Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - Сергей Титов

Рис. 28. Лазеры в медицине

В медицине с помощью лазеров проводят сложные хирургические операции (рис. 28).

Например, тонкий луч аргонового лазера свободно проходит через прозрачное стекловидное тело глаза и оказывает воздействие непосредственно на его светочувствительную оболочку – сетчатку. Это позволяет проводить внутриглазные операции, требующие особой точности.

Самыми распространёнными устройствами, в которых используется лазерное излучение, являются компакт-диски для записи текстов, музыки и изображений (рис. 29).

Рис. 29. Компакт-диск

Первые диски появились в середине 80-х гг. прошлого века и получили название CD-ROM. Их информационная ёмкость по тем временам казалась огромной, но вскоре, когда возникла потребность в записи видеофильмов и больших игровых программ, они стали вытесняться дисками DVD, которые могут хранить значительно большее количество информации.

Принцип устройства лазерного диска можно в общих чертах описать так. На диске имеются дорожки, содержащие микроскопические выступы и углубления. Углубления называются питами (от англ. pit – ямка, впадина). Закодированная на диске информация определяется чередованием питов и промежутков между ними. Можно придать питу значение 0, а промежутку – значение 1 и получить информацию, закодированную в виде чисел двоичной системы. А мы знаем, что с помощью двоичного кода можно сохранить любое количество информации, не важно, будет она текстовой, звуковой или рисуночной. При считывании информации лазерный луч направляется на поверхность вращающегося компакт-диска, а отражённый свет попадает в принимающее устройство, где вызывает слабые электрические импульсы. Свет, идущий от углублений, оказывается более слабым, чем отражённый от плоских участков. Таким образом, двигаясь вдоль дорожки, система считывания «видит» последовательность тёмных и светлых участков.

Рис. 30. Лазерное шоу.

После фотоприёмника электрический сигнал проходит через усилитель и преобразуется в цифровую информацию, которая впоследствии перекодируется в звук или изображение. Для записи информации на диск используют обратный процесс. Более сильный лазерный луч, направленный на диск, «выжигает» на нём микроскопический участок поверхности. В дальнейшем при проигрывании «выжженные» и «невыжженные» участки будут по-разному отражать падающие на них лазерные лучи, и мы получим уже описанную картину. При стирании информации пробегающий лазерный луч уничтожает питы и выравнивает поверхность диска.

Разноцветные лучи лазера используют также в оформлении праздников и красочных представлений (рис. 30).

1. Объясните, почему движение электронов в лазере более упорядочено, чем в газоразрядной трубке.

2. Почему лазерное излучение обладает огромной энергией?

3. Что такое монохроматическое излучение? Почему излучение лазера является монохроматическим?

4. Приведите примеры использования лазера в практических целях.

5. Опишите принцип работы лазерных звуко– и светозаписывающих устройств.

Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение или презентацию об использовании лазеров.

§ 15 Синергетика – наука о самоорганизации

…Мир вокруг нас изобилует всевозможными структурами, начиная с тех, которые мы встречаем в природе, и заканчивая теми, что присущи разумной жизни; мы настолько привыкли к структурам, что зачастую уже не осознаём, каким чудом является само их существование.

Возможно, вы уже обратили внимание на то, что, рассказывая о физико-химических ячейках Бенара и об устройстве лазеров, мы прибегали к аналогиям, касающимся поведения человеческих коллективов. Во второй половине XX в. среди некоторых исследователей, работавших в различных областях науки, стало складываться мнение, что самые разнообразные природные процессы – от физико-химических до астрономических и социальных – имеют сходные черты. В результате возникло новое научное направление, которое один из его основателей, немецкий физик-теоретик Герман Хакен (род. 1927), назвал синергетикой, что в переводе с греческого языка означает «совместное действие». Для появления этой новой науки существовали многочисленные предпосылки.

По мере развития науки углублённое исследование конкретных частных процессов привело к предположению, что в природе должны существовать какие-то общие закономерности, лежащие в основе самых разнообразных явлений. Впервые обоснования таких закономерностей появились в термодинамике неравновесных процессов, когда было показано, как из хаотического движения отдельных частиц могут спонтанно возникать организованные структуры. Книга И. Пригожина и И. Стенгерс, где изложены основные положения новой науки, носит именно такое название – «Порядок из хаоса». Новые научные данные, казалось бы, противоречили как классической механике, где поведение любой частицы предопределяется силами притяжения и отталкивания, так и классической термодинамике, согласно которой порядок в природе постоянно стремится превратиться в хаос, а обратный процесс невозможен, потому что крайне маловероятен. Надо сразу оговориться, что это противоречие кажущееся. На самом деле самоорганизация существует только в открытых неравновесных системах, в то время как термодинамика имела дело с изолированными равновесными системами. Поэтому новые данные не противоречили классическим представлениям, но важно, что они из них и не вытекали.

В связи с этим Пригожин предложил обратить внимание на другой вопрос, долгое время не рассматривавшийся классической физикой: каким образом происходит образование и эволюция сложных структур? Физика всегда изучала уже существующие структуры и не уделяла должного внимания их возникновению. Напомним, что в классической механике время считалось абсолютно обратимым. Термодинамика ввела понятие «стрелы времени», но эта стрела была направлена только в одну сторону – в сторону увеличения энтропии и нарастания хаоса. Теперь выяснилось, что время может обладать не только разрушительными, но и конструктивными свойствами.

Собственно говоря, процесс эволюционного совершенствования был известен людям давно. Уже с XVIII в. широко обсуждались темы, связанные как с зарождением и развитием отдельных организмов, так и с глобальными эволюционными процессами в живой природе и в человеческом обществе. Но все эти процессы относились только к живым системам, которые хотя и не противоречили законам физики, но рассматривались как бы в стороне от них.

С идеей создания новой науки синергетики выступил в 70-х гг. прошлого века Г. Хакен. О том, каким образом у него возникла эта идея, он рассказывает так:

«…Я задал вопрос: «Имеет ли самоорганизация общие законы?» и предложил изучать этот вопрос внутри новой дисциплины, которую я назвал синергетикой. Слово «синергетика» пришло из греческого языка и означает науку о сотрудничестве, кооперации. Вопрос, существуют ли в ней общие законы или принципы, казался несколько удивительным и возможно даже шокирующим, потому что допускалось, что части системы могут быть совершенно различного характера, в диапазоне, скажем, от молекул в жидкости до человеческих индивидуумов в обществе. Мы рассматриваем системы, которые могут формировать пространственные, временные или функциональные структуры. Эти структуры формируются непосредственно самими системами без какого-либо вмешательства извне. Такие структуры конечно же формируются в процессе развития растений или животных, но их можно найти и в неодушевлённом мире физики и химии. Мы сфокусировали своё исследование систем на таких ситуациях, где качественные изменения системы происходят в макроскопических масштабах».

Согласно синергетике, развитие открытой неравновесной системы начинается с небольших случайных отклонений – флуктуаций. Если такие отклонения оказываются близки в пространстве и времени, они могут усиливать друг друга с помощью положительной обратной связи (§ 67). Может возникнуть структура, которая растёт и развивается за счёт положительных обратных связей между её элементами. Одновременно в результате других флуктуаций могут возникать и другие структуры, которые связаны с первой антагонистической связью и поэтому конкурируют с ней.

Одним из основных в синергетике является понятие параметра порядка. Параметр порядка, или управляющий параметр, – это фактор, который организует структуру и придаёт ей относительную устойчивость. Важно, что эта организация проявляется на уровне целой системы, в то время как каждый её элемент в принципе свободен в выборе своего поведения. Представим себе улицу, по которой в час пик движется множество людей. Если на этой улице находится станция метро или остановка автобуса, то основное движение будет направлено именно к ним. При этом каждый человек может идти как ему угодно: он может вспомнить, что забыл что-то купить, и повернуть назад к магазину, может встретить знакомого и остановиться поговорить с ним и т. д. Но в целом движение основной массы людей будет направлено к одной точке, которая и будет в данном случае служить параметром порядка (рис. 31).