Раздел 11. Другие виды получения информации

Мы рассмотрели только основные физические методы получения информации, но они в самых различных комбинациях могут быть положены в основу новых методов и приборов в самых различных областях знаний, например, детекторы лжи. Советская наука всячески скрывала свой интерес к приборам такого рода, но усердно их разрабатывала в режиме строгой секретности. Эти приборы позволяют по анализу параметров жизнедеятельности человека (давление крови, частота пульса, электрокардиограмма, потливость, электропроводимость кожи и т.д. получать информацию от человека помимо его воли. Начиная с 1993 г., когда проверки на полиграфе (часто именуемом "детектором лжи") получили от министерства юстиции "право гражданства" на территории России, психофизиологический метод "детекции лжи", т. е. выявления у человека возможно утаиваемой информации, все активнее внедряется на отечественный коммерческий рынок.

В частности, перьевые и компьютерные полиграфы американского производства, предназначенные для психофизиологического метода "детекции лжи", ввозились в Россию под видом медицинской аппаратуры, хотя импортер, продавец и покупатель этой техники прекрасно понимали, что данный класс приборов никогда не попадет в клинику и будет использоваться исключительно в специальных целях. Отечественные производители компьютерных полиграфов, будучи более удачливыми в сбыте своей продукции из-за относительно низкой ее стоимости по сравнению с заморскими образцами, охотно продавали свой товар, особенно не интересуясь, в какие руки попадает этот весьма тонкий инструмент изучения человеческой психики. В отдельных случаях продавец осуществлял скоропалительную — от нескольких часов до нескольких дней — подготовку "специалистов", которые с непринужденной легкостью начинали оказывать сомнительного качества "услуги".

В принципе, приобрести полиграф в России мог практически любой человек (вне зависимости от того, обладает ли покупатель профессиональными навыками работы с полиграфом или нет. Регистрируя физиологические реакции человека в ходе проверки открыто и гласно, оператор полиграфа приходит к суждению о наличии (отсутствии) скрываемой информации у проверяемого, но не уведомляет последнего об этом. Однако, что именно, когда и в каком объеме сообщать конкретному лицу о результатах проведенной его проверки решает конечный пользователь-инициатор проверки. Так, действующая в МВД "Инструкция о порядке использования полиграфа при опросе граждан" (п. 5.2) указывает, что проверенный с помощью полиграфа человек “... может быть ознакомлен с результатами проведенного опроса”. Ознакомление осуществляет инициатор. Подобная правовая норма закреплена также в соответствующей ведомственной инструкции ФСБ, одобренной Министерством юстиции России. Работы по созданию «детекторов лжи» являются только одним из направлений исследования физических полей биологических объектов

В Институте радиотехники и электроники [8] создана лаборатория радиоэлектронных методов исследования биологических объектов. Под руководством академика Н.Д. Девяткова уже давно и активно ведутся работы по изучению воздействия сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных излучений на биологические объекты. Кроме того, институт сравнительно давно занимается изучением физических полей Земли с помощью дистанционного зондирования, - основанного на приеме слабых собственных электромагнитных сигналов от различных объектов. Используя соответствующий математический аппарат, по этому слабому излучению можно судить о состоянии, например, почвы, растительности, различных параметров атмосферы. Те же методы можно применять к зондированию биологических объектов. Например, измеряя относительно слабые их излучения в СВЧ-диапазоне, можно делать выводы о температуре, диэлектрической проницаемости не только на поверхности, но и внутри объекта.

В горьковском Научно-исследовательском радиофизическом институте под руководством члена-корреспондента АН СССР В.С.Троицкого разработаны радиометры, позволяющие измерять температуру в глубине любого биологического объекта по его собственному излучению в СВЧ-диапазоне волн. Все шире используется тепловидение, основанное на регистрации инфракрасного излучения биообъектов. В последнее время началось активное изучение магнитных полей биообъектов. Комплексное применение физических методов позволяет получать полную картину физических полей, генерируемых биообъектом.

Вокруг любого биологического объекта в процессе его жизнедеятельности возникает сложная картина физических полей. Их распределение в пространстве и изменение во времени несут важную биологическую информацию, которую можно использовать, в частности, в целях медицинской диагностики.

Учёных интересуют не сами по себе электромагнитные излучения, которые уходят от биологических объектов, а возможность переноса по этим каналам информации, связанной с работой внутренних органов. Так, инфракрасное излучение может быть промодулировано физиологическими процессами, которые задают распределение и динамику температуры поверхности тела.

Следующий канал (диапазон волн) — радиотепловое излучение, несущее информацию о температуре и временных ритмах внутренних органов человека. Чем больше длина волны, тем с большей глубины можно зарегистрировать излучение. Так, в дециметровом диапазоне волн удается регистрировать сигналы с глубины до 5—10 см. На более коротких волнах глубина, с которой получается информация, уменьшается, однако улучшается пространственное разрешение. По радиотепловым изображениям на различных длинах волн с помощью достаточно сложной цифровой обработки можно восстановить пространственное распределение температуры в глубине биообъекта. На тех же частотах должны наблюдаться и магнитные поля, связанные с токами в проводящих тканях, сопровождающие физиологические процессы.

Для магнитных полей (в отличие от электрических) ткани биологического объекта не являются экраном, поэтому, регистрируя магнитные поля, можно с большей точностью локализовать их источники. Это, в частности, представляет большой интерес для исследования деятельности мозга. Сейчас работы такого рода, сулящие большие перспективы для медицинской диагностики, стали широко развиваться в мире.

Необходимы  также  исследования акустических сигналов, возникающих при работе внутренних органов, мышц и т.д. Это инфразвуковые сигналы, которые выходят из любой точки организма. «Прослушивание» организма может дать ценную информацию о его механическом функционировании.

Измеряя распределение полей в пространстве, окружающем биообъект, можно получить информацию о распределении температуры и источниках электрических, магнитных, акустических полей в глубине биообъекта. Это открывает возможность дистанционной диагностики функциональной активности. Если говорить о более высоких частотах, то в оптическом, ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах должны наблюдаться сигналы биолюминесценции, обусловленной протекающими в организме биохимическими реакциями. Это слабое свечение тоже весьма информативно: оно позволяет контролировать темп биохимических процессов.

Дистанционно (на расстояниях до двух метров) регистрируются так называемые баллистограммы. Работа внутренних органов, например легких, сердца, вызывает сотрясения поверхности грудной клетки, отражающие те механические ритмы, которые свойственны этим органам. А поскольку на поверхности тела всегда есть статический заряд, то он, двигаясь вместе с грудной клеткой, приводит к появлению на потенциальном зонде электрических сигналов.

Создана высокочувствительная аппаратура, позволяющая регистрировать сверхслабую биолюминесценцию в оптическом диапазоне. Это система счета фотонов и экранированная от света камера. Регистрируется свечение полости рта, кожи и т. д.

Для контроля изменений состава среды, связанных с метаболизмом, также используется инфракрасная термография. С помощью фильтра, пропускающего лишь излучение молекул углекислого газа, удается визуализировать облако выдыхаемого газа по его собственному тепловому излучению. При смене фильтра, в принципе, возможна регистрация паров воды и других газов.

Кроме того, создана аппаратура для регистрации изменений проводимости воздуха вокруг биологического объекта. На базе ЭВМ, специализированных микропроцессоров и развитой сети периферийных устройств создается автоматизированная система управления экспериментом и обработки данных, в задачи которой входит сбор данных, выделение сигналов из шумов и помех, восстановление истинной структуры полей (то есть устранение искажений, вносимых датчиками), анализ динамики формирования полей и корреляционных связей между каналами, прежде всего выявление корреляции между физическими каналами и электрофизиологическими показателями. Однако самая главная и сложная задача — исследование возможностей восстановления объемного изображения источников полей (тепловых, магнитных, электрических, акустических) по результатам измерений их пространственной структуры.

Существующие физические методы получения информации и их комбинации уже не удовлетворяют современную науку и технику. Поэтому учёные постоянно разрабатывают новые методы получения информации и новую методологию подхода к существующим методам получения информации.

Рассмотрим анализ тенденций развития существующих неразрушающих методов и средств контроля, приведённый в [7]. Авторы рассмотрели динамику распределения усилий ученых в области развития методов и средств диагностики, объединив тематики родственных исследований в направления.

Таблица 11.1. Динамика распределения научных сил по направлениям.

Индекс направления	Характеристика направления	1966-1974 г.г.	1987-1994 .г.г.
I	Разработка новых средств, реализующих традиционный подход к диагностике	70%	26%
II	Совершенствование норм разбраковки на основе статистических исследований	15%	28%
III	Поиск новых подходов к диагностике материалов и конструкций	10%	36%

Как видно из приведённой таблицы поиск новых подходов к диагностике, т. е. новых физических основ получения информации постоянно увеличивается. С начала 90-х годов поиск новых подходов к диагностике материалов становится главным направлением развития средств диагностики. При этом следует сказать, что наблюдаемое в настоящее время повышение интенсивности работ по поиску новых подходов к диагностике, - это уже третий, более мощный подъем интереса к этому направлению, появившемуся в конце 50-х годов и имевшему первый пик в середине 80-х годов, второй - в начале 90-х. Сделанный вывод убедительно подтверждается все более заметной переориентацией тематической направленности докладов и экспозиции не только Российских, но и международных научно-технических конференций, а следовательно, и научных исследований.

Одним из наиболее перспективных направлений современной науки являются наноматериалы. Несколько слов о самом термине, содержание которого в последнее время несколько размыто. Академик Алфёров Ж. И. в своёй статье [1] даёт такое определение: - «Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними ‑ к нанотехнологиям». Эти материалы и технологии их переработки позволяют у известных и широкораспространенных материалов получить новые свойства, позволяющие создавать новые конструкционные материалы, средства формирования, передачи и хранения информации. А новые, невиданные ранее материалы требуют и новых методов диагностики их свойств.

В настоящее время существует огромное число методов диагностики, еще больше методик исследования физических и физико-химических параметров и характеристик твердотельных и молекулярных структур. Вместе с тем получение наноструктур, низкоразмерных систем и новых наноструктурированных материалов с заданными свойствами, предназначенных для применения в современной электронике, ставит и новые диагностические задачи. Для решения современных задач диагностики наноструктур требуется адаптация к этим задачам традиционных методов (оборудования), а также развитие новых, прежде всего локальных (до масштабов 0,1 нм), методов исследования и анализа свойств и процессов, присущих объектам нанометровой геометрии и системам пониженной размерности.

Методы нанодиагностики должны быть по возможности неразрушающими и давать информацию не только о структурных свойствах нанообъектов, но и об их электронных свойствах с атомным разрешением. Для разработки нанотехнологий решающим оказывается также возможность контролировать атомные и электронные процессы in situ с высоким временным разрешением, в идеале до времени, которое равно или меньше периода атомных колебаний (до 10^‑13 с и менее). Необходима также диагностика электронных, оптических, магнитных, механических и иных свойств нанообъектов на "наноскопическом" уровне. Невозможность полного удовлетворения этих требований приводит к использованию комплекса методов диагностики нанообъектов, среди которых необходимо выделить следующие основные группы методов:

     электронную микроскопию высокого разрешения, которая исторически явилась первым методом, реально обеспечивающим визуализацию структуры объектов с атомным разрешением. К этому методу примыкают различные модификации электронной микроскопии, обеспечивающие проведение химического анализа нанообъектов, исследования in situ, поверхностно-чувствительные методы такие, как отражательная электронная микроскопия, микроскопия медленных электронов и другие. Во многих случаях электронная микроскопия высокого разрешения является единственным источником получения информации о внутренней структуре и структуре границ раздела таких нанообъектов, как квантовые ямы и квантовые точки;

     методы сканирующей электронной микроскопии, которые вплотную приближаются по разрешению к атомному разрешению, сохраняя возможность получения информации без существенного (разрушающего) воздействия на исследуемые объекты с получением разнообразной информации о химическом составе нанообъектов, их электрических (метод наведенного тока), оптических (катодолюминесценция) и других свойствах. Для получения информации об объеме нанообъектов развиты методы электронной томографии;

     сканирующую туннельную микроскопию, являющуюся поверхностно-чувствительным методом визуализации атомной структуры твердых тел; проведение спектроскопических исследований с атомным разрешением вместе с привлечением возможностей для in situ экспериментов при повышенных и пониженных температурах, использование других методов зондовой микроскопии и возможности манипулирования на уровне отдельных атомов делает эти методы важнейшим инструментом для нанотехнологий и нанодиагностики;

     рентгендифракционные методы, особенно с использованием высокой светимости синхротронных источников, они дают уникальную информацию об атомной структуре нанообъектов без их разрушения;

     методы электронной спектроскопии для химического анализа, ожеэлектронной спектроскопии, методы фотоэлектронной спектроскопии, романовской и ИК-спектроскопии, метод фотолюминесценции, которые активно развиваются с повышением разрешающей способности, что делает эти методы весьма полезными при диагностике нанообъектов.

Дальнейшее развитие всевозможных методов диагностики (в частности, диагностики, встроенной в технологию), учитывающих специфику нанообъектов и их характерные размеры, является неотъемлемой частью развития высоких технологий получения и анализа свойств наноструктур нового поколения. При этом формирование комплексных методов практической диагностики диктуется как технологическими задачами получения наноструктур и создания на их базе следующего поколения электронных и оптических устройств (транзисторов, лазеров и др.), так и их специфическими физическими, физико-химическими и топологическими свойствами, часто не укладывающимися в рамки стандартных представлений о свойствах вещества.

Вопросы для самопроверки по разделу 11

1. Что такое «детектор лжи»? Какие физические методы получения

информации положены в основу его функционирования?

2. Какие материалы можно отнести к наноматериалам? Чем они отличаются

от обычных материалов?

3. Как перераспределяется динамика научных исследований в области

получения новых физических методов получения информации?