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 тернистый путь, зачастую извилистый, противоречивый и всегда поучительный. Бытует убеждение, будто открытие — результат случайности, внезапного озарения мысли, вдохновения, таинственной творческой интуиции, подсознательного или даже болезненного состояния психики, способной создавать из обычных впечатлений необычные комбинации, рождать «сумасшедшие» идеи, способные ломать наши обычные представления.

Пути, ведущие к открытию, действительно причудливы. На такие пути иногда наводит случай. Так, например, выдающийся датский ученый X. Эрстед (1777—1851) однажды показывал студентам опыты с электричеством. Рядом с проводником, входящим в электрическую цепь, оказался 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 установлении связи между магнетизмом и электричеством. Это открытие послужило в свою очередь базой для изобретения электромагнита и других открытий.

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

В творческой деятельности ученого нередки случаи, когда творческий 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 знания и упорная работа ищущей мысли. При этом каждое новое открытие или изобретение подготовлено множеством предшествующих побед и заблуждений.

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. Выстраивается логическая цепь операций, в которой одно звено закономерно следует за другим: постановка задачи, предвидение идеального конечного результата, отыскание противоречия, мешающего достижению 78

цели, открытие причины противоречия и, наконец, разрешение противоречия.

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 быстроходнее, 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 подавляющее большинство изобретений — результат преодоления противоречий. Искушенный естествоиспытатель и опытный изобретатель, как правило, приступая к решению научной или технической проблемы, ясно представляют, в каком направлении идет развитие науки и техники. Открытия зачастую рождаются в ситуации, когда ученого «загоняют» в тупик парадоксальные, неожиданные факты, кажущиеся ошибкой в эксперименте, отклонения от законов. Академик П.Л. Капица (1894—1984), лауреат Нобелевской премии по физике 1978 г., однажды сказал, что для физика интересны не столько сами законы, сколько отклонения от них. И это верно, так как, исследуя отклонения, ученые обычно и открывают новые закономерности. В ситуации обнаруженного парадокса возникает рабочая гипотеза, объясняющая и тем самым устраняющая парадокс. Она проверяется экспериментом.

Сделать открытие — значит правильно установить надлежащее место 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 позволяет по едва заметным или совсем не заметным для простого глаза деталям, единичным фактам улавливать общий смысл новой конструкции и пути, ведущие к ней. Человек, лишенный творческого воображения и руководящей идеи, в обилии фактов может не увидеть ничего особенного, он к ним привык.

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

Существенное значение в воспитании творческого воображения играет 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 воображении 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 музыкальному произведению он находил своеобразное, но интересное словесное, соответствующее ему повествование. Известно, что П. Дирак выдвинул идею о существовании позитрона по соображениям чисто эстетическим.

В процессе научного открытия большую роль играет интуиция.

Интуиция — способность постижения истины путем прямого ее усмотрения 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 результату. 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 ясности сознания. В этот момент человек работает быстро и сам чувствует, что делает хорошо, именно так, как нужно, как ему хотелось. Понятие интуиции сближает научное творчество с художественным.

Открытия никогда не появляются на пустом месте. Они возникают в результате заполнения сознания ученого напряженными поисками решения 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 80

кирпич, лежавший посреди потока воды. Ученый стал внимательно всматриваться в то, как под напором воды изменилось положение кирпича, 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, лежащий 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 закономерность явления.

К достижениям всего нового ведут острая наблюдательность, кропотливое изучение фактов и сила творческого воображения. В процессе научного исследования — экспериментального или теоретического — ученый 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 руководящая сила, без нее ученый неизбежно обрекает себя на блуждание в потемках. Наблюдения, эксперимент, проводимые наобум, без ясно осознанной 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 множества фактов должен быть сделан разумный выбор вполне определенных фактов — тех, которые необходимы для понимания сути проблемы. Чтобы не пренебречь какими-либо существенными фактами, нужно заранее знать или интуитивно чувствовать, чего они стоят. Результаты интуитивного постижения нуждаются в логическом доказательстве своей истинности.

Доказательство. Характерная форма научного мышления — доказательство. Истинность или ложность того или иного утверждения, как правило, не обладает прозрачной очевидностью. Только простейшие суждения нуждаются для подтверждения своей истинности лишь в применении чувственного восприятия. Подавляющее большинство утверждений принимается за истинные не на уровне чувственного познания и не отдельно от всех других истин, а на уровне логического мышления, в связи с другими истинами, т.е. путем доказательства.

Во всяком доказательстве имеются: тезис, основания доказательства (аргументы) и способ доказательства.

Тезисом называется положение, истинность или ложность которого выясняется посредством доказательства. Доказательство, посредством которого 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 достоверных 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 необходимое признание истинности доказываемого тезиса, называется способом доказательства. Доказательство одного и того же положения науки может быть различным. Связь оснований, ведущая к истинности доказательного тезиса, не единственная. Так как она не дана вместе с самими основаниями, а должна быть установлена, следовательно, доказательство — теоретическая задача. В ряде случаев задача доказательства оказывается 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 существование 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 последние десятилетия.

От примитивных способов доказательства, опирающихся на неточные, приблизительные представления, до современных доказательств, основанных на достоверных фактах, точно определяемых понятиях, на свободных от противоречий и достаточных в своем числе аксиомах, а также 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 является фундаментальной базой естествознания, наиболее эффективным и действенным средством познания. Для современного эксперимента характерны 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 затрат).

Любой эксперимент базируется на взаимодействии субъекта с исследуемым объектом и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения, эксперимент — разновидность практического действия, предпринимаемого 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, имеющих фундаментальное и прикладное значение. Являясь критерием естественно-научной истины,

эксперимент представляет собой основу научного познания окружающего мира.

Хотя эксперимент и наблюдение относятся к эмпирическим формам естественно-научного познания, между ними есть существенное различие: эксперимент — преобразующая внешний мир деятельность человека, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта. В экспериментальной работе при активном воздействии на исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных 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: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т.п., — обеспечивающие 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 подчеркивает практическую направленность эксперимента как непосредственного способа отработки и совершенствования любого технологического 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 разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при исследовании свойств вещества, не встречающегося в природе в обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных средств одинаково важны.

Чем сложнее экспериментальная задача, тем острее проблема повышения 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 чувствительнее и точнее приборы, тем достовернее экспериментальные результаты.

В любом естественно-научном эксперименте можно выделить три основных этапа:

1) подготовительный;

2) сбор экспериментальных данных;

3) обработка результатов эксперимента и их анализ.

Подготовительный этап обычно сводится к теоретическому обоснованию эксперимента, его планированию, изготовлению образца или модели 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 эксперимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объекта и сопоставить его с известным теоретическим либо экспериментальным 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 окончательным решением поставленной задачи. Во-вторых, такие результаты нуждаются в логической доработке, превращающей их в научный факт, в истиности которого не возникает сомнений. Отдельные экспериментальные данные, полученные на начальной стадии исследования, могут содержать ошибки, связанные с некорректной постановкой эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. д. Поэтому, как правило, проводится не один эксперимент, а серия экспериментов, в которых уточняются и проверяются результаты измерений, собираются недостающие сведения, проводится их предварительный анализ. Затем полученные экспериментальные данные обрабатываются в рамках математической теории ошибок, позволяющей количественно оценить достоверность окончательных результатов. Сколь бы точными ни были наблюдения и измерения, погрешности неизбежны, и задача естествоиспытателя заключается в том, чтобы приблизить экспериментальные данные к объективным значениям определяемых величин, т. е. уменьшить интервал неточности.

Современная статистическая теория ошибок вооружает экспериментаторов надежными средствами корректировки экспериментальных данных. Статистическая обработка — не только эффективное средство уточнения экспериментальных данных, отсеивания случайных ошибок, но и первый шаг обобщения их в процессе формирования научного факта. Разумеется, 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 установления научного факта. Вновь зафиксированное явление или свойство объекта становится научным фактом только после его интерпретации. Таким образом, научный факт, полученный в эксперименте, представляет собой результат обобщения совокупности выводов, основанных на наблюдениях, и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.

2.6. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

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.

Произошло, таким образом, 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 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 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, реактора и т. п. 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 практически все 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 гармоническое 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. Он характерен не только для естествознания, но и для философии, связанной с проблемами естествознания. Ярким примером может служить отношение не- 86

которых «философов» к кибернетике в конце 40-х — начале 50-х годов XX в., когда в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученые руководствовались таким определением, то вряд ли бы стало возможным освоение космоса и создание современных наукоемких технологий, поскольку все сложные многофункциональные процессы вне зависимости от их области применения 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 естествознания 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. 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 естественно-научных отраслях. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров открылась возможность экспериментального исследования неизвестных ранее явлений природы, свойств материальных объектов, быстропроте-кающих физических, химических и биологических процессов.

Лазерная техника. Для экспериментального изучения многих естественных 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 лазеры с перестраиваемой длиной волны охватывают спектр — от ближней ультрафиолетовой области до инфракрасной, включая видимый диапазон. Разработаны лазеры, длина волны излучения которых составляет менее 300 нм, т.е. соответствует ультрафиолетовой области. К ним относится, 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 скоростью.

Сравнительно недавно — в конце 80-х годов XX в. — сотрудник Калифорнийского технологического института, американец египетского происхождения Ахмед 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 многообразных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает 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 с 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 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 синхротрон-ного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. С помощью син-хротронного 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, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т.п. позволяют исследовать состав и структуру необычайно сложных молекул органических и неорганических веществ. 88

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Он применяется в разных отраслях естествознания и, в особенности, 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 распределения химических 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 относительной или абсолютной 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-спектрометрия отличается высокой чувствительностью. 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 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.

2.7. ВАЖНЕЙШИЕ ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

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

Высокотемпературная сверхпроводимость. В 1911 г. нидерландский ученый X. Камерлинг-Оннес (1853—1926), исследуя электрическое сопротивление металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры 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 перехода в сверхпроводящее состояние (критическая температура) неуклонно повышалась: в 1941 г. она достигла около 15 К, а в 1973 г. — примерно 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 свойства ртутьсодержащего металлооксидного вещества при температуре около 170 К, которая достигается при охлаждении не только жидким азотом, но и более дешевым — жидким ксеноном. Совсем недавно, в мае 2000 г., сообщалось, что даже такой широко распространенный материал, 90

как алюминий, способен приобретать сверхпроводящие свойства, однако не при охлаждении, а при нагревании.

Применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние 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 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 Стивен Чу и Уильям Филипп, а также французский физик Клод Коэн -Таннуджи удостоены Нобелевской премии 1997 г. в области физики. Следует отметить, что идея лазерного охлаждения атомов и принци-

пиальная 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^-10 атм) 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 электронно-лучевой на-нолитографии достигает 1—10 нм. Методы современной зондовой микроскопии обеспечивают наблюдение с атомным разрешением. 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. К настоящему времени со-92

ставлен черновой вариант «текста», в котором не исключены ошибки и некоторые свободные места. Такая огромная работа завершена в 2000 г., через 100 лет после открытия Г. Менделем (1822—1884) фундаментальных законов наследственности. Предполагается, что к 2003 г. будет опубликован окончательный текст генома человека, допускающий не более одной ошибки на 10 тыс. пар нуклеотидов. Этот год также юбилейный — исполнится 50 лет открытию Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК.

Текст генома человека составляется очень быстрыми темпами. В нем принимают участие многие ученые государственных и частных фирм разных стран. Например, только одна американская фирма «Celera» расшифровывает не менее 10 млн. нуклеотидных пар в сутки. Информация о геноме человека открыта и доступна для ученых всего мира. По международному соглашению в данной работе нет приоритета конкретных авторов — результаты принадлежат всему человечеству. Это — уникальный пример сотрудничества ученых 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