Структура и генезис научной проблемы на примере комбинационного рассеяния света

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Научное познание: структура, методы и формы

2. Генезис и структура научной проблемы на примере комбинационного рассеяния света

2.1 Развитие научной проблемы рассеяния света: от лорда Релея до Л.И.Мандельштама и А.Смекаля: теоретические исследования, технические разработки и эмпирическая верификация теорий

2.2 Открытие явления комбинационного рассеяния света и его применение как метода научного познания

2.3 Лазеры и прорыв в развитии использования комбинационного рассеяния света в научном познании как явления и метода

Заключение

Список использованных источников

Введение лазер комбинационный философский

Реферат посвящен философско-методологическому анализу научной проблемы на примере явления комбинационного рассеяния света.

Исторически сложилось, что с момента создания Института физики академии наук Беларуси в 1957 году основные научные исследования его подразделений связаны со взаимодействием электромагнитного излучения (в более узком смысле - света) с веществом.

Исследования охватывают все многообразие фазового состояния вещества и широкий диапазон спектральных и временных параметров взаимодействующего с веществом света.

Основными направлениями научной работы в лаборатории нелинейной оптики Института физики является разработка твердотельных лазеров с преобразованием их излучения нелинейно-оптическими методами, в частности методом вынужденного комбинационного рассеяния, а также применение лазерного излучения в спектроскопии с использованием методов, основанных на комбинационном рассеянии света.

Описание эмпирического и теоретического уровней научного познания в области комбинационного рассеяния света в сочетании с историко-логическим методом исследований позволит не только охарактеризовать достигнутый на сегодняшний день уровень знания в области данной научной проблемы, но и предложить стратегию решения конкретной научной проблемы на данном историческом и экономическом этапе развития Республики Беларусь.

1. Научное познание: структура, методы и формы

Одним из первостепенных вопросов философии является - «Познаваем ли мир?» Решая его, философия выполняет одну из основных своих функций - гносеологическую.

Гносеология или теория познания - это раздел философии, изучающий взаимоотношение субъекта и объекта в процессе познавательной деятельности, отношение знания к действительности, возможности познания мира человеком, критерии истинности и достоверности знания [1-480].

Среди всех типов познания (мифологическое, религиозное, чувственное, философское, научное) ученых в первую очередь интересует научное познание как процесс разработки полноценной (теоретической) картины описания окружающей действительности.

Первые попытки определения структуры познания в современном ее понимании были предприняты основоположником науки нового времени Ф. Бэконом. Он различал три основных пути познания.

Первый - “путь паука”, который означает выведение истин из чистого сознания (догматизм), названный так, поскольку ученый выводил систему положений, подобно тому, как паук ткет свою паутину, из собственных понятий.

Второй - “путь муравья”. Это узкий эмпиризм, сбор разрозненных фактов без их осмысления и концептуального обобщения.

И третий путь - “путь пчелы”, соединение первых двух путей, сочетание способностей опыта и разума, т. е. чувственного и рационального. Ратуя за третий путь познания, Бэкон, однако, приоритет отдавал опытному познанию: «Всего вернее истолкование природы достигается посредством наблюдений в соответствующих, целесообразно поставленных опытах» [3-129]. По Бэкону наука должна быть рациональной переработкой фактов опыта.

Следует отметить непрерывный характер познания как обусловленного прежде всего общественно-исторической практикой процесса приобретения и развития знания, его постоянное углубление, расширение и совершенствование. Познание можно рассматривать как взаимодействие объекта и субъекта, формой существования результатов которого является знание.

Знание - это объективная реальность, данная в сознании человека, который в своей деятельности отражает, идеально воспроизводит объективные закономерные связи реального мира. Знания человека постоянно обогащаются, все более полно отражают строение и свойства объективно существующего мира. Выделяют различные виды знания: интуитивное, религиозное, обыденное, научное и др. Интересующему нас научному знанию присущи воспроизводимость результатов, возможность проверки, логическая обоснованность, доказательность, а также весьма немаловажное стремление к устранению ошибок и преодолению противоречий.

Это стремление является следствием того, что на любом этапе развития науки и общества знания отражают объект не полностью, а в известных пределах. Новые знания не всегда отбрасывают старые, а часто углубляют, уточняют и расширяют представления человека о духовном и материальном мире. Рассматривая связь теории познания и науки, следует вспомнить высказывание А.Эйнштейна, что «взаимные отношения теории познания и науки очень характерные. Они зависят одна от одной. Теория познания без контакта с точной наукой становится пустой схемой. Точная наука без теории познания, насколько она вообще без нее, примитивная и хаотичная» [4-18,19].

Поскольку научные познавательные действия направлены на воспроизведение объекта, его свойств и характеристик в форме знания, предметом научного познания являются реальные объекты или явления, выраженные через абстракции. Эта особенность и определяет структуру и методы научного познания.

Структура научного познания вытекает из структуры познания вообще, только роль чувственного познания (уровень ощущений и восприятий) в этом случае будут выполнять эмпирические исследования, а рационального (уровень абстракций, выраженных в гипотезах, теориях, законах и причинно-следственных связях) - теоретические и постановочная часть эмпирических исследований. На уровне рационального познания человек строит модель явления, эффекта или объекта с целью его объяснения, описания свойств и, как итог, наиболее эффективного использования.

Важность обоих уровней научного познания и ошибочность одностороннего подхода при изучении окружающего мира подчеркивал еще Эйнштейн. Он считал, что наука не может базироваться на основе одного только опыта и что при построении науки необходимо обращаться к понятийному уровню, пригодность которого можно проверить опытным путем. «Эти обстоятельства проходили вне внимания предыдущих поколений, которым казалось, что теорию можно построить чисто индуктивно, не обращаясь к свободному творческому созданию понятий, чем более примитивно состояние науки, тем легче исследователю сохранить иллюзию на счет того, что он будто является эмпириком. Еще в XIX в. многие верили, что ньютоновский принцип «hypotheses non fingo» «Гипотез не измышляю» - цитата из труда «Математические начала натуральной философии». должен служить фундаментом всякой здоровой природоведческой науки. В последнее время перестройка всей системы теоретической физики в целом привела к тому, что признание умственного характера науки сделалось всеобщим достоянием» [4-131].

Эмпирический и теоретический уровни научного познания различаются своими подходами и методами. Отметим их особенности.

Эмпирический подход подразумевает непосредственный контакт с реальными объектами; с точки зрения категориальных структур рассматривает исследуемый объект как явление; использует материальные методы и средства (приборы, установки); фиксирует знания в форме эмпирических фактов (наблюдений, изображений, показаний приборов и т.п.), эмпирических кривых.

Используя теоретический подход, субъект оперирует уже с идеальными объектами (эмпирическими и/или идеализированными). Эмпирический объект - это абстракция (схематизация) реального объекта и понятия, используемые на эмпирическом уровне, которые содержат характерные признаки, имеющиеся в реальных объектах. В идеализированных (абстрактных) объектах присутствуют признаки, которые никогда не встречаются в реальных объектах. Все высказывания теории строятся на абстрактных объектах, на них строится весь язык теоретического уровня. Теория выражает сущность процессов, которые происходят или могут происходить в реальности. Теоретический подход использует логические методы и язык абстрактных понятий. При этом фиксация знаний осуществляется в форме физических законов и величин, которые связаны математическими уравнениями и соотношениями.

Методы познания (исследования) можно разделить на частные (эмпирические или теоретические) и общие (общелогические) методы. Ограничиваясь фрагментом нелинейной оптики, как близкой мне части более общей и объемной физической науки оптики, а именно рассеянием электромагнитного излучения, остановимся на методах познания, напрямую применимых к нему.

Частным методом эмпирических исследований является наблюдение. Это целенаправленное, организованное восприятие явлений объективной реальности, в результате которого человек получает первичные знания о внешних сторонах, свойствах, связях и отношениях предметов, процессов и явлений.

К частным методам теоретического познания следует отнести идеализацию и формализацию. Идеализация как метод представляет собой процесс мыслительного конструирования понятий об объектах, реально не существующих в объективной реальности, но таких для которых в реальном мире есть прообразы. Формализация - это процесс выявления содержания путем знакового формализма. Она связана с использованием формализованного языка математики и имеет в виду единство содержания и формы.

К общим методам получения знаний относятся эксперимент и моделирование, которые, как мне кажется, являются ключевыми в процессе научного познания, поэтому остановимся на них подробнее.

В самом общем понимании экспериментом называется такой метод исследования, который допускает изменение объекта, создание специально определенных условий прохождения процесса, а моделирование - это метод изучения объектов с помощью моделей, которые берутся вместо оригинала. Обычно моделирование применяют, когда невозможно исследовать реальный объект или процесс или ученый хочет доказать, что он правильно разделил происходящие явления на существенные и несущественные и корректно учел первые в своей модели.

Моделирование напрямую зависит от реализации выбранной модели. Для наиболее точного соответствия моделирующей системы реальному объекту в ней должны быть отражены три основные характерные черты, обуславливающие возможность обратной связи между моделирующей системой и моделируемым объектом [5]:

- представление и понимание устройства конкретной исследуемой системы, её структуры, свойств, законов развития и взаимодействия с окружающим миром;

- определение наилучших способов управления при заданных целях и критериях;

- проверка реализации заданных способов и форм воздействия на систему и прогнозирование последствий ее реализации.

Такой подход к методу моделирования отражен в определении, сформулированном И.Б.Новиком и А.А.Ляпуновым, что моделирование - это опосредованное практическое или теоретическое исследование объекта, при котором непосредственно изучается не сам интересующий нас объект, а некоторая вспомогательная искусственная или естественная система, находящаяся в некотором объективном соответствии с познаваемым объектом; способная замещать его в определенных отношениях и дающая при её исследовании, в конечном счете, информацию о самом моделируемом объекте [6].

Эксперимент и моделирование тесно взаимосвязаны. При моделировании модель выступает как средство познания, имеющее относительный характер. Ее главный признак - отображение моделируемого объекта. Эти качества моделирования отражены в мысленном эксперименте, который следует отличать от материального эксперимента.

Мысленный эксперимент представляет собой систему логических процедур над идеализированными объектами. В отличие от обычного экспеpимента, где сpедства экспеpимента так или иначе взаимодействуют с объектом исследования, здесь взаимодействия нет, так как экспеpиментиpуют не с самим объектом, а с его «заместителем».

Пpи этом «объект-заместитель» и экспеpиментальная установка объединяются, сливаются в действующей модели в одно целое. Таким образом, обнаpуживается двоякая pоль, котоpую модель выполняет в экспеpименте: она одновpеменно является и объектом изучения и экспеpиментальным сpедством.

Что касается материальных экспериментов, среди них следует различать обычные и модельные. Последние в определенном роде сходны с мысленным экспериментом, так как оперируют моделью.

Для модельного эксперимента, по мнению pяда автоpов [7, 8], хаpактеpны следующие основные операции:

- пеpеход от натуpального объекта к модели -- постpоение модели (моделиpование в собственном смысле слова);

- экспеpиментальное исследование модели;

- пеpеход от модели к натуpальному объекту, состоящий в пеpенесении pезультатов, полученных пpи исследовании, на этот объект.

Перечисленные операции подразумевают, что модель может входить в экспеpимент, не только замещая объект исследования, но и в качестве условий, в котоpых изучается некотоpый объект обычного экспеpимента.

Обычный экспеpимент связан с теоpетическим уровнем научного познания лишь на начальной и конечной стадиях исследования.

На этапе выдвижения гипотезы, ее оценки, теоpетических сообpажений, связанных с констpуиpованием установки теоретические знания обеспечивают условия будущего успешного проведения экспериментальных исследований. На завеpшающей стадии эксперимента -- при обсуждении и интеpпpетации полученных данных, их обобщении -- разделение познания на теоретический и эмпирический уровень довольно условно (в модельном экспеpименте необходимо также обосновать отношение подобия между моделью и натуpальным объектом и возможность экстpаполиpовать на этот объект полученные данные [9]).

Кроме перечисленных выше методов познания можно выделить общелогические методы, которые применяются для систематизации и обработки данных, полученных с помощью частных и общих методов познания, и содействуют переходу от эмпирического уровня познания к теоретическому, и наоборот. Это анализ и синтез, индукция и дедукция, классификация и гипотетико-дедуктивный метод.

Анализ - деление целого на части с целью познания каждой из них - и синтез - обратная процедура, когда проводится соединение отдельных элементов в единую систему с целью ее познания - представляют собой единство противоположностей и неразрывно дополняют друг друга.

Аналогично предыдущим связаны методы индукция и дедукция. Индукция -метод исследований, при котором общий вывод делается на основании знаний меньшей степени общности, это движение от единичного и частного к общему. Индукция основывается на наблюдении, эксперименте, анализе и синтезе, в ходе которых человек получает знания об отдельных объектах и их свойствах, и на основании этих знаний делает общие выводы. Противоположным индукции методом является дедукция, имеющая теоретическую направленность и играющая прогнозирующую роль в познании. Дедукция представляет собой метод получения частных выводов на основе общих, в качестве которых могут выступать не только научные факты, но и гипотетические суждения. Использование дедукции связано с использованием логики.

Классификация - метод систематизации данных, содействующий переходу научного познания с эмпирического уровня накопления данных на уровень их теоретического обобщения. Она является наивысшей степенью описания, то есть упорядочения фактического эмпирического материала в соответствии с выявленными общими, особенными и единичными свойствами.

Для описания гипотетико-дедуктивного метода требуется использование интуитивно понятных ученым понятий факта, проблемы, гипотезы и теории.

Факт представляет собой достоверное эмпирическое знание о каких-то проявлениях, характеристиках, свойствах изучаемых объектов. Часто в процессе познания обнаруживается факт, интерпретация которого с помощью уже существующих знаний невозможна. При этом возникает проблемная ситуация, как первая фаза становления научной проблемы. Как форма научного познания проблема характеризует знание о вновь обнаруженных, ранее неизвестных сторонах известного объекта. Это фиксация знания о незнании, что в известном обнаружено что-то новое, неизвестное, требующее раскрытия и объяснения. Может оказаться, что на существующем этапе развития науки субъекту недостаточно средств и знаний для ликвидации возникшего незнания, тогда возникает необходимость в разработке нового знания. Это новое знание первоначально предстает в форме гипотезы. Гипотеза представляет собой научно обоснованное предположение, содержащее в себе новое знание теоретического характера, объясняющее породившие проблему новые факты, не укладывающиеся в старую теорию. Теория же является высшей формой организации научного знания, так как в ней достигается глубокое, сущностное отображение изучаемого факта, явления реальности.

Итак, при возникновении научной проблемы может быть создана гипотетическая конструкция (система гипотез), подвергаемая опытной проверке. Практика или подтверждает гипотезы и переводит их в ранг истинных научных знаний, или опровергает. В этом и состоит гипотетико-дедуктивный метод - метод восхождения от абстрактного к конкретному. Превращение гипотезы в теорию не изменяет ее содержания, а переводит знания, отраженные в ней, в более сложную развитую систему знаний.

Таким образом, научная проблема - это характеризующаяся необходимостью разрешения форма научного познания, обусловленная конкретной проблемной ситуацией в определенной предметной области науки. Однако мне кажется, что научную проблему следует рассматривать в более широком смысле - как процесс логического и исторического развития возникшего на определенном историческом этапе научного направления, расширения научных знаний в этой предметной области, их распространения на другие области науки в контексте совокупности подходов, методов и форм научного познания.

Следующая глава данной работы и будет посвящена историко-логическому описанию научной проблемы комбинационного рассеяния света, с которой связана значительная часть исследований, проводимых в лаборатории нелинейной оптики Института физики.

2. Генезис и структура научной проблемы на примере комбинационного рассеяния света

Кто первый наблюдал явление рассеяния света? Кто первый объяснил это явление? Кто первый использовал это явление? В философско-методологическом аспекте рассмотрения научной проблемы не столь важен вопрос «Кто?», значительно важнее вопросы «Как объяснил?», «Почему это происходит?» и «Зачем применил?» На эти вопросы не может быть однозначного ответа, в этом и состоит генезис научной проблемы.

Многогранность постоянного изменяющегося окружающего человека мира, каждой его части, многообразие форм и свойств реальных объектов, их тесная взаимосвязь и взаимозависимость делают процесс познания, и научного познания в особенности, необычайно сложным и противоречивым. Поэтому как правило исследование объектов осуществляется в рамках определенного «среза» действительности, когда функционально выделяется лишь некоторая группа отношений, характеризующих изучаемый «срез», а целый ряд других реальных связей оказывается несущественным.

Несомненно, это упрощение, но оно не подразумевает замкнутость системы, а представляет сеть маршрутов, направлений с возможными «станциями пересадки». Как было отмечено В.С.Степиным и Л.М.Томильчиком, при рассмотрении такого подхода существенно возрастает роль субъекта познания, который и определяет, какую дорогу выбрать: «Каждая конкретная практическая ситуация может быть представлена в двух планах: 1) как часть взаимодействия природы и 2) как особая форма человеческой деятельности. В первом плане мы можем рассматривать взаимодействие объектов как некоторую совокупность связей и отношений действительности, где ни одна из этих связей актуально не выделена в качестве исследуемой.

В принципе объектом познания может служить любая из них. Лишь учет второго аспекта позволяет выделить ту или иную связь по отношению к целям познания и тем самым зафиксировать ее в качестве предмета исследования» [10-19].

Таким образом, научная проблема в процессе генезиса не только опирается на существующие на каждом отдельном этапе знания об объекте познания, приведшем к ее возникновению, но и опосредованно зависит от направляющей силы субъекта познания, который в итоге определяет количественное и качественное решение научной проблемы, а также ее пространственно-временное историческое положение.

2.1 Развитие научной проблемы рассеяния света от лорда Релея до Л.И.Мандельштама и А.Смекаля: теоретические исследования, технические разработки и эмпирическая верификация теорий

Философско-методологический анализ научной проблемы невозможен без рассмотрения и осмысления ее генезиса. Сказанные 60 лет назад на одном из семинаров физического факультета Московского университета Л.И.Мандельштамом слова не потеряли своей актуальности до сих пор: «Еще совсем недавно весь комплекс вопросов, связанных с рассеянием света, был неясен. Обидно, что Вам не известен весь генезис этого вопроса. Речь идет об истории самого последнего времени, и актуальность этого генезиса еще очень велика... Несомненно, это одна из интереснейших страниц истории физики» [11-417].

Применив исторический подход, рассмотрим процесс познания на примере изучения рассеяния света. Начальные стадии изучения рассеяния света, собственно, к физике не относятся. Это, скорее, часть общечеловеческой истории.

Один из первых упоминаемых исторических фактов относится к I в. до н.э. Лукреций обратил внимание на свет, рассеянный пылинками в луче солнечного света, и наблюдал движение пылинок, рассеивающих свет.

Наблюдая, как дым на фоне темного камина приобретает синеватый цвет, Леонардо да Винчи (XV в.) в «Трактате о живописи» писал, что «...светлота поверх темноты становится синей, тем более прекрасной, чем превосходными будут светлое и темное». Этим же способом он объяснял синеву неба: «Синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся наверху чернотой» [12-342, 343]. С точки зрения генезиса научной проблемы наблюдения Лукреция, Леонардо да Винчи и бесчисленного количества других людей привели к фиксации факта синего цвета неба и его изменчивости при различных условиях и, собственно, к возникновению самой проблемы.

Выдвинутая Леонардо да Винчи гипотеза объяснения цвета неба оказалась несостоятельной, поскольку, как стало очевидно позднее, смешение черного и белого может дать только серые тона, а не цветные. Синий цвет неба и дыма из камина обуславливается другим физическим процессом.

После открытия интерференции И.Ньютон (XVII в.) пытался применить это явление к объяснению цвета неба. Его гипотеза базировалась на предположении, что капли воды имеют форму тонкостенных пузырей, наподобие мыльных. Но так как капельки воды, содержащиеся в атмосфере, в действительности представляют собой сферы, то и эта гипотеза вскоре «лопнула», как мыльный пузырь.

АЛ.Эйлер считал (XVIII в.), что «сами частицы воздуха имеют синеватый оттенок и в общей массе создают интенсивную синеву» [13].

В 1869 году ирландский физик Джон Тиндаль впервые в лабораторных условиях наблюдал опалесценцию в мутном растворе, в которую вносит свой вклад и явление рассеяния света. Объяснения эмпирическому факту ученый дать не смог.

Проблемная ситуация была преодолена Джоном Релеем, который в 1899 году заложил основы теории молекулярного рассеяния света, охарактеризовав различие в свойствах рассеивающих частиц и окружающей среды небольшими различиями в диэлектрической проницаемости. Развитию теории молекулярного рассеяния света способствовали эмпирические зависимости насыщенности и поляризации цвета неба от чистоты атмосферы. На их основе Релей сделал заключение, что рассеяние света атмосферой может быть обусловлено самими молекулами воздуха, а не посторонними частицами, т. е. имеет характер молекулярного рассеяния. Выделим только один ключевой момент рассуждений Релея, который будет весьма существенен в дальнейшем. Релей полагал, что когерентность рассеянных волн будет иметь место только в том случае, когда рассеивающие молекулы неподвижны. В случае же движения молекул, что всегда имеет место, когерентность неизбежно нарушается.

Выведенная Релеем формула, связывающая интенсивность рассеянного света с числом молекул в единице объема N, была экспериментально проверена в 1906 г. Аббо, который оценивал величину рассеяния света атмосферой путем измерения ее прозрачности в ясные, безоблачные дни. Эти измерения показали весьма удовлетворительные результаты и могли служить для довольно уверенного определения числа Авогадро, причем результаты согласовались с данными других методов. Как видим, «полет пчелы» Бэкона начался. Решение научной проблемы было осуществлено методами теоретического исследования (идеализация, моделирование и формализация), путем разработки гипотезы о рассеянии света с нарушением когерентности. Эта гипотеза была проверена экспериментом, и эмпирические методы подтвердили правильность теории с хорошим приближением. Гипотеза Релея перешла в разряд теории, но…

Использованное Релеем предположение неподвижности рассеивающих центров не дает покоя Мандельштаму. Он не может согласиться с выводами Релея и в 1907 году показывает, что рассуждения о нарушении когерентности волн, рассеиваемых находящимися в тепловом движении молекулами, верно для отдельных молекул (т.е. для газов, что и подтвердил Аббо), а при учете действия совокупности молекул, расстояния между которыми малы по сравнению с длиной волны света, рассуждения с отдельными молекулами приводят к ошибочным заключениям. Опираясь на свои соображения, Мандельштам прямо указал, что «это совпадение (величины числа Авагадро, выведенной из формулы Релея) должно рассматриваться как случайное», так как было сделано из неправильных предпосылок. Дальнейший ход событий показал, что Мандельштам был прав.

В 1910 г. применив методы теоретического исследования и анализа, Эйнштейн построил статистическую теорию рассеяния в жидкости, показал, как рассчитывать флуктуации термодинамических величин и вычислил интенсивность света, рассеянного вследствие флуктуации. При этом он разложил флуктуацию в трехмерный тригонометрический ряд. Следует подчеркнуть, что тригонометрические Фурье-составляющие флуктуации давления, например, представляют собой акустические «волны», но в теории Эйнштейна это просто статические члены ряда Фурье, а само разложение не более чем вычислительный прием. В этой работе проявилась гениальность Эйнштейна именно как теоретика.

Что касается упомянутого выше Мандельштама, то он был не только замечательным теоретиком, но и талантливым экспериментатором. Результатом его тонких экспериментов с рассеянием света близко расположенного от поверхности жидкости источника, проанализированных на языке математики, стала разработанная в 1913 г. теория поверхностного рассеяния, обусловленного нарушением правильного зеркального отражения от поверхности раздела двух жидкостей или свободной поверхности жидкости. И в этом случае дело сводится к возникновению мелких неоднородностей на плоской поверхности (флуктуаций), возникающих в результате игры сил поверхностного натяжения, стремящегося сделать поверхность минимальной (гладкой), и энергией теплового движения, обусловливающего отступление от этого равновесного состояния. Применительно к газам, к которым относились первоначальные соображения Релея, флуктуационная теория дает также полное решение вопроса. Статистические соображения показывают, что распределение молекул, соответствующее полной однородности среды, весьма мало вероятно - гораздо чаще имеет место распределение, дающее для равных малых объемов неодинаковое число молекул. Таким образом, совпадение значения числа Авогадро, найденного из измерений интенсивности рассеянного света, с истинным значением этой постоянной является для теории Релея, как и предполагал Мандельштам, было случайным.

Использование методов синтеза и индукции приводит к рождению новой флуктуационной теории Мандельштама, в которой автор разлагает флуктуации в двумерный ряд Фурье и рассчитывает интенсивность рассеянного света как отражение от двумерной «решетки».

Приблизительно в это же время (1912 г.) французский физик П.Дебай разрабатывает теорию, казалось бы, совершенно не связанную с рассеянием света. Это теория теплоемкости твердого тела. Идеализация, выполненная Дебаем, где твердое аморфное тело рассматривается как континуум точечных частиц, позволило определить теплоемкость тела через упругие колебания твердого тела, причем частоты этих колебаний занимают интервал от 0 до ~ 1014 Гц, а их волновые векторы имеют самые разные направления внутри образца.

В начале 20-х годов XX столетия Мандельштам и Л.Бриллюэн, ранее работавшие в области радиофизики, возможно, провели аналогии между проявлениями амплитудной модуляции радиочастот и явлениями, описанными в приведенных выше теориях. Применение метода восхождения от абстрактного к конкретному привело к тому, что они обратили внимание, что реальные дебаевские волны могут модулировать рассеянный свет и дать «боковые частоты». Таким образом, сформулированная Релеем теория была распространена на более общие случаи и привела к предсказанию тонкой структуры линии Релея, которая теперь известна как рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

В настоящее время это явление используется в качестве метода при экспериментальном исследовании структурных свойств кристаллов [14]. Именно поиск экспериментального подтверждения существования тонкой структуры линии Рэлея в 30-х годах прошлого столетия привел Г.С.Ландсберга и Мандельштама к открытию явления комбинационного рассеяния света (КР) в кристаллах.

Прежде чем перейти непосредственно к условиям открытия эффекта КР кратко остановимся на другой ветви рассматриваемой научной проблемы, а именно на генезисе методов и инструментальных средств изучения строения молекул и межмолекулярных взаимодействий посредством получения и анализа спектров излучения и поглощения.

Очень хорошо хронологический обзор развития молекулярной спектроскопии, включающий экспериментальный и теоретический аспекты, изложен М.Ф.Каримовым [15]. Отметим только некоторые наиболее существенные работы из приведенных в ней, подводящие нас к возможности открытия явления КР.

Это прежде всего работы И.Фраунгофера по обнаружению в спектре пламени свечи двух близко расположенных ярких желтых линий, отчетливо выделяющихся на фоне сплошного спектра, по изобретению и использованию дифракционной решетки из параллельных нитей в исследованиях спектров излучения вещества.

В 1920 г. Д.С.Рождественский предложил метод «скрещения» интерферометра со спектрографом с призмой или дифракционной решеткой, обладающей большой дисперсией.

В 1923 г. австрийский физик А.Смекаль, опираясь на квантовую природу света, предсказал, что рассеянный монохроматический свет будет содержать наряду с длиной волны падающего света и более длинноволновые и более коротковолновые компоненты. Он показал, что частотный сдвиг между падающим и рассеянным светом соответствует разницы энергии между двумя состояниями молекулы. Г.Крамерс и В.Гейзенберг далее развили концепцию А.Смекаля и в 1925 году опубликовали свою квантовую теорию дисперсии света на атомах. Они показали, что свет с измененной частотой не когерентен и ввели понятие «виртуального уровня», которое в дальнейшем оказалось чрезвычайно важным при объяснении КР света в кристаллах [16-44].

В 1926 году Л.Д.Ландау построил теорию спектров двухатомных молекул, а в 1927 г. Ф.Хунд предложил эмпирический способ определения размещения энергетических уровней в мультиплетах, известный сейчас как правило Хунда. В это же время он заложил основы теории молекулярных спектров, а М.Борн, Гейзенберг и Р.Оппенгеймер к 1927 г. построили первые квантовые модели молекул.

Таким образом, к моменту открытия КР существовал довольно развитый теоретический аппарат и инструментальные средства, достаточные для экспериментального молекулярного спектрального анализа.

2.2 Открытие явления комбинационного рассеяния света и его применение как метода научного познания

Процесс получения и накопления знаний происходит не одномоментно и требует значительного времени. Поэтому бывает, что некоторые явления или свойства, существенные для наших знаний и для нашей жизни, но еще не осознанные, длительное время находятся в тени (в неизвестности), а в какой-то момент вдруг становится предметом исследования многих групп ученых. Так произошло и с КР света.

Изучением света, рассеянного в различных средах, занимались во многих странах мира: в России, Франции, Индии, Соединенных Штатах Америки, Германии.

Несмотря на значительный багаж знаний, собранный к 20-м годам прошлого века, существовали сложности в экспериментальной регистрации явления в связи с малой мощностью падающего монохроматического излучения и очень слабой интенсивностью рассеянного света. Поэтому значительное время тратилось исследовательскими группами на постановку экспериментов и получение достоверных результатов.

Подробное описание подготовки эксперимента группой индийских ученых изложено в статье B.R.Masters “C.V.Raman and the Raman effect” [16-43,44]. Не будем детально останавливаться на нем, отметим лишь, что прежде чем приступить к аппаратной реализации эксперимента, Ч.В.Раман обнаружил смещенное по частоте рассеянное излучение простым наблюдением его в темной комнате. То есть изначально он не ставил какой-то конкретной задачи. Что же касается группы советских ученых, занимавшихся этой же проблемой, то здесь была четкая постановка задачи. Описание подготовки эксперимента и сложностей, с которыми столкнулись Мандельштам и Ландсберг при его реализации, можно найти в ряде работ Л.И.Фабелинского и других авторов [11,16].

Итак, 1925-1927 годы можно считать ключевыми в обнаружении явления КР.

Именно в это время в Индии Раман и К.С.Кришнан проводят серию экспериментов по рассеянию света в жидкостях с целью изучения рассеянного излучения и обнаруживают слабую люминесценцию, отличающуюся от рассеиваемого света по частоте. Первоначально они предполагали, что этот эффект был некоторым видом оптического аналога рассеяния рентгеновских лучей, открытых А.Комптоном В 1923 г. американским физиком А.Комптоном было обнаружено явление изменения длины волны электромагнитного излучения рентгеновского диапазона вследствие рассеяния его электронами: так как энергия рентгеновского кванта много больше энергии связи электрона в легких атомах, поэтому рентгеновские лучи фактически рассеиваются на свобод-ных электронах. С энергетической точки зрения наблюдать оптический аналог эффекта Комптона для видимого света вряд ли возможно.

Они пытались объяснить явление, которое сами же назвали молекулярной дифракцией. Оказалось, что рассеянное излучение поляризовано и не зависит от частоты падающего света. Таким образом, они делают вывод, что это не флюоресценция. В 1927 году публикуют его описание под названием модифицированное рассеяние в журнале Nature, а затем в марте 1928 года, после дополнительных исследований - в Indian Journal of Physics.

В то же самое время в 1925 году в России Мандельштам и Ландсберг начинают серию экспериментов по выявлению тонкой структуры линии Релея в кристаллах, которая была ранее предсказана Мандельштамом и Бриллюэном. Выполненные на кристаллах кварца и исландского шпата эксперименты показали, что было открыто новое явление, отличающееся по величине изменения частоты от предсказанного Мандельштамом и Бриллюэном. В опубликованной в июле 1928 года в журнале Naturwissenschaften статье они не только приводят сравнительные спектрограммы полученных линий КР, но и четкое теоретическое обоснование. Они определили природу появления этих линий: появление новых линий определяется взаимодействием света с инфракрасными колебаниями молекул.

Таким образом, открытие КР света было случайным, но в то же время и предсказанным. Парадокс заключается в том, что те, кто открыл КР, по-видимому, не знали работ, предсказавших его.

В отличие от сферы искусства в научном познании личностные особенности ученого, его ценностные ориентации и установки не входят непосредственно в состав полученного знания. Однако, они очень существенны в процессе научного поиска, в плане выбора целей, мотивации. И эта важная сторона вопроса открытия КР представляет интерес для многих авторов в связи с неоднозначным отношением к присуждению Нобелевской премии за это открытие.

Присуждение Нобелевской премии за открытие явления КР в 1930 году Ч.В.Раману и название открытого явления в его честь вызвало противление многих австрийских, немецких и русских ученых. Они использовали в своих работах адаптированные названия эффекта «рассеяние Смекаля-Мандельштама-Рамана», «эффект Смекаля-Рамана» или просто «комбинационное рассеяние» [16,17]. Однако история рассудила иначе. В настоящее время общепринятым в англоязычном варианте является название Raman scattering, а в русскоязычном - комбинационное рассеяние. Подобные споры затрагивали и названия смещенных линий, возникающих при КР, относительно несмещенной (релеевской) линии. В данном случае они касались не имени, определившего их название, (стоксовая или антистоксовая), а сути правила Стокса, введенного лишь для спектров флюоресценции В 1852 г. Г.Стокс, занимаясь изучением флюоресценции, сделал вывод, что длина волны излучения флюоресценции всегда больше длины волны поглощенного света. Это утверждение вошло в историю физики, как правило Стокса.. Тем не менее имя Стокса стало более приемлемым для обозначения направления смещения по частоте рассеянного излучения и повсеместно используется в научном мире. В этом проявилась осознанная необходимость формирования специальной терминологии рассматриваемой научной проблемы.

Итак, сущность явления КР света сводится к следующему. Рассеяние света веществом следует упрощенно рассматривать как упругие и неупругие столкновения световых квантов - фотонов с молекулами, в результате которых фотоны рассеиваются в различные стороны. При упругом столкновении фотонов с молекулами энергия молекулы и частота н0 фотона не меняются, что соответствует релеевскому рассеянию света. В процессе неупругого столкновения энергия фотона увеличивается или уменьшается на величину hнk, являющуюся значением энергии молекулы, находящейся в колебательном состоянии. Дополнительные спектральные линии на спектрограммах представляют собой линейные комбинации типа н0 ± нk (нk = нk н0) из частоты «возбуждающей» линии н0 и собственных частот инфракрасных колебаний нk молекул рассеивающего вещества. «Если нk < н0 , то есть спектральная линия, соответствующая нk, смещена в сторону « красной» части спектра с меньшей частотой н и большей длиной волны , то ее называют стоксовой линией, для антистоксовых линий, смещенных в сторону фиолетовой части спектра, должно выполняться условие нk н0 [17].

Как видно из приведенного выше определения, явление КР света тесно связано с молекулярной структурой рассеивающего вещества, поэтому практически сразу после открытия оно вызвало огромный интерес в качестве средства познания строения вещества. КР стало основой многих широко распространенных в настоящее время спектроскопических методов исследования в различных областях науки и практической деятельности человека [18, 19].

2.3 Лазеры и прорыв в развитии использования комбинационного рассеяния в научном познании как явления и метода

Комбинационное рассеяние света, несомненно, представляет собой чрезвычайно тонкий и эффективный инструмент изучения взаимодействия излучения с веществом в широком смысле этого понятия. Развитие таких спектроскопических методов, основой которых является КР, как спектроскопия высокого разрешения, резонансного КР, а также создание метода, называемого когерентным антистоксовым рассеянием света [18] было бы практически невозможно без лазеров.

Появление в лабораторной практике лазерных источников света (1960 г.) явилось прорывом в научном познании. Газовые лазеры, излучающие высокомонохроматический и узконаправленный свет, дали возможность даже при невысокой мощности излучения изучать такие тонкости спектральных особенностей, которые были недоступны исследованиям, использовавшим ртутную дугу в качестве источников света. А применение появившихся одновременно с газовыми лазерами мощных твердотельных лазеров привело в рассматриваемой нами области оптики к открытию новых явлений - вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) и гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР). На примере этих явлений завершим рассмотрение логического и исторического развития научной проблемы - в нашем случае проблемы КР света.

В 1962 году Е.Дж.Вудбери и В.К.Нг создали лазер на рубине, в котором добротность модулировалась с помощью ячейки Керра, заполненной жидким нитробензолом. При изучении работы своего лазера они обнаружили, что помимо лазерного излучения, обычного для рубинового лазера, появилось излучение с волновым числом на 1345 см-1 меньше, чем у основного излучения. Так неожиданно для ученых был эмпирически зарегистрирован факт проявления вынужденного комбинационного рассеяния - когда при высоких интенсивностях падающего на вещество света, стоксова компонента КР усиливается на много порядков величины, причем ее частота соответствует самому сильному комбинационному переходу. Кроме того, наблюдается сужение диаграммы направленности рассеянного света. Интересно отметить, что, ВКР еще в 1935 году было предсказано Г.Плачеком в работе «Рэлеевское рассеяние и раман-эффект». Возможно, как и в случае КР, экспериментаторы не знали работ теоретиков. Поэтому тем важнее рассматривать этот факт как очередной исторический урок, который не стоит оставлять без внимания при выработке стратегии научного познания и решении научных проблем в любой предметной области. Открытое как очередной шаг развития научной проблемы комбинационного рассеяния света ВКР сразу же стало объектом пристального внимания и всестороннего изучения и вот уже на протяжении более 40 лет рассматривается как самостоятельная научная проблема.

Перейдем к еще одному не менее важному открытию - открытию ГКР [20]. Как следует из флуктуационной статистической теории Мандельштама, интенсивность рассеянного света зависит не только от соответствующих молекулярных поляризуемостей, но и от числа молекул, попадающих в область рассеяния (т.е. от плотности вещества, а значит, и от его агрегатного состояния). При этом, как мы убедились на опыте работ Мандельштама и Ландсберга, малая вероятность процесса КР в расчете на одну молекулу делает наблюдение КР даже при исследовании конденсированных сред достаточно сложной задачей. Однако КР -- фантастически эффективный инструмент изучения строения молекул, поскольку набор частот внутримолекулярных колебаний однозначно связан со структурой молекул и внутримолекулярным взаимодействием. Это заставляет думать о применении КР для исследования систем с малым числом молекул в области рассеяния, например в молекулярных пучках, или моно и субмонослоях молекул, адсорбированных на поверхности.

Идея исследования адсорбатов методом КР спектроскопии была настолько привлекательной, что экспериментаторы пытались разными ухищрениями увеличить регистрируемый сигнал КР. В 1974 г. английский электрохимик М. Флейшман решил увеличить эффективное число молекул, участвующих в рассеянии от монослоя, расширив площадь поверхности при сохранении видимой площади, освещаемой излучением накачки. Для этого он увеличил шероховатость поверхности серебра анодным травлением в электролите (в водном растворе KCl), а затем там же в электрохимической ячейке адсорбировал на увеличившуюся за счет шероховатости поверхность серебра монослой молекул пиридина -- C5H5N.

Флейшману легко удалось наблюдать спектр КР адсорбированных молекул, что он интерпретировал как следствие возрастания «эффективной» площади монослоя. Однако аккуратные оценки показали, что регистрируемая интенсивность КР увеличилась на 6-7 порядков, в то время как площадь «разрыхленной» анодным травлением поверхности серебреного электрода увеличилась только на порядок!

Это говорило о том, что гипотеза Флейшмана о росте интенсивности КР вследствие роста площади поверхности опровергается результатами его собственных экспериментов, и, скорее всего, наблюдается новый нетривиальный эффект, который и был назван позднее гигантским КР - более точно отражающим суть эффекта является определение его как аномально усиленного поверхностного комбинационного рассеяния.

Удивительное и неожиданное в этой истории - не только само обнаружение новых и действительно гигантских эффектов в весьма традиционной области физики - оптике металлов, но и то, что комбинационное рассеяние выступает здесь одновременно и инструментом обнаружения этого нового эффекта и методом познания адсорбированного вещества.

Интересным кажется и то, что возникли два в известном смысле альтернативных подхода в объяснении гигантского усиления, так как природа их действительно альтернативна. Один - это чистая электродинамика, второй же, по сути, - квантовая химия. При этом оба механизма, хоть и в значительно разной степени, дают вклад в один и тот же эффект. Аналогично ВКР гигантское комбинационное рассеяние стало отдельной научной проблемой, работы по развитию которой очень активно ведутся сейчас во многих странах.

С практической точки зрения нам важно, что, комбинируя различные подходы, мы можем реализовать такие экспериментальные условия, при которых комбинационное рассеяние света, еще недавно не без проблем наблюдаемое даже в конденсированных средах, может действительно регистрироваться для одиночных молекул.

А с точки зрения философско-методологического анализа мы получили еще одну подсказку для выработки правильного подхода к решению научной проблемы, а именно не надо отказываться от творчества.

Заключение

В настоящее время КР используется как самостоятельный метод исследования либо как основа разнообразных методов исследования во многих практических сферах жизни и областях науки, таких как химия, физика поверхности, кристаллография и нелинейно-оптические технологии, материаловедение, биология и медицина, археология, криминалистика, охрана окружающей среды. И этот список может быть продолжен. Каждый из методов имеет свою историю относительно сфер приложения и огромное количество накопленных знаний.

Успеху КР как оптического метода исследований и его популярности в немалой степени способствует сравнительно простая техника эксперимента, по крайней мере в той части исследования, которая связана с определением собственных частот молекулы, а также хорошо развитая и продуманная техника, делающая нетрудным освоение конкретных прикладных методов и для лиц, не являющихся специалистами в области оптических исследований.

Однако, это справедливо только, когда речь идет о выполнении однотипной операции со строго фиксированными параметрами; о результатах, не требующих общенаучных методов познания, таких как анализ и синтез, индукция и дедукция, а также гипотетико-дедуктивного метода. Когда же мы говорим о научном поиске, успешная работа с помощью методов на основе КР требует вдумчивого подхода и к постановке эксперимента, и к интерпретации полученных спектров.

Нередко требуется анализ эмпирических результатов, полученных при необходимой вариации условий эксперимента; зачастую неизбежно исследование ряда объектов, обладающих общим классификационным признаком, и их индукционное обобщение. Поэтому ясно, что научному сотруднику, использующему методы КР, наряду со специальными знаниями приборной техники и методик экспериментальной работы, необходимы достаточно углубленное физическое понимание существа явления, отраженное в теоретических работах, достаточное знакомство с приемами постановки задач и проблемой верификации результатов. Это представляет определенную трудность, связанную с непрерывно прогрессирующим сужением специализации знаний.

Еще Эйнштейн в первой трети прошлого века отмечал, что «специализация во всех отраслях человеческой деятельности, несомненно, привела к невиданным достижениям, правда, за счет сужения области, доступной отдельному индивидууму… В связи с возросшим уровнем знаний значительная специализация стала неизбежной» [21]. С тех пор минуло почти столетие, объем накопленных знаний увеличился на порядки.

Специализация углубилась не только в пределах отдельной предметной области, но и внутри одного направления, в том числе между экспериментальными и теоретическими исследованиями, которые в большинстве случаев проводятся параллельно и часто не связаны друг с другом. Для этого есть субъективная причина, обусловленная ограниченностью объема знаний и познавательных возможностей каждого отдельного индивидуума, и объективные причины: образовательная, территориальная, экономическая и идеологическая. Преодоление последствий, вызванных этими причинами, на мой взгляд, могло бы стать глобальной стратегией дальнейшего развития научного познания.

Образовательная специализация начинается еще со школы и углубляется далее в средних специальных и высших учебных заведениях. Я не буду останавливаться на анализе этого вопроса с точки зрения ее достоинств и недостатков. Эта проблема может и должна стать темой отдельной дискуссии, особенно в свете последних перемен в области образования в нашей стране. Я хотела бы подчеркнуть, что по большей части базовые знания, полученные по отдельным предметным дисциплинам, остаются разрозненными, а потому часто невостребованными.

Причина «невостребованности», например физических знаний, прежде всего в том, что эти знания специалистов существуют как бы сами по себе, обособленно от технических и других дисциплинарных задач. Часто знания простаивают или просто забываются. Как следствие многие задачи решаются с большим опозданием и не всегда лучшими способами. Поэтому интересным, как мне кажется, путем преодоления этого разрыва, связанного с образовательной специализацией, является предложенная Ю.В.Гориным и В.В.Землянским методика целенаправленного применения естественнонаучных познаний студентов для развития творческого мышления участников творческого процесса [22].

Суть методики заключается в том, чтобы с одной стороны выработать у учащихся своего рода «динамический стереотип» - увидел, уяснил задачу - обращайся к физике, химии, биологии и др. Этот принцип применим и к разным разделам в пределах одной предметной области, но также узко специализированным.