книги / Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность

Начнем с общего для всех научных, технических и гуманитарных сфер подхода к изучению реальности, который называется моделированием. Попытка изучать Вселенную как единую, целостную материальную систему, какой она в действительности является, бесперспективна. Поэтому во всех науках любые сложные системы и процессы стараются разложить на простейшие составляющие и каждую изучать в отдельности. Но и на этом пути сохраняется непреодолимый для познания реальности уровень сложности материальных систем, если не заменить каждый выделенный объект (процесс, взаимодействие) его идеализированной копией – так называемой моделью. Моделирование – универсаль-

ный метод познания во всех сферах научной, инженерной, социальной, экономической и гуманитарной деятельности человека,

атакже в образовании.

Входе любой познавательной деятельности человек создает модели объектов и процессов природы, а затем последовательно совершенствует эти модели с целью все более полного и точного отражения реальности. Описанный процесс познания бесконечен и постепенно приближает нас к постижению абсолютной истины.

Моделирование возникло на поздней стадии эволюции мозга с появлением абстрактного мышления и впервые стало массово применяться в физике. Поэтому в одном из определений физики утверждается, что физика – это искусство моделирования. По мнению академика Н.Н. Моисева, «ничего другого, по своей целостности и логике сравнимого с системой моделей в физике, человечество еще не придумало». Моделирование широко применяется и в других науках, а также в инженерном деле. Методы моделирования явно или опосредованно рассматриваются и используются практически во всех дисциплинах.

Поэтому идея моделирования является для всех дисциплин учебного плана мощным объединяющим фактором и создает одну из важнейших методологических основ интеграции гуманитарной, естественно-научной и профессиональной составляющих инженерного образования.

21

Мысленно разделить окружающий нас целостный мир на некие части и изучать их путем построения соответствующих моделей можно по-разному. Однако объективная реальность такова, что сама «навязывает» наукам о природе логически непротиворечивую стройную иерархическую систему моделей материальных структур. Именно эта система и определяет разделение науки на отдельные направления и их неразрывную ес- тественно-научную взаимосвязь. В этом еще одна причина есте- ственно-научной общности учебных дисциплин.

Иерархическая система материальных структур полно отображает устройство нашей Вселенной в том приближении, на которое способны фундаментальные науки в настоящее время.

На рис. 2.1 представлен блок неорганических материальных структур. Каждая следующая материальная структура в представленной системе включает предыдущие. Однако свойства более сложной структуры качественно отличаются от свойств составляющих ее частей или свойств простой их совокупности.

Например, атом обладает химическими свойствами (валентностью) в отличие от его составляющих – ядра и электронов, которым валентность не присуща. Макротела обладают теплопроводностью, электропроводностью, твердостью в отличие от отдельных атомов, из которых состоят макротела и т.д.

Каждой материальной структуре соответствует своя частная фундаментальная наука (физика, химия, геология и т.д.) или несколько таких наук. Значительная часть практической деятельности человека связана с макротелами, но используются также поля, потоки частиц, ядра атомов, атомы, молекулы и тела, имеющие размеры порядка 1…100 нм. На этом основаны новейшие технологии: плазменная, лазерная, нанотехнологии и т.д. Например, в ультрасовременных лазерных технологиях используются потоки фотонов, возбужденных квантовыми системами – атомами, молекулами активной среды, в которой преобразуются различные виды энергии в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

22

Рис. 2.1. Иерархическая система неорганических материальных структур

Таким образом, почти все материальные системы находят техническое применение. Исключением пока являются физический вакуум и космические объекты. Однако изучение вакуума и космических объектов позволяет глубже познавать свойства многих других материальных структур и процессов, опосредованно влияя на развитие практики. Достаточно упомянуть, что

23

первоначально термоядерные процессы в макромасштабах были обнаруженывкосмическихобъектах(звездах) илишьпозднеестали широкоиспользоватьсявземныхусловиях(вядернойэнергетике).

Изложенное отображено на рис. 2.1 прямоугольником «Прикладные науки и техника», а пунктирными линиями указаны связи различных направлений техники с фундаментальными науками, т.е. с общей естественно-научной основой.

Все направления практической деятельности человека связаны с фундаментальными науками, как кисти винограда с лозой. Кисть может зародиться лишь там, где возникнет почка, что соответствует месту зарождения в недрах науки практически значимого результата. Если кисть символизирует отдельное направление практической деятельности, то яго-

ды –	отдельные разделы этого направления; в образовании
это –	отдельные направления, специальности и специализа-

ции. Биохимические процессы в ягодах, за счет которых они вызревают, – аналог механизмов собственного развития техники (рационализация, изобретательство, проектирование, разработки инженерных наук).

Прекращение подпитки новыми фундаментальными знаниями неизбежно приведет к остановке в развитии данной от-

расли. Так, развитие ламповой электроники, исчерпав к середине XX в. основной естественно-научный ресурс, практически прекратилось. Лишь открытия в области физики полупроводниковых кристаллов обеспечили электронике новый импульс развития. Так возникло современное техническое направление – микро-, а затем и наноэлектроника.

На рис. 2.2 представлен блок иерархической системы материальных структур, зародившихся в процессе самоорганизации больших совокупностей органических молекул. На рисунке видно, что науки о живом также связаны с объективной реальностью, т.е. имеют естественно-научную основу. Не являются исключением и сфера культуры, все виды искусства, религии и т.д.

24

Рис. 2.2. Иерархическая система органических материальных структур

На рис. 2.3 представлен блок иерархической системы материальных структур, связанных с деятельностью человека. В эту иерархическую систему включено все, что создано человеком за всю историю в культурной, научной и технической сферах. Конечно, строгую систему структур искусственной природы создать невозможно, и на рис. 2.3 обозначены только отдельные направления основ функционирования различных производств. Так, в основу производства энергии могут быть положены: «мускульная» энергия, гидроэнергия, тепловая, ядерная, солнечная и другие виды.

Представленные на рис. 2.1, 2.2 и 2.3 блоки иерархий неживого, живого и мыслящего и созданного человеком образуют основу всего, счем человек сталкивается в науке, культуре и технике.

25

Рис. 2.3. Иерархическая система искусственных материальных структур

Естественно-научные основы практики ярко представлены эволюцией Вселенной, из которой следует ее единство и целостность, а также единство законов, которым подчиняются любые процессы в неживой и живой природе.

26

2.4. Эволюция Вселенной и общность законов природы

Все рассмотренные материальные структуры возникли

впроцессе эволюции Вселенной, подчиняющейся единым законам природы. В пределах разрешенного этими законами протекает и практическая деятельность человека. Законы природы – еще один общий естественно-научный стержень всей практической деятельности человека.

Рассмотрим лишь некоторые основные этапы эволюции Вселенной, отраженные на рис. 2.4 и связанные с возникновением структур неживой материи. По оси ординат отложено время t (от момента зарождения Вселенной) сначала в секундах, а затем

вгодах вплоть до настоящего времени (~14 млрд лет). Масштаб искажен таким образом, чтобы было удобно описывать происходящее на различных этапах эволюции. По оси абсцисс от точ-

ки «0» откладывается вправо и влево радиус Вселенной R (в метрах). Взаимное соответствие временных и геометрических характеристик выдерживается только для момента возникновения (R = 0) и для настоящего времени (R = 1026 м); сплошные кривые, соединяющие начальный и конечный размеры Вселенной, произвольны и лишь условно отображают ее постоянное расширение. Временной уровень АА' соответствует современному периоду существования Вселенной, а стрелка на прямой АА' указывает направление увеличения константы взаимодействия, характеризующей относительную «силу» фундаментальных взаимодействий. Например, электромагнитное взаимодействие (константа взаимодействия – 10 –2 ) значительно «сильнее» гравитационного (10–39 ) и «слабее» ядерного (10). Вдоль левой вертикальной пунктирной прямой отложены значения температуры, которую Вселенная имела в соответствующие моменты своей эволюции.

В соответствии с этой схемой отметим основные этапы эволюции Вселенной, описываемые теорией Большого взрыва. Эту теорию, основанную на модели горячей Вселенной, дополняет

27

Рис. 2.4. Условная схема эволюции Вселенной

28

теория инфляции (раздувания) Вселенной. В теории инфляции возникновение Вселенной связывают с физическими процессами, происходящими в вакууме; она объединяет процессы в микро- и мегамирах. По современным представлениям, вакуум – сложная все заполняющая динамическая квантовомеханическая система, постоянно и повсеместно порождающая виртуальные частицы и античастицы. Некие весьма сложные процессы в вакууме, названные инфляционными, лежат в основе зарождения Вселенной.

Вселенная возникла примерно 14 млрд лет назад из первоначально чрезвычайно малого объема и стала очень быстро расширяться. Этот период в истории Вселенной называется эрой инфляции, продолжающейся от 10–43 до 10–35 с. Вопросительные знаки на рис. 2.4 (внизу) отражают отсутствие для этого периода эволюции общепризнанной теории. Весьма вероятно, что до эры инфляции существовал лишь один вид фундаментального взаимодействия между элементарными частицами, заполнявшими Вселенную. Это взаимодействие названо Суперсилой. К моменту 10–43 с от Суперсилы отделилась гравитация (левая пунктирная кривая на рис. 2.4).

Гравитация существует в качестве отдельной фундаментальной силы и в наше время. Оставшиеся объединенными три взаимодействия (сильное, электромагнитное и слабое) получили название Великого объединения.

Кмоменту 10–35 с закончилась эра инфляции, расширение замедлилось, начался период, описываемый теорией Большого взрыва.

Великое объединение к моменту 10–35 с разделилось на сильное (ядерное) взаимодействие (правая пунктирная кривая на рис. 2.4) и на электрослабое. Ядерное взаимодействие существует и в наше время.

Кмоменту 10–10 с электрослабое взаимодействие распалось на слабое и электромагнитное. Это утверждение уже получило строгое теоретическое обоснование.

29

Итак, в процессе эволюции Вселенной единое взаимодействие (Суперсила) распалось на четыре фундаментальных взаимодействия. Слабое взаимодействие пока не находит использования в технике. Все силы, учитываемые в инженерном деле, сводятся к трем фундаментальным видам взаимодействия: гравитационному, электромагнитному и ядерному. Универсальность фундаментальных сил, используемых в практической деятельности человека, – одна из основ естественно-научного единства фундаментальных и инженерных дисциплин.

Рассмотрим, как в процессе эволюции Вселенной формировались материальные структуры неживой природы.

В эру инфляции (10–43 –10 –35 с) возникла первопричина появления в будущем всего вещественного. Дело в том, что в ту эру (рис. 2.5) при температурах 1032– 1028 К материя существовала в виде излучения, элементарных частиц и античастиц. На последующих этапах эволюции частицы и античастицы попарно аннигилировали (взаимно уничтожились), превращаясь в излучение. Так как античастиц было на 10–7 % меньше, чем частиц, то некоторая доля частиц (10–9 % от исходного их количества) сохранилась до наших дней, обеспечив образование современной вещественной природы. Античастицы аннигилировали практически полностью, поэтому антивещества в космических масштабах в природе нет.

Затем (10–35 –10 –4 с) наступает эра адронов, дальнейшее расширение Вселенной происходит уже в соответствии с теорией Большого взрыва. Температура Вселенной убывает от 1028 до 1012 К. В конце этой эры кварки объединились в адроны, к которым относятся, в частности, протоны и нейтроны. Так образовались частицы, из которых состоят ядра атомов. Однако в эру адронов объединения нейтронов и протонов в ядра атомов произойти не могло, так как температура еще была слишком высо-

кой (Т > 1012 К).

В эру лептонов (10–4 –300 с) происходит реакция между протонами и нейтронами, в результате которой отношение чис-

30