История и методология фотоники и оптоинформатики. Учебное пособие

обладающие такими свойствами, были созданы американскими учѐными Дэвидом Смитом и коллегами в лаборатории Шелдона Шульца.

Виктор Георгиевич Веселаго родился в 1929 году и, как сам говорил, до определенного момента не интересовался физикой. А затем произошла одна из тех случайностей, которые меняют не только направление судьбы человека, но и развития науки. В седьмом классе Виктор заболел и начал читать книги, чтобы скоротать время. Среди них оказалась и «Что такое радио?» Книга, прочитав которую, школьник не на шутку увлекся радиотехникой и физикой. Когда пришло время выбирать ВУЗ, Виктор Георгиевич узнал, что в Московском университете открывается новый физико-технический факультет, где помимо других специальностей есть и радиофизика.

Абитуриентам ФТФ МГУ предстояло сдать девять экзаменов. На первом же из них — письменной математике — Веселаго получил «двойку». Сейчас он объясняет свою неудачу тем, что просто растерялся, оказавшись в огромной аудитории. На следующий день, когда он пришел забирать документы, заместитель декана Борис Осипович Солоноуц посоветовал ему все же прийти на следующий экзамен. Поскольку терять было нечего, молодой человек так и поступил. Все остальные восемь экзаменов сдал на пятерки и был принят. Уже потом выяснилось, что деканат решил не отсеивать абитуриентов по результату первого экзамена, так как таких же ребят было много. Затем были четыре года учебы, которые сейчас Виктор Георгиевич называет самым счастливым временем своей жизни. Студентам читали лекции такие преподаватели, как Петр Леонидович Капица, Лев Давидович Ландау. Летнюю практику Виктор Веселаго проходил на радиоастрономической станции в Крыму, где познакомился с ее руководителем, сотрудником ФИАНа профессором Семеном Эммануиловичем Хайкиным. Оказалось, что именно он написал ту самую книгу «Что такое радио?».

В 1951 году физико-технический факультет МГУ был закрыт — он переформировался в Московский физико-

91

технический институт, а студентов бывшего ФТФ распределили по другим факультетам. Виктор Георгиевич оказался на физическом факультете МГУ и, формально, окончил именно его, но считает себя выпускником Физтеха. Дипломную работу Веселаго защищал у Александра Михайловича Прохорова в Физическом институте им. П.Н.Лебедева, где потом и продолжил работать под его руководством. Сначала — в ФИАНе, а с 1982 года и по сей день — в отпочковавшемся от него Институте общей физики (ИОФАНе, который сейчас носит имя А.М.Прохорова).

8.4 Среды с отрицательным показателем преломления

В1960-е годы Виктор Георгиевич стал исследовать материалы, которые одновременно являются и полупроводниками, и ферромагнетиками. Это натолкнуло его на мысль о том, что возможно существование сред с так называемым отрицательным показателем преломления, о которых упоминал еще Мандельштам. В 1967 году в журнале «Успехи физических наук» молодой ученый Веселаго опубликовал статью под названием «Электродинамика веществ

содновременно отрицательными значениями ε и μ», где впервые был введен термин «вещества с отрицательным показателем преломления n» и описывались их возможные свойства.

Вто время, в середине 60-х, Виктор Георгиевич активно разрабатывал оптику сред, теоретически им описанных и обладающих свойствами, парадоксальными с обыденной точки зрения. Последовательно проведенное электродинамическое описание привело, однако, Виктора Георгиевича к пересмотру традиционной трактовки одного из важных положений электродинамики о связи энергии поля с его импульсом. По этому поводу Веселаго написал статью. На стадии направления статьи в печать ее внимательно прочел директор ФИАНа Скобельцын и посчитал тему ненаучной. В результате давления руководства Веселаго пришлось из чувства научной солидарности и патриотизма оставить интересующее его

92

направление. Он сменил тему исследования. Причем в

пропущенную в печать.

К счастью, большая основополагающая статья В. Г. Веселаго, содержащая главные положения его подхода к проблеме и множество важных выводов, была опубликована в авторитетнейшем журнале «Успехи Физических Наук» еще до того, как дирекция ФИАН обратила свое внимание на автора и потребовала прекратить исследования по теме материалов с отрицательным показателем преломления. Примерно лет через 40 две группы американских ученых сообщили о реализации ими сред, существование которых предположил Веселаго из ФИАНа, и не только предположил, но теоретически изучил их свойства еще в 60-е годы прошлого века. Эти американцы были потрясены тем, что Виктор Георгиевич жив, здоров и попрежнему активен. После этого он стал желанным гостем на всех их конференциях, регулярно собираемых по поводу изучения таких сред.

После своей фундаментальной статьи статьи Веселаго, верный принципу менять тематику каждые 5–6 лет, увлекся новыми направлениями: магнитными жидкостями, фотомагнетизмом, сверхпроводимостью.

Вцелом, по его воспоминаниям, за время работы в ФИАНе–ИОФАНе он прошел интересный и плодотворный путь советского ученого — от студента-дипломника до доктора наук, заведующего отделом сильных магнитных полей, который к концу 1980-х годов включал около 70 человек, работавших по 5–7 разным направлениям. По сути, отдел был маленьким институтом в институте, который за это время выпустил более 30 кандидатов наук.

Внастоящее время Виктор Георгиевич руководит лабораторией магнитных материалов отдела сильных магнитных полей ИОФАН им. А. М. Прохорова. В 2004 году ему была присуждена премия имени академика В.А.Фока за работы по теме «Основы электродинамики сред с отрицательным коэффициентом преломления».

93

Сейчас уже экспериментально подтверждена правота выводов Веселаго, полученных в 60-е годы прошлого века. В 2000 г. Дэвид Смит вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего изготовил метаматериал с отрицательным показателем преломления для СВЧ диапазона. Поведение света в нем оказалось таким, каким и предсказывал его Веселаго. Однако свойства новых материалов оказались настолько странными, что теоретикам пришлось переписать книги по электромагнитным свойствам веществ. Экспериментаторы уже на протяжении более чем 10 лет успешно занимаются разработкой технологий, в которых используются удивительные свойства метаматериалов, и создают суперлинзы, преодолевающие разрешающий предел оптики и позволяющие получать изображения с деталями меньше длины волны используемого света. Одними из первых современных исслдователей нового направления являются сэр Джон Пендри (John B. Pendry) и Дэвид Смит (David R. Smith) —

члены группы исследователей, получившей в 2005 г. за вклад в изучение метаматериалов приз им. Декарта. Они вместе принимали участие в разработке новых материалов еще с 2000 г., причем Пендри сосредоточился на теории сред с отрицательным показателем преломления, а Смит специализируется на экспериментальных исследованиях. Пендри — профессор физики в Имперском колледже в Лондоне, и в последнее время его главным интересом были электромагнитные явления, а также квантовое трение, перенос тепла между наноструктурами и квантование теплопроводности. Смит — профессор электротехники и компьютерной техники в Университете Дьюка. В настоящее время экспериментально продемонстрированы метаматериалы на основе стеклянной матрицы с включениями из благородных металлов для оптического диапазона. И среди исследователей таких метаматериалов можно назвать фамилии А. Шалаева, Ю. Кившаря, А. Белова, С. Третьякова.

94

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое метаматериалы?

2.Когда были созданы первые искусственные среды для манипулирования электромагнитными волнами? Для какого диапазона?

3.Какой вклад внес Д. Боше в развитие науки о распространении электромагнитных волн?

4.Опишите вклад С. Щелкунова в развитие современных метаматериалов.

5.Что такое среды с отрицательным показателем преломления?

6.Кто впервые развил электродинамику сред с отрицательным показателем преломления?

7.Назовите сферы научной деятельности В.Г. Веселаго.

8.Какие награды получи В.Г. Веселаго?

9.Когда были впервые экспериментально продемонстрированы среды с отрицательным показателем преломления? Кем?

10.Что такое супер-линза?

11.Кто внес большой теоретический вклад в исследование сред с отрицательным показателем преломления?

12.Назовите фамилии исследователей метаматериалов.

13.Назовите перспективы использования метаматериалов.

95

Заключение

Современная наука развивается бурными темпами. Научно-технический прогресс все ускоряет свое развитие. Наука вплетается во все сферы жизни человеческого общества. Нель назвать практически ни одной сферы, где не были бы использованы достижения современной науки. Это накладывает отпечаток на требования, которые предъявляются к профессиональной деятельности современного ученого и инженера. Повышенная наукоемкость всех современных приборов и технологий требует от инженерных работников владения на хорошем уровне знаниями, которыми располагает современная наука, знания методологических подходов, применяемых для решения тех или иных инженерных задач, умения отличать научные знания от ненаучных на основе четко сформулированных методологических критериев, умения предвидеть влияние результатов своих исследований и разработок на жизнь человеческого общества. Поэтому для современного инженера, работающего в сфере оптоволоконной связи, лазерного производства, светодиодного освещения, хранения, передачи информации при помощи света, создания и эксплуатации компьютеров, создания биологических сенсоров

итребуются знания по курсу "История и методология фотоники

иоптоинформатики".

96

Глоссарий

Верифицируемость (от лат. verificare – доказать истину) - понятие методологии науки, характеризующее возможность установления истинности научных утверждений в результате их эмпирической проверки.

Знание - форма существования и систематизации результатов познавательной деятельности человека.

Лазер - оптический квантовый генератор - это устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую и др.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

Логика и методология науки - это дисциплина, которая изучает, что такое наука, в чем состоит специфика научного познания и методов науки, какова структура и функции научного знания, в каком направлении развивается наука.

Методология — учение о методах, способах и стратегиях исследования предмета

Методология (в прикладном смысле) - это система принципов и подходов, на которые опирается исследователь в ходе получения и разработки знаний в рамках конкретной дисциплины – физики, химии, фотоники и др.

Методология науки - в традиционном понимании, - это учение о методах и процедурах научной деятельности

Моделирование - процесс создания или выбора модели, ее изучения и применения полученных данных для познания основного объекта.

Накачка - процесс создания инверсной населенности путем сообщения энергии усиливающей среде.

97

Наука – это сфера человеческой деятельности, направленная на получение новых знаний о природе, обществе и мышлении.

Научно-техническая революция - это одна из стадий или форм научно-технического прогресса. это коренное преобразование производительных сил на базе превращения науки в непосредственную производительную силу, изменение места и роли человека в производстве.

Резонатор Фабри-Перо - представляет собой два плоских зеркала, расположенных параллельно друг другу, между которыми находится усиливающая среда. Резонатор осуществляет квантование частот.

иного эксперимента, даже если такой эксперимент ещѐ не был поставлен.

Фотоника – "целостная область науки и техники, связанная с использованием светового излучения (или потока фотонов) в различных оптических элементах и устройствах, в первую очередь в системах волоконно - оптической связи, а также направленная на создание новых материалов, устройств и технологий, обеспечивающих передачу, прием, обработку, запись, хранение и отображение информации на основе материальных носителей – фотонов" [13].

98

Литература

1.Большая советская энциклопедия. в 30 т. [Текст] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

2.Герасимова, И.А. Философия и методология науки. Философские проблемы науки и техники [Текст]: учеб. пособие для магистрантов / И.А. Герасимова. – М., 2014. –73 с.

3.История развития оптической связи [Электронный ресурс] / Факультет дистанционного обучения (ФДО ТУСУР). –

4.Левин А. Забытые отцы лазера [Электронный ресурс] / А. Левин. –Электрон. текстовые дан. – М., 2006. – Режим доступа: http://www.computerra.ru/terralab/platform/271082/?print=Y ,

свободный. – Загл. с экрана.

5.Канке, В. Основы философии [Текст] / В. Канке. -М.: Логос,

2008. - 288 с.

6.Найдыш, В.М. Концепции современного естествознания [Текст] / В.М. Найдыш. - М.: Альфа-М, 2004. -622 с.

7.Пономарев, А.Б. Методология научных исследований: учеб. пособие [Текст] / А.Б. Пономарев, Э.А. Пикулева. – Пермь: Издво Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 186 с.

8.Поносов, Ф.Н. Современные философские проблемы техники и технических наук : учебное пособие [Текст] / Ф.Н. Поносов. – Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2013. – 262 с.

9.Стѐпин, В.С. Философия науки и техники [Текст] / В.С. Стѐпин, В.Г. Горохов, М.А. Розов. — М.: Гардарики, 1996. - 426 с.

10.Стѐпин, В.С. История и философия науки [Текст] / В.С.

Стѐпин. -М., 2011. - 423 с.

11.Теренин А.Н. Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений [Текст] / А. Н. Теренин. -Л.: Наука,

1967. - 616 с.

12.Тоффлер, Э. Третья волна [Текст]: монография / Э. Тоффлер. — Москва: АСТ, 2004. — 781 с.

99

13.Фотоника [Электронный ресурс] / Википедия : свободная энцикл. – Электрон. дан. – [Б. м.], 2017. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоника, свободный. –

Загл. с экрана.

14.Hecht, J. City of Light. The Story of Fiber Optics [Текст] / J. Hecht. – Oxford: Oxford University Press, 2004. - 358 p.

100