеров. Современная наноэлектроника основана на технологии с атомным разрешением, включающей молекулярную эпитаксию, нанолитографию и зондовую микроскопию. Молекулярная эпитаксия позволяет получить моноатомные слои вещества, толщина которых сравнима с размером атома. Разрешение электроннолучевой нанолитографии достигает 1–10 нм. Методы современной зондовой микроскопии обеспечивают наблюдение с атомным разрешением. Зондовая микроскопия основана на применении сканирующего туннельного микроскопа, разработанного физиками Гердом Биннингом (р. 1947, Германия) и Генрихом Рорером (р. 1933, Швейцария), удостоенными Нобелевской премии по физике в 1986 г. Достигаемое сегодня разрешающая способность сканирующего туннельного микроскопа не может не поражать: оно составляет сотые доли нанометра по высоте и десятые в плоскости исследуемой поверхности. Сфера приложений зондовой микроскопии значительно расширилась с разработкой атомно-силового микроскопа, позволяющего получить изображение непроводящей поверхности. Современную зондовую микроскопию применяют для определения распределения электронной плотности проводников, топографии твердых материалов, магнитной структуры ферромагнетиков, строения живой молекул ДНК и т. п. Атомные зонды, кроме того, можно использовать для перемещения отдельных атомов, локального окисления и травления, а также для исследования свойств атомных частиц. Все это вместе взятое составляет техническую базу для создания современных наноэлектронных устройств.

Геном человека. Летом 2000 г. средства массовой информации сообщали: американские ученые успешно завершили подготовку полного текста генома человека, т. е. всей совокупности его генов, состоящей примерно из 3 млрд «букв» – пар нуклеотидов. Такая огромная работа завершена в 2000 г., через 100 лет после подтверждения открытых Г. Менделем (1822–1884) фундаментальных законов наследственности. В 2003 г. опубликован окончательный текст генома человека, допускающий не более одной ошибки на 10 тыс. пар нуклеотидов. Этот год также был юбилейным – исполнилось 50 лет открытию Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК.

Информация о геноме человека открыта и доступна для ученых всего мира. По международному соглашению в работе с геномом нет приоритета конкретных авторов – результаты принадлежат всему человечеству. Это – уникальный пример сотрудничества ученых многих стран для достижения действительно эпохальной цели.

Расшифровка ДНК, создание генетической карты человека – первая задача ученых, работающих по проекту генома человека. Вторая – разбить такую карту на отдельные характерные группы. И наконец, функциональный анализ генома – третья весьма важная задача. Нужно определить, например, как работают те или иные гены в клетках организма в разные периоды его жизни.

Наиболее важный практический результат исследований генома человека – это молекулярная медицина, т. е. генная диагностика болезней, их профилактика и генотерапия. Предполагается, что новые лекарственные препараты будут действовать на генные и белковые мишени, что будет способствовать повышению их эффективности.

Каждый человек обладает уникальным геномом: мы отличаемся друг от друга приблизительно одной позицией нуклеотидов из тысячи. Изучение генного разнообразия может дать ключ к пониманию уникальности личности, роли наследственности в интеллектуальных способностях и чертах характера. В обозримом будущем станет возможным создание генетического паспорта каждого человека.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность метода Декарта научного познания?

2. Как определяется достоверность научных знаний?

3. Что составляет основу научной теории?

4. Какова роль эксперимента и опыта в постижении естественнонаучной истины?

5. Чем обусловливается неточность экспериментальных результатов?

6. Назовите основные положения теории естественно-научного познания.

7. Охарактеризуйте три стадии естественно-научного познания истины.

8. Что означает относительность естественно-научных знаний?

9. В чем заключается единство эмпирического и теоретического знаний?

10. Какова роль ощущений и представлений в процессе познания?

11. Как устанавливается научный факт?

12. Что такое эксперимент? Чем отличается эксперимент от наблюдения?

13. Каковы особенности современных технических средств эксперимента?

14. Назовите основные формы мышления.

15. На чем основывается научное предвидение?

16. В чем заключается методология естествознания?

17. Дайте краткую характеристику методов и приемов естественнонаучных исследований.

18. Что такое научное открытие?

19. Какова роль творческого воображения в научном поиске?

20. Как строится научное доказательство?

21. Назовите основные аргументы, определяющие практическую направленность эксперимента.

22. Из каких этапов состоит эксперимент?

23. Как повышается точность экспериментальных измерений?

24. Какие операции включает обработка экспериментальных результатов?

25. В чем заключается специфика современных экспериментальных и теоретических исследований?

26. Назовите причины оторванности теории от эксперимента.

27. В каких трех направлениях, важных для эксперимента, развивается лазерная техника?

28. Для чего применяется синхронное излучение?

29. Какие процессы и свойства исследуются методом ядерного магнитного резонанса?

30. Дайте краткую характеристику возможностей оптической и масс– спектроскопии.

31. Что можно определить методами рентгеноструктурного анализа и нейтронографии?

32. Какова разрешающая способность туннельного микроскопа?

33. В каких материалах и когда обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость?

34. В чем специфика и преимущества химического лазера?

35. Каковы особенности атомного лазера?

36. Для чего применяются молекулярные пучки?

37. На чем основана технология атомных размеров?

38. Каковы результаты и перспективы исследований генома человека?

39. Назовите важнейшие последние достижения современного естествознания.