Фотоника и оптоинформатика

ла оставшихся нейтронов к числу протонов стало равным примерно 0,15. К моменту 300 с температура расширяющейся Вселенной упала до 109 К, и возникли условия для образования ядер изотопа водорода ( 21 D ) и гелия ( 23 He, 42 He ). Но это уже начало

эры фотонов, которая длилась примерно от 300 с до 106 лет. До момента 104 лет нейтроны были израсходованы полностью на образование гелия (~25 %). Оставшиеся протоны проявились

вдальнейшем как ядра атомов водорода (~75 %). Примерно это же соотношение между содержанием гелия и водорода сохранилось в среднем во Вселенной и в наше время.

После образования ядер легких элементов (~300 с) вещество еще длительное время (~106 лет) представляло собой плазму. Высокая температура не позволяла существовать нейтральным атомам. После снижения температуры примерно до 4000 К электроны стали удерживаться вблизи ядер, образуя атомы водорода и гелия. Активность взаимодействия фотонов с веществом ослабла. Вселенная, ранее непрозрачная, стала прозрачной. Началась эра вещества (эра звезд), продолжающаяся и сейчас.

Изложенное показывает, что в эру адронов, лептонов и фотонов, т.е. до эры вещества, материальные системы усложнялись и разнообразились путем объединения элементарных составляющих во все более сложные конструкции. Аналогичный подход

впрактической деятельности человека называется технологией по принципу «снизу вверх» (создание сложного из более простых частей). В химии так получают молекулы из атомов, различные материалы – из молекул; механики таким же образом создают сложные изделия из отдельных конструкционных элементов; электронщики получают сложные электронные системы из схемных элементов и т.д.

Вначале эры вещества Вселенная состояла из газообраз-

ного водорода и гелия, почти равномерно распределенных в пространстве. Вокруг первоначально весьма слабых неоднородностей вещества стали образовываться (за счет гравитационных сил) огромные газовые сгущения. Со временем они превра-

31

тились в галактики, которые, в свою очередь, распались на протозвезды. Сжимаясь, протозвезды нагревались до возникновения собственного свечения и таким образом становилисьзвездами.

В итоге первоначально сплошная, почти однородная и предельно хаотизированная плазменная среда Вселенной превратилась за счет гравитационного (и в меньшей степени – электромагнитного) взаимодействия в обособленные звездные скопления – галактики. Механическое взаимодействие материальных частей, ускоряющихся при гравитационном стягивании к центрам галактик и звезд, трансформировалось в поступательное и вращательное движение галактик, звезд и других небесных тел. Возникли новые процессы самоорганизации, которые привели сначала к ядерному превращению звездного водорода в гелий. Затем следовало превращение в более тяжелые элементы (вплоть до железа), а затем и в еще более тяжелые элементы (вплоть до урана) – при взрывах звезд, находящихся в неустойчивом состоянии («взрывы сверхновых»). Так появился «строительный материал» для возникновения вещества.

Таким образом, в начале эры вещества новые структуры (скопления галактик, галактики, звезды и другие небесные тела) возникали из более обширных образований и превращались в их части. В инженерном творчестве подобный процесс связывается с технологией по принципу «сверху вниз». Так изготавливают канцелярские кнопки из цельного листа металла, элементы интегральных микросхем в поверхностном слое монолитного полупроводникового кристалла и т.д.

Изучение Вселенной показывает, что фундаментальные законы природы одинаковы во всей Вселенной и на всех этапах ее эволюции. Те же законы лежат в основе техники

иобеспечивают научно-технический прогресс. Универсальность

иединство законов природы определяют также естествен- но-научную общность фундаментальных основ всех дисциплин учебного плана.

32

2.5. Деятельность специалиста и реальность

Естественная природа развивается на основе процессов самоорганизации. С этой точки зрения человек предстает как особая движущая сила самоорганизации, проявляющаяся на определенном уровне развития материальных структур. С его появлением связано создание и развитие искусственной природы. У истоков искусственной природы стоит человек, ставящий и реализующий определенные цели. В области производства– это инженер. Связи объективной и субъективной реальностей с инженерной деятельностью представлены на схеме (см. рис. 2.5).

Рис. 2.5. Связи объективной и субъективной реальностей с инженерной деятельностью

33

Реальность подразделяется на объективную (иногда ее называют действительностью) и субъективную. Объективную реальность можно разделить на естественную (верхняя левая часть схемы) и искусственную (нижняя левая часть).

Естественная объективная реальность – это весь мир самопроизвольно возникших материальных систем, взаимодей-

ствий, движений. В своей видимой части – это метагалактика (наша Вселенная). Назовем для краткости все, что «населяет» естественную объективную реальность, объектами. Термином «объект» здесь обозначены все три материальные сущности: объект, взаимодействие, движение.

Наша Вселенная непрерывно эволюционирует. Это проявляется в возрастании разнообразия и сложности материальных структур. В процессе эволюции сложилась иерархия в области неживых объектов (см. рис. 2.1). Ветвь эволюции в направлении от простых неорганических к сложным органическим системам (см. рис. 2.2) привела к образованию мыслящих материальных систем; на Земле – это человек. На схеме, изображенной на рис. 2.5, «мыслящий объект» обозначен верхним прямоугольником слева.

Любая материальная система отражает изменением своего состояния наличие и свойства других материальных систем, с которыми она взаимодействует. Строго говоря, в мире все взаимодействует со всем. Поэтому отражение является всеобщим свойством материи, а мышление, возникшее в процессе эволюции материи, представляется высшей формой проявления этого свойства.

Посредством мышления происходит самопознание естественной объективной реальности. В процессе познания наше мышление создает некие образы материальных объектов. Мысленный образ объекта – это его модель. Субъективная реальность «заселена», в частности, моделями материальных объектов. Каждому объекту может быть сопоставлено несколько моделей. Например, при развитии наших представлений об атоме использовались мо-

34

дели Демокрита, Томсона, Резерфорда, Бора и квантово-механи- ческая модель. Поэтому субъективный мир «заселен» более плотно, чем известный естественный мир.

Модели объектов естественного мира возникают в процессе познания природы фундаментальными науками, искусством, религиями, бытовым мышлением. Правая верхняя часть схемы на рис. 2.5 содержит наши представления о том, что существует в естественном объективном мире в настоящее время и что существовало в прошлом. Прошлое моделируют история, теория эволюции Вселенной и другие науки. Для практической деятельности (в частности, инженерной) важно умение домысливать нечто дополнительное к существующему и создавать модели желаемого будущего. Например, в экономике это бизнесплан, в военном деле – тактическая разработка боевой операции, в инженерии – проект нового изделия.

Инженерные проекты, т.е. мысленные образы новых устройств, изделий, механизмов, технологических процессов, занимают свою часть субъективной реальности. Проекты могут материализоваться в схемах, чертежах, вещественных копиях будущих изделий и т.д. Однако во всех случаях суть проекта заключена в инженерной мысли. На рис. 2.5 проекты, как модели будущего, «заселяют» ту часть субъективной реальности, которая представлена справа снизу. Проекты порождаются инженерным творчеством на основе критики недостатков существующего и разработки путей их преодоления.

Субъективная и объективная реальности соприкасаются, во-первых, в процессе познания человеком природы (вертикаль-

ный прямоугольник в верхней части схемы) и, во-вторых, в про-

цессе производственной деятельности инженера (прямоуголь-

ник в нижней части схемы на рис. 2.5). Производственная дея-

тельность инженера порождает искусственную объективную реальность (искусственную природу) при воплощении проектов в изделия (левая нижняя часть схемы). В настоящее время искусственная природа «заселена» громадным количеством изде-

35

лий, и их число постоянно возрастает в результате инженерной деятельности. Они постепенно вытесняют объекты естественной природы из непосредственного жизнеобеспечивающего окружения человека.

Истоки инженерной деятельности находятся в недрах естественной объективной реальности, в фундаментальных законах природы. Ни один проект не может быть осуществлен, если он противоречит этим законам. Создание моделей в процессе познания естественной объективной реальности позволяет человеку осознать, каким образом можно лучше адаптироваться кокружающему миру и видоизменить его с целью повышения качества своей жизни. Такое осознание возникает в той части субъективной реальности, которая является продуктом фундаментальных наук. На следующей стадии творческой деятельности человека (при создании моделей желаемого будущего) абстрактная познавательная деятельность превращается в конкретную созидательную. Зарождается новый этап эволюции природы – этап создания искусственной объективной реальности.

Сравнение особенностей развития естественной и искусственной природы показывает, что эти два процесса имеют как существенно различающиеся, так и схожие признаки.

И инженер, и природа могут создавать только то, что не противоречит законам естествознания. И в первом, и во втором случае сохраняется лишь то, что выдерживает конкурентный отбор. Общее направление развития – « от простого к более сложному». Ограничений в создании интеллектуальных материальных структур у человека, как и у природы, нет. Разница в том, что природа в этом уже преуспела, а человек находится лишь в начале пути. Перечисленное – основа для оптимизма человека как творца своего будущего, источник созидательного порыва для новых поколений инженеров. Фундаментальные науки демонстрируют будущему специалисту неисчерпаемое обилие примеров для подражания в недрах естественной природы. Созданное природой (особенно на этапе биологической эво-

36

люции) по многим показателям опережает созданное человеком. Достаточно вспомнить сложнейшие биологические информационные системы (нервная, гормональная, генетическая), возникшие на Земле более 3 млрд лет назад. Инструментальная информатика пока не может создавать подобные системы.

Осмыслить различия в особенностях эволюции естественной и искусственной природы также важно для будущего инженера. В природе отсутствует феномен морального и физического износа. Переход от простых материальных структур к более сложным структурам не превращает простое в ненужные отходы эволюции. Все возникшее на различных этапах эволюции входит в состав Вселенной как неотъемлемые части единой целостной системы. Напротив, все созданное человеком устаревает, перестает использоваться, превращается в постоянно накапливающиеся отходы искусственной эволюции. К этим отходам добавляются изделия разового использования, а также неизбежные побочные продукты технологических процессов. Важнейшим отходом становится и выделяемая в процессе деятельности человечества энергия.

В итоге возникает техногенная перегрузка сферы жизнедеятельности человека бесполезными или даже вредными отходами искусственной эволюции. На планете Земля допустимый уровень указанной перегрузки имеет определенный критический предел, и этот предел фактически достигнут. Поэтому инженер XXI века, создавая новое, должен способствовать снижению количества техногенных отходов.

Во Вселенной нет процессов, приводящих к общим потерям энергии, происходят лишь процессы ее перераспределения и взаимного превращения из одного вида в другой. Человек вынужден пока использовать в основном ограниченные невозобновляемые энергетические ресурсы. Поэтому современный инженер в любой сфере деятельности должен максимально снижать энергопотребление и по возможности переходить на возобновляемые источники энергии.

37

Наконец, при естественной эволюции не обнаруживаются какие-либо пределы, за которыми просматривался бы сценарий саморазрушения и гибели всей системы в целом. Развитие же искусственной природы на Земле имеет критические пределы. Некоторые ученые убеждены, что пределы возможного для эволюции человечества уже преодолены. Если не перейти на оптимальное, научно обоснованное регулирование развития техники

иэкономики, то в XXI в. нас ожидают глобальные катастрофы (необратимые изменения климата, существенное сокращение видового разнообразия в биосфере, недопустимые потери минеральных ресурсов и т.д.), а вслед за этим – социальные катак-

лизмы. Современный инженер, будучи профессионалом в области некоторого конкретного производства, должен учитывать сложную цепь взаимосвязей практической деятельности человека и глобальной стабильности существования человече-

ского общества на Земле. Инженерная прослойка в обществе является достаточно активной и многочисленной. От культуры

имировоззренческих установок, преобладающих в сообществе инженеров, во многом зависит формирование рационального типа поведения общества в целом. Очевидно, что узкоспециальное инженерное образование совершенно не отвечает этой социальной роли инженера.

Инженер в своей деятельности часто копирует природу, в которой реализуются два универсальных «подхода» при создании новых систем из уже существующих. В процессе эволюции природа создает новую систему либо из более простых и компактных элементов (по так называемому принципу «снизу вверх»), либо из более сложных и крупных по принципу «сверху вниз». По принципу «снизу вверх» возникли, например, молекулы из атомов, макротела из молекул, залежи монолитного песчаника из совокупности песчинок, планеты из мелких небесных тел. По принципу «сверху вниз» образовались галька и песок из монолитных горных пород, капли дождя из однородных объемов водяного пара, звезды (как обособившиеся части галактик).

38

Аналогичным образом работает и инженер. По принципу «снизу вверх» он синтезирует молекулы из отдельных атомов и вещество в макрообъемах (из молекул). По принципу «сверху вниз» инженер создает из крупного макротела более мелкие изделия. Например, исходным «макротелом» в производстве интегральной микросхемы является монокристаллический слиток кремния. Его разделяют на тонкие пластины, из которых получают небольшие кристаллики – чипы, на которых специальными методами (литография) выделяются еще более мелкие части, являющиеся активными, пассивными или соединительными элементами интегральных микросхем. В итоге материал слитка объемом более 104 см3 используется для создания схемных элементов объемом менее 10–14 см3. Теперь этот метод усовершенствуется и переносится в технологию наноструктур.

Вобычных технологиях чаще используется принцип «сверху вниз». В нанотехнологии, вероятно, более широко будет использоваться принцип «снизу вверх», т.е. от атомарных объектов к объектам наноразмеров. При этом особую значимость приобретают процессы самоорганизации атомов в необходимые наноструктуры.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие основные направления инженерной деятельности вы знаете?

2.В чем состоит иерархическая связь между различными видами производств?

3.Как связаны различные виды производств с природой?

4.Охарактеризуйте основные направления и механизмы эволюции естественной и искусственной природы.

5.Каков результат эволюции нервной системы живых организмов?

6.Что представляет собой человек как особая материальная система?

7.Чем обусловлена и в чем проявляется взаимосвязь между различными учебными дисциплинами?

8.Опишите иерархические системы материальных структур.

39

9.Как связаны фундаментальные науки с материальными структурами?

10.Как связаны общие естественно-научные основы различных направлений инженерной деятельности с законами природы?

11.Каким образом возникли химические элементы и структурыиерархической системы неорганической природы?

12.Что такое реальность? Что охватывают понятия «объективная» и «субъективная реальность»?

13.Что такое инженерный проект?

14.Охарактеризуйте сферы соприкосновения объективной

исубъективной реальностей.

15.Сравните особенности развития естественной и искусственной природы.

16.Каковы основные источники накопления техногенных отходов жизнедеятельности человека? Каковы задачи инженера в этой сфере?

17.Охарактеризуйте роль инженера в обеспечении глобальной стабильности существования человеческого общества.

18.В чем суть двух основных вариантов возникновения в природе новых систем по принципу «снизу вверх» и «сверху вниз»? Опишите аналогичные варианты технологий в инженерной практике.

3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ДИСЦИПЛИН УЧЕБНОГО ПЛАНА

3.1. Особенности Федерального государственного образовательного стандарта по направлению «Фотоника и оптоинформатика»

В основе подготовки бакалавров лежит Федеральный государственный образовательный стандарт (ФГОС). Для каждого направления подготовки имеется свой ФГОС. Он определяет:

– нормативный срок подготовки;

40