Природознавство XX століття

РЕФЕРАТ

з курсу «Концепції сучасного природознавства»

«Природознавство XX століття»

1. Четверта наукова революція

Ще в кінці XIX століття більшість вчених схилялися до точки зору, що фізична картина світу в основному побудована і залишиться надалі непорушною. Попереду уточнювати лише деталі. Але в перші десятиліття XX століття фізичні погляди змінилися докорінно. Це було наслідком «каскаду» наукових відкриттів, зроблених протягом надзвичайно короткого історичного періоду, що охоплює останні роки XIX століття і перші десятиліття XX століття.

У 1896 році французький фізик Антуан Анрі Беккерель (1852-1908) відкрив явище самовільного випромінювання уранової солі. Досліджуючи це явище, він спостерігав розряд наелектризованих тіл під дією зазначеного випромінювання і встановив, що активність препаратів урану залишалася незмінною більше року. Однак природа нового явища ще не була зрозуміла.

У його дослідження включилися французькі фізики, подружжя П'єр Кюрі (1859-1906) і Марія Склодовська-Кюрі (1867-1934). Перш за все їх зацікавило питання: чи немає інших речовин, що володіють властивістю, аналогічним урану? У 1898 році були відкриті нові елементи, також мають властивість випускати «беккерелеви промені», - полоній і радій. Це властивість подружжя Кюрі назвали радіоактивністю. Їх напружену працю приніс щедрі плоди: з 1898 р. одна за одною стали з'являтися статті про отримання нових радіоактивних речовин. А роком раніше, в 1897 році, в лабораторії Кавендіша в Кембриджі при вивченні електричного розряду в газах (катодних променів) англійський фізик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) відкрив першу елементарну частинку - електрон. У наступних дослідах з вимірювання заряду електрона і отриманню відносини цього заряду до маси було виявлено абсолютно незвичайне явище залежності маси електрона від його швидкості. З'ясувавши, що електрони є складовими частинами атомів усіх речовин, Дж. Томсон запропонував у 1903 році першу (електромагнітну) модель атома. Відповідно до цієї моделі, негативно заряджені електрони розташовуються певним чином (як би «плавають») всередині позитивно зарядженої сфери. Збереження електронами певного місця в сфері є результат рівноваги між позитивним рівномірно розподіленим її зарядом і негативними зарядами електронів. Але модель «атома Томсона» проіснувала порівняно недовго.

У 1911 році знаменитий англійський фізик Ернест Резерфорд (1871-1937) запропонував свою модель атома, яка отримала назву планетарної. Появі цієї нової моделі атома передували експерименти, проведені Е. Резерфордом і його учнями, що стали згодом знаменитими фізиками, Гансом Гейгером (1882-1945) і Ернстом Марсденом (1889-1970). У результаті цих експериментів, які показали неприйнятність моделі атома Дж. Томсона, було виявлено, що в атомах існують ядра - позитивно заряджені мікрочастинки, розмір яких дуже малий у порівнянні з розмірами атомів. Але маса атома майже повністю зосереджена в його ядрі. Виходячи з цих нових уявлень, Резерфорд і висунув своє розуміння будови атома, яку він оприлюднив 7 березня 1911 на засіданні Манчестерського філософського товариства. На його думку, атом подібний Сонячній системі: він складається з ядра і електронів, які обертаються навколо нього.

Але планетарна модель Резерфорда виявила серйозний недолік: вона виявилася несумісною з електродинаміки Максвелла. Згідно законам електродинаміки, будь-яке тіло (частка), що має електричний заряд і що рухається з прискоренням, обов'язково має випромінювати електромагнітну енергію. Але в цьому випадку електрони дуже швидко втратили б свою кінетичну енергію і впали на ядро. З цієї точки зору, залишалася незрозумілою надзвичайна стійкість атомів. Крім того, відповідно до законів електродинаміки, частота випромінюваної електроном електромагнітної енергії повинна бути дорівнює частоті власних коливань електрона в атомі або (що те ж) числа оборотів електрона навколо ядра в секунду. Але в цьому випадку спектр випромінювання електрона має бути безперервним, оскільки електрон, наближаючись до ядра, міняв би свою частоту. Досвід же показував інше: атоми дають електромагнітне випромінювання тільки певних частот (саме тому атомні спектри називають лінійчатими, тобто складаються з цілком визначених ліній). Така визначеність спектра, його яскраво виражена хімічна індивідуальність дуже важко поєднується з універсальністю електрона, заряд і маса якого не залежать від природи атома.

Вирішення цих протиріч випало на долю відомого датського фізика Нільса Злодія (1885-1962), який запропонував своє уявлення про атом. Остання грунтувалося на квантовій теорії, початок якої було покладено на рубежі XX століття німецьким фізиком Максом Планком (1858-1947). Планк висунув гіпотезу, яка говорить, що випускання і поглинання електромагнітного випромінювання може відбуватися лише дискретно, кінцевими порціями - квантами.

Н. Бор, знаючи про модель Резерфорда і прийнявши її в якості вихідної, розробив у 1913 році квантову теорію будови атома. В її основі лежали такі постулати: в будь-якому атомі існують дискретні (стаціонарні) стану, перебуваючи в яких атом енергію не випромінює; при переході атома з одного стаціонарного стану в інший він випромінює або поглинає порцію енергії.

Запропонована Бором модель атома, яка виникла у результаті розвитку досліджень радіоактивного випромінювання та квантової теорії, фактично стала доповненим і виправленим варіантом планетарної моделі Резерфорда. Тому в історії атомної фізики говорять про квантової моделі атома Резерфорда - Бора.

Слід зазначити, що наукові заслуги Резерфорда не обмежуються дослідженнями, які призвели до згаданої планетарної моделі атома. Спільно з англійським хіміком Фредеріком Содді (1877-1956) він провів серйозне вивчення радіоактивності. Резерфорд і Содді дали трактування радіоактивного розпаду як процесу перетворення хімічних елементів з одних в інші. «Незмінюваність властивостей електронів при звичайних фізичних і хімічних процесах, - писав Н. ​​Бор, - безпосередньо пояснюється тим, що в таких процесах, хоча зв'язку електронів і можуть сильно мінятися, ядро залишається без змін. Резерфордом була доведена і взаємна перетворюваність атомних ядер під дією потужних сил. Тим самим Резерфорд відкрив абсолютно нову область досліджень, яку часто називають сучасною алхімією »50.

Як тут не згадати крах прагнень і сподівань багатьох поколінь алхіміків отримувати одні хімічні елементи (найчастіше - золото) з інших, у зв'язку з відкриттям у другій половині XVIII століття Лавуазьє закону незмінності хімічних елементів. І раптом, на початку XX століття, виявилося, що в результаті радіоактивного розпаду деякі елементи мимовільно перетворюються в інші. Це було воістину науковою сенсацією.

Втім, наука XX століття принесла чимало сенсаційних відкриттів, багато з яких зовсім не вкладалися в уявлення повсякденного людського досвіду. Яскравим прикладом цього може служити теорія відносності, створена на початку нашого століття мало кому відомим тоді мислителем Альбертом Ейнштейном (1879-1955).

У 1905 р. ним була створена так звана спеціальна теорія відносності. У цілому теорія А. Ейнштейна грунтувалася на тому, що - на відміну від механіки І. Ньютона - простір і час не абсолютні. Вони органічно пов'язані з матерією і між собою. Коли А. Ейнштейна попросили висловити суть теорії відносності в одній, по можливості зрозумілою фразою, він відповів: «Раніше вважали, що якби з Всесвіту зникла вся матерія, то простір і час збереглися б, теорія відносності стверджує, що разом з матерією зникли б також простір і час ».

Більш докладно про теорію відносності сказано в розділі, присвяченому просторово-тимчасовим уявленням. Ми тут лише зазначимо, що ця теорія отримала визнання далеко не відразу. Спеціальна теорія відносності була швидко прийнята лише вузьким колом відомих фізиків-теоретиків. Але в 20-х роках, після появи загальної теорії відносності, це коло істотно розширився. Ейнштейн отримав повну підтримку багатьох видатних вчених, які працювали в інших областях фізики, але володіли широкої культурою фізичного мислення.

У той же час існували і тупа обмеженість в науці, мілітаризм і расизм в політиці. Не випадково теорія відносності була зустрінута в багнети у фашистській Німеччині, де до хору злісних голосів, відкинули теорію Ейнштейна як «неарійських», ворожу національному німецьку свідомості, приєдналися такі відомі фізики-експериментатори, як Ленард і Штарк.

Хоча ім'я А. Ейнштейна до цього дня в масовій свідомості пов'язується з теорією відносності, ця теорія була далеко не єдиним його науковим досягненням. Спираючись на уявлення Планка про кванти, Ейнштейн ще в 1905 році зумів обгрунтувати природу фотоефекту. Кожен електрон вибивається з металу під дією окремого світлового кванта, або фотона, який при цьому втрачає свою енергію. Частина цієї енергії йде на розрив зв'язку електрона з металом. Ейнштейн показав залежність енергії електрона від частоти світлового кванта і енергії зв'язку електрона з металом.

Здавалося, що корпускулярна теорія матерії торжествує. Фотон, наприклад, явно має корпускулярні властивості (російський фізик П. Н. Лебедєв навіть довів в 1899 році існування світлового тиску). Але незабаром з'ясувалося, що визначити енергію фотона (частинки світла, що не володіє масою спокою) можна було, тільки представляючи його собі у вигляді хвилі з відповідною довжиною і частотою. Виходило, що фотон - це одночасно і хвиля і частинка. Розповсюджується він як хвиля, випромінюється і поглинається - як частинка.

У 1924 році відбулося велике подія в історії фізики: французький вчений Луї де Бройл' (1892-1987) висунув ідею про хвильових властивості матерії. «Чому, якщо хвильової матерії, має властивості корпускулярної, - писав він, - ми не маємо очікувати і зворотного: що корпускулярної матерії притаманна хвильові властивості? Чому б не міг існувати закон, єдиний для всякого взагалі матеріального освіти, не важливо, хвильового або корпускулярного? ».

Найбільш переконливе підтвердження існування хвильових властивостей матерії було отримано в результаті відкриття (спостереження) дифракції електронів в експерименті, поставленому в 1927 році американськими фізиками Клінтоном Девіссона (1881-1958) і Лестером Джермером (1896-1971). Швидкі електрони, проходячи крізь дуже тонкі пластинки металу, вели себе подібно до світла, що проходить повз малих отворів або вузьких щілин. Іншими словами, розподіл електронів, що відбивали від пластинки і летіли лише за деякими обраними напрямками, було таким же, як якщо б на платівку падав пучок кольору з довжиною хвилі, що дорівнює довжині хвилі електрона, обчисленої за формулою де Бройля.

Експериментально підтверджена гіпотеза де Бройля перетворилася на принципову основу, мабуть, найбільш широкої фізичної теорії - квантової механіки. У об'єктів мікросвіту, що розглядаються з її позицій, виявилися такі властивості, які абсолютно не мають аналогій в звичному нам світі. Перш за все - це корпускулярно-хвильова подвійність, або дуалізм елементарних частинок (це і корпускули і хвилі одночасно, а точніше - діалектична єдність властивостей тих і інших). Рух мікрочастинок у просторі і часі не можна ототожнювати з механічним рухом макрооб'єкти. Наприклад, положення елементарної частинки в просторі в кожний момент часу не може бути визначено за допомогою системи координат, як для звичних нам тел навколишнього світу. Рух мікрочастинок підкоряється законам квантової механіки.

Про абсолютну непридатність законів класичної механіки в мікросвіті свідчить, наприклад, встановлене видатним німецьким фізиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976) співвідношення невизначеностей: якщо відомо місце положення частинки в просторі, то залишається невідомим імпульс (кількість руху), і навпаки. Це одне з фундаментальних положень квантової механіки. З точки зору класичної механіки і просто «здорового глузду», принцип невизначеності видається абсурдним. Нам важко уявити собі, як все це може бути «насправді».

З цього приводу відомий американський фізик Річард Фейнман писав наступне: «Раз поведінка атомів так не схоже на наш повсякденний досвід, то до нього дуже важко звикнути. І новачкові в науці, і досвідченому фізику - всім воно здається своєрідним і туманним. Навіть великі вчені не розуміють його настільки, як їм хотілося б, і це цілком природно, тому що весь безпосередній досвід людини, вся його інтуїція - все додається до великих тіл. Ми знаємо, що буде з великим предметом, але саме так найдрібніші тельця не надходять. Тому, вивчаючи їх, доводиться вдаватися до різного роду абстракцій, напружувати уяву і не намагатися пов'язувати їх з нашим безпосереднім досвідом ».

Всі вищевикладені революційні відкриття у фізиці перевернули раніше існуючі погляди на світ. Зникла переконаність в універсальності законів класичної механіки, бо зруйнувалися колишні уявлення про неподільність атома, про сталість маси, про незмінність хімічних елементів і т. д. Тепер вже навряд чи можна знайти фізика, який вважав би, що всі проблеми його науки можна вирішити за допомогою механічних понять і рівнянь. Народження та розвиток атомної фізики, таким чином, остаточно розтрощило колишню механистическую картину світу.

Разом з цим закінчився колишній, класичний етап у розвитку природознавства, характерний для епохи Нового часу. Настав новий етап некласичного природознавства XX століття, характеризується, зокрема, новими, квантово-релятивістськими уявленнями про фізичної реальності.

2. Науково-технічна революція та її природничонаукова складова

Нові явища та процеси, що мали місце в розвитку природознавства і техніки в першій половині XX століття, підготували унікальне в історії суспільства подія, що отримало найменування науково-технічної революції (НТР). Остання значною мірою визначила характер суспільного прогресу на межі другого і третього тисячоліть.

Природничонаукові і технічні революції, що мали місце в історії суспільства, ніколи раніше не збігалися, не зливалися в єдиний потік. Вони відбувалися порізно. Особливістю другої половини XX століття стали революції в природознавстві і в техніці, які не тільки збіглися за часом, а й виявилися глибоко пов'язаними між собою. Єдність цього революційного процесу адекватно відбилося в самому понятті «науково-технічна революція».

Сучасної науково-технічної революції передував своєрідний підготовчий період, що ставиться до першої половини XX століття. Саме в цей період були зроблені важливі природничі відкриття, що заклали фундаментальні основи подальшого грандіозного науково-технічного перевороту. Серед природничо-напрямків, в значній мірі визначили наступ НТР, були атомна фізика та молекулярна біологія.

Ось як пише про це відомий письменник, популяризатор науки Данило Данин: «1900 рік. Фінішує XIX століття і стартує XX. На їх рубежі народжуються в інтелектуальному побуті людства два нових слова - КВАНТ і ГЕН. Вони стають ключовими у природознавстві сучасності. І тому - доленосними: життя і смерть на нашій планеті глибинно зв'язалися з відкриттями і надіями фундаментальної науки саме в цих нині панують її іпостасях - квантової і генетичної ».

Важливою віхою в драматичній історії атомного століття стало експериментальне спостереження в кінці 30-х років німецькими фізиками О. Ганом і Ф. Штрассманом процесу поділу ядер урану і пояснення цього явища в роботі Л. Майтнер і О. Фріша. Стало ясним, що фізикам вдалося здійснити ланцюгову ядерну реакцію, яка може призвести до ядерного вибуху з виділенням величезної енергії. В умовах розпочатої другої світової війни група вчених США на чолі з А. Ейнштейном звернулася до тодішнього американського президента Ф. Рузвельту і обгрунтувала нагальну необхідність розгортання досліджень у цьому напрямку. Розпочаті після цього дослідні роботи в Лос-Аламоської лабораторії (США, штат Нью-Мексико) призвели в середині 40-х років до створення першої атомної бомби.

У СРСР роботи над атомною зброєю були розпочаті в 1943 році у зв'язку з побоюваннями, що така зброя створює гітлерівська Німеччина. Після ядерних вибухів у Хіросімі і Нагасакі, закінчення другої світової війни і початку війни «холодної» стало очевидним, що наявність монополії на атомну зброю у однієї держави - ​​США є фактором, загрозливим світу і міжнародної стабільності.

Радянський Союз у другій половині 40-х років зробив безпрецедентні зусилля для створення власної атомної бомби. Для вирішення цього завдання були сконцентровані величезні фінансові кошти, найпередовіше наукове обладнання, інтелект кращих вітчизняних вчених-фізиків, сили радянської розвідки, що полювали за атомними секретами в США (за визнанням академіка Ю. Б. Харитона, зробленому на початку 90-х років, перша радянська атомна бомба була виконана за американським зразком).

Остання вимагає, однак, врахування таких обставин. По-перше, ряд видатних радянських фізиків почався працювати над схожими з американськими вченими проблемами ще до початку другої світової війни і знаходив у 40-х роках на передньому краї ядерних досліджень (без такому підготовленому наукової «грунту» здобуті розвідкою «зерна» не дали б ніяких «сходів»). По-друге, радянські фізики могли б створити атомну бомбу самостійно, спираючись тільки на свої сили, але це затягнуло б реалізацію вітчизняного атомного проекту приблизно на два роки, що було вкрай небезпечно в епоху «холодної війни».

Внесок вітчизняних вчених у вирішення проблем атомної фізики виявився досить вагомим. Не випадково СРСР став піонером в освоєнні «мирного атома» (перша в світі атомна електростанція була пущена в 1954 році в місті Обнінську).

XX століття в цілому та його друга половина, що характеризувалася науково-технічною революцією, принесли величезні досягнення в галузі біології, які висунули цю науку в ряди лідерів природознавства. Розвиток біології і, особливо, її складової частини - генетики не тільки зміцнило дарвінівську теорію еволюції живої природи, але й дозволило дати їй сучасне тлумачення. Поняття мінливості і спадковості, яким Дарвін надавав великого значення, були більш глибоко осмислені у світлі досягнутих успіхів молекулярної біології XX століття.

Якщо в першій половині минулого століття прогрес в області вивчення макромолекул був ще порівняно повільним, то в другій половині цього століття, тобто в епоху НТР, ці дослідження істотно прискорювалися завдяки техніці фізичних методів аналізу. На основі отриманих даних про структуру живої речовини вдалося відтворити будова ряду білків і поліпептидних гормонів, а також синтезувати деякі менш складні речовини. Хімія білків, яка раніше здавалася малоперспективною областю природознавства, висунулася на передній край науки, а розкриття в середині XX століття структури дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) послужило початком інтенсивних досліджень в хімії та біології.

Було з'ясовано, що нуклеїнові кислоти, що є носієм і передавачем спадкових якостей і відіграють основну роль у синтезі білків, утворюють групи речовин, важливість яких важко переоцінити. Висунута на початку 50-х років гіпотеза, згідно з якою повинні існувати особливі молекули нуклеїнових кислот, що виконують функції перекладу мови нуклеїнових кислот на мову білків, досить скоро отримала експериментальне підтвердження. До початку 60-х років у вчених-біологів вже склалося чітке розуміння основних процесів передачі інформації в клітині при синтезі білка. Подальший прогрес досліджень у цій галузі дозволив відомому радянському біологу Ю.А. Овчинникову констатувати на початку 80-х років, що «найбільших успіхів біологічна наука досягла в останні 20-25 років, коли вона зуміла заглянути всередину живої клітини і зрозуміти біологічні механізми на рівні молекулярних взаємодій».

Однак розвиток біологічної науки в СРСР йшло далеко не гладко. Потужний ідеологічний пресинг призвів до фактичного згортання на тривалий період вітчизняних досліджень в галузі генетики. У серпні 1940 року був репресований найбільш видатний представник вітчизняної генетики, президент Всесоюзної академії сільськогосподарських наук СРСР (ВАСГНІЛ) Н.І. Вавилов (він загинув у в'язниці в 1943 році). Сумнозвісна сесія ВАСГНІЛ, що проходила з 30 липня по 7 серпня 1948 року, «піддала анафемі» реакційний «менделізм - вейсманізмі - морганізм», тобто вчення іноземних засновників сучасної генетики: чеха Грегора Менделя (1833-1884), німця серпня Вейсмана (1834-1914) та американця Томаса Моргана (1866-1945). З основною доповіддю «Про становище в біологічній науці», що задали тон зазначеної сесії, виступив новий президент ВАСГНІЛ, «народний академік» Т.Д. Лисенко.

«Політика партії в області біології» поширювалася і на інші науки. Була відкинута кібернетика, яка грунтується на аналогії між функціями управління в живих організмах і в певних автоматичних пристроях. Остання була оголошена «буржуазною лженаукою». І ця ідеологічна установка протрималася майже до кінця 50-х років. А адже саме кібернетика склала одне з важливих напрямків науково-технічної революції другої половини XX століття.

Найважче для партійних ідеологів виявилося справу з фізикою, бо саме від фізиків залежало створення атомної бомби. Вже напоготові була команда (головним чином, з працівників московських вузів), призначена для виступу проти академічних вчених-фізиків. І якщо б випробування першої радянської атомної бомби закінчилися невдачею, ідеологічний погром у фізиці був би неминучим. Народження ядерного щита країни розрядило ідеологічно напружену атмосферу. За словами академіка В.І. Гольданський, «вибух атомної бомби в 1949 році врятував радянську фізику».

Зазначені вище досягнення в галузі атомної фізики та біології, а також поява кібернетики забезпечили природничо основу першого етапу НТР, що почалося в середині XX століття і тривав приблизно до середини 70-х років. Основними технічними напрямками цього етапу НТР стали атомна енергетика, електронно-обчислювальна техніка (що стала технічною базою кібернетики) та ракетно-космічна техніка. В останній, як і в атомній енергетиці, що уникнула «ідеологічних колотнеч», СРСР із самого початку зайняв провідне місце в світі.

З другої половини 70-х років почався другий етап НТР, який триває і дотепер. Важливою характеристикою другого етапу НТР стали нові технології, яких не було в середині XX століття. До них відносяться гнучкі автоматизовані виробництва, лазерна технологія, біотехнологія та ін На думку найавторитетнішого наукового органу США - Національної наукової ради, «ніколи ще в історії природознавства не існувало такого спектра наукових і технологічних можливостей, як, наприклад, в області надпровідності або біотехнології ».

«Становлення біотехнології пов'язано з успіхами біології в пізнанні особливостей організації молекулярних структур живого і процесів цього рівня, здійсненням штучного синтезу окремих генів і їх включення в геном бактеріальної клітини. Це дозволяє контролювати основні процеси біосинтезу в клітині, створювати такі генетичні системи бактеріальної клітини, які здатні здійснювати біосинтез певних сполук у промислових умовах. На вирішення таких завдань орієнтується ряд напрямів біотехнології ».

«Біологічна технологія визначила виникнення нового типу виробництва - биологизировал. Прикладом такого виробництва можуть бути підприємства мікробіологічної промисловості ... Біологізація виробництва - це новий етап науково-технічного прогресу, коли наука про живе перетворюється в безпосередню продуктивну силу суспільства та її досягнення використовуються для створення промислових технологій ».

Значення генної інженерії на другому етапі НТР характеризується істотним розширенням її діапазону: від отримання нових мікроорганізмів із заздалегідь заданими властивостями (шляхом спрямованої зміни їх спадкового апарату) і до клонування вищих тварин (а в можливій перспективі - і самої людини). Кінець XX століття ознаменувався небувалими успіхами в розшифровці генетичної основи людини. У 1990 році «стартував» міжнародний проект «Геном людини», що ставить за мету отримання повної генетичної карти Homo sapiens. У цьому проекті беруть участь більше двадцяти найбільш розвинених в науковому відношенні країн, включаючи і Росію.

Важливою характеристикою другого етапу НТР стала небачена раніше інформатизація суспільства на основі персональних комп'ютерів (що з'явилися в кінці 70-х років) і Всесвітньої системи загальнодоступних електронних мереж, що отримала найменування «Інтернет». У результаті людина, по-перше, отримав доступ до обсягів інформації значно більшим, ніж коли б то не було, а по-друге, з'явився новий спосіб спілкування, який можна назвати горизонтальним. До його появи спілкування і поширення інформації було в основному вертикальним (автор випускає книгу - читачі читають, по радіо і телебаченню щось передають - люди слухають це або дивляться; зворотній зв'язок раніше майже відсутня, хоча потреба в ній завжди була виключно висока). Інтернет забезпечує поширення інформації для практично необмеженого кола споживачів, причому вони без жодних зусиль можуть коммунікатіровать один з одним. «Інтернет - це мережа мереж з мільйонами комп'ютерів по всьому світу, пов'язаних в одне ціле. В Інтернеті не існує єдиного центру управління. Інтернет можна описати як постійний потік інформації з одного місця в інше, від однієї людини до іншої. Коли ви отримуєте доступ до Інтернету, то підключаєтеся до мільйонів користувачів комп'ютерів ... Це всесвітнє цілодобове місце зустрічі, куди може прийти будь-хто ».

Ще одним напрямком другого етапу НТР, що заклав фізичні основи принципово нових інформаційних та комунікаційних технологій, стали дослідження в галузі фізики напівпровідникових наногетероструктур. Досягнуті успіхи в цих дослідженнях, що мають величезне значення для розвитку оптоелектроніки і електроніки високих швидкостей, були відзначені в 2000 році Нобелівською премією з фізики, яку розділили російський учений, академік Ж.І. Алфьоров та американські вчені Г. Кремер і Дж. Кілбі.

На порядку денному сучасної фізики - створення квантового комп'ютера (КК). Тут існує кілька інтенсивно розробляються в даний час напрямків: твердотільний КК на напівпровідникових структурах, рідкі комп'ютери, КК на "квантових нитках», на високотемпературних напівпровідниках і т. д. Фактично всі розділи фізики кінця XX століття представлені у спробах вирішення цього завдання.

Поки можна говорити лише про досягнення деяких попередніх результатів. Квантові комп'ютери ще тільки проектуються. Але коли вони покинуть межі лабораторій, світ багато в чому стане іншим. Очікуваний технологічний прорив має перевершити досягнення напівпровідникової революції, в результаті якої вакуумні електронні лампи поступилися місцем кремнієвим кристалам.

Але станеться це, мабуть, вже на третьому етапі НТР, контури якого лише вимальовуються. За прогнозами вчених, цей новий етап НТР наступить не раніше кінця першого десятиліття XXI століття.

3. Панорама сучасного природознавства

У XX столітті природознавство розвивалося неймовірно швидкими темпами. Його розвиток стимулювався потребами практики. Розвиваючись швидкими темпами промисловість вимагала нових технологій, в основі яких лежало природничо знання. Потужним стимулятором для розвитку науки і техніки були світові війни, а також економічне і військове протистояння двох військово-політичних блоків, на чолі яких стояли СРСР і США. Розвинені промислові країни починають виділяти великі кошти на розвиток системи освіти, підготовку і відтворення наукових кадрів. Розширюється мережа науково-дослідних установ, що фінансуються як державою, так і приватними компаніями.

Наука перестає бути приватною справою, якою вона була у XVIII-XIX століттях, коли її розвивали допитливі самоучки: адвокати, священики, медики, ремісники і т. д. Наука стає професією величезного числа людей. Сучасні дослідження показують, що розвиток науки може бути виражено експоненціальним законом. Обсяг наукової діяльності подвоюється кожні 10-15 років. Це проявляється у прискоренні зростання кількості наукових відкриттів та наукової інформації, а також числа людей, зайнятих на науці.

За даними ЮНЕСКО, до початку 70-х років XX століття кількість наукових працівників щорічно збільшувалася на 7%, в той час як чисельність всього населення росла всього лише на 1,7% на рік. У результаті виходить, що нашими сучасниками є більше 90% вчених від їх загальної кількості за всю історію науки.

У кінці XIX століття в усьому світі було близько 50 тис. осіб, зайнятих у сфері науки і лише близько 15 тис. осіб з них безпосередньо займалися науково-дослідницькою діяльністю. 50 років потому науковими дослідженнями займалися вже приблизно 400 тис. чоловік, а загальна кількість науковців наблизилося до 2 млн.

У цей період щорічне зростання витрат на науку складав від 10 до 25% на рік. Такі темпи значно перевищували темпи зростання витрат на інші цілі, в тому числі військових витрат. Якщо в кінці XIX століття наукові відкриття відбувалися в маленькій лабораторії професора або майстерні винахідника, то в 20-30 роки XX століття починається епоха промислової науки, великих науково-дослідних центрів, що витрачають десятки і сотні тисяч доларів. З кінця XIX століття наука починає себе окупати. Капітал, вкладений в наукові розробки, починає приносити прибуток.

У XX столітті наука змінює не тільки сферу виробництва, а й побут. Радіо, телебачення, магнітофони, комп'ютери стають повсякденними речами: так само як одяг з синтетичних тканин, пральні порошки, ліки і т. д.

Все це характеризує як би зовнішню сторону розвитку науки нашого часу. Тепер розглянемо, які найважливіші наукові відкриття були зроблені за останні 70-80 років.

Фізика: вчення про атоми

У фізиці можна виділити три основні напрямки: дослідження мікросвіту (мікрофізику), макросвіту (макрофізики) і мегасвіту (астрофізика).

Прогрес фізики після ряду видатних відкриттів кінця XIX - початку XX століття (рентгенівські промені, електрон, радіоактивність та інші) був затриманий першою світовою війною, і все ж дослідження атомів тривали. Основне в цих дослідженнях:

Розробка моделі атома.

Доказ змінності атома.

Доказ існування різновидів атома у хімічних елементів.

Ці дослідження спиралися практично на зовсім нове уявлення про структуру матерії, яке почало складатися на початку XX століття. Сформульоване в XIX ст. уявлення про атоми було підсумовано Д.І. Менделєєвим, який у статті «Речовина», опублікованій в 1892 р. в «Енциклопедичному словнику Брокгауза і Ефрона», перерахував основні відомості про атоми:

Хімічні атоми кожного елемента незмінні, і існує стільки сортів атомів, скільки відомо хімічних елементів (у той час - приблизно 70).

Атоми даного елемента однакові.

Атоми мають вагу, причому відмінність атомів засноване на відмінності їх ваги.

Взаємний перехід атомів даного елемента в атоми іншого елемента неможливий.

Доказ існування електрона зруйнувало ці уявлення про атом. Найважливішим напрямом досліджень фізики стає з'ясування структури атомів. Електронні моделі атома стали з'являтися одна за одною. Їх виникнення в хронологічній послідовності таке:

Модель У. Кельвіна (1902 р.) - електрони розподіляються певним способом всередині позитивно зарядженої сфери.

Модель Ф. Ленарда (1903 р.) - атом складається з «дуплетів» негативних і позитивних зарядів (так званих динаміт).

Модель Г. Нагаока (1904 р.) - атом «влаштований» на зразок планети Сатурн (навколо позитивно зарядженого тіла розташовуються кільця, що складаються з негативно заряджених електронів).

Модель Дж. Томсона (1904 р.) - всередині позитивно зарядженої сфери обертаються електрони розміщуються в одній площині по концентричних оболонок, що вміщує різні, але кінцеві числа електронів.

Ці моделі були результатами теоретичних (багато в чому - суто математичних) побудов і носили формальний характер. Виняток становила модель Дж. Томсона. Він зробив першу у своєму роді спробу пояснення періодичної зміни властивостей хімічних елементів, зв'язавши феномен періодичності з числом електронів в концентричних кільцях.

Однак залишалося невизначеним точну кількість електронів в атомах. Томсон вважав, що маса носія одиничного позитивного заряду значно перевершує масу одиничного негативного заряду, і це також виявилося відповідним істині.

Електрон досить швидко вичерпав свої можливості в якості єдиного «будівельного матеріалу» атомів, але ці перераховані моделі, безумовно, зіграли роль у підготовці майбутньої планетарної моделі атома. Майже кожна з них в тій чи іншій формі містила елементи дійсності.

Поява резерфордівського моделі стало можливим завдяки підключенню досліджень радіоактивності, причому не стільки саме явище, скільки вивчення дії частинок, що випускаються в ході радіоактивного розпаду, на речовини. Саме аналіз розсіювання частинок різними матеріалами дозволив Е. Резерфорду в 1911 році висловити ідею про існування в атомі масивного зарядженого тіла - ядра (сам термін «ядро» був введений Резерфордом у 1912 році).

Застосувавши до резерфордівського моделі квантову теорію, Н. Бор (1913 р.) усунув протиріччя цієї моделі класичної електродинаміки. Поетом саме ядерна модель Резерфорда в інтерпретації Бора стала основним поняттям нової атомістики.

Протягом майже двох десятиліть панувала протонно-електронна модель ядра. Невірна за своєю суттю, вона, тим не менш, ані трохи не заважала широкому поширенню та використанню класичної атомної моделі цілком. Але тільки після відкриття Дж. Чедвіком в 1932 р. нейтрона виникли сучасні уявлення про протонно-нейтронної моделі ядра.

Отже, наслідком фундаментальних фізичних відкриттів кінця XIX століття виявилася розробка структури атома в цілому. «Безструктурна» атом поступився місцем новому атому як складній системі частинок.

Після того як нейтрон був визнаний і знайшов своє місце як протон, позбавлений свого позитивного заряду, було виявлено, що він представляє собою центральну фігуру в структурі ядра. Дуже скоро після цього К. Андерсон відкрив іншу елементарну частинку - позитивний електрон. Позитрон забезпечив необхідну симетрію між позитивним і негативним у взаєминах часток. Виявилося, що взаємини нейтрона і протона аж ніяк не є простими. І якщо раніше вважалося, що ядро складається з протонів і електронів, то тепер було виявлено, що значно правильніше буде сказати, що воно складається з протонів і нейтронів, зв'язаних разом потужними силами, які Юкава приписав в 1935 році гіпотетичної проміжної частинки - мезонів. Тут ми бачимо приклад елементарної частинки, яка спочатку була передбачена теоретично, а потім, в 1936 році, фактично спостерігалась К. Андерсоном і Неддермейером.

Дія нейтронів на різні ядра було вивчено за короткий проміжок часу в 6 років, з 1932 по 1938 рік. То були роки, коли наука взагалі і фізика в особливості все більше відчувала на собі вплив подій, що призводять до другої світової війни.

Вирішальне відкриття належало Жоліо Кюрі, який знайшов, що майже всі атоми, піддані бомбардуванню нейтронами, самі стають радіоактивними. Логічний наслідок цього відкриття було величезним. Знання атомних перетворень могло бути використане для пояснення того, яким чином виникли елементи.

Цією концепцією скористалися Гамов та Бете для виявлення джерела сонячної енергії. Таким джерелом є поєднання чотирьох атомів водню, в результаті чого утворюється один атом гелію. Було вже цілком очевидно, що джерелом більшої частини енергії Всесвіту служать ядерні процеси. У 1936 році Фермі піддав бомбардуванню нейтронами важкі елементи і заявив, що отримав ряд елементів з великою вагою, ніж у будь-яких інших елементів, знайдених в природі.

Аж до 1937 року всі мали місце радіоактивні зміни полягали в тому, що маленькі частинки або приєднувалися до ядра, або викидалися з нього. Найбільш великим з викинутих уламків була частка, яка містить два протони і два нейтрони. Однак у 1937 році Ган і Штрассман знайшли, що деякі з продуктів, отриманих в результаті опромінення урану нейтронами, мали в загальному масу, складову мало не половину маси атома урану. Було ясно, що має місце поділ ядра.

Важкі ядра можуть містити значно більше число нейтронів по відношенню до числа протонів, ніж легкі ядра. Коли атом урану розщеплюється, він за потребою звільняв кілька нейтронів. Ну а варто було тільки зрозуміти це (що відбулося в 1938 році, головним чином завдяки роботам Жоліо Кюрі), як можливість масових перетворень атомів стала реальністю. Тут ми маємо ланцюгову реакцію, або свого роду явище лавиноподібного наростання. Якщо дати цьому процесу можливість тривати нескінченно, то вийде вибух; якщо керувати ним, то результатом його з'явиться виробляє енергію ядерний реактор.

Те, яким чином створювалася, випробовувалася і була використана атомна бомба, становить частина світової історії, а не просто історії науки. Військові та політичні наслідки створення ядерної зброї і контрольованого виробництва атомної енергії величезні. Тут досить зазначити, що в технічному відношенні виробництво атомної енергії являє собою новий великий стрибок вперед у встановленні панування людини над силами природи.

Ядерна енергія може виходити не тільки шляхом поділу ядра атома, але і шляхом синтезу або, іншими словами, для отримання такої енергії необхідно виготовляти повільно гарячі водневі бомби. Відповідні дослідження були розпочаті в СРСР І.В. Курчатовим і продовжені його учнями. В Інституті ядерної енергії ім. І.В. Курчатова під керівництвом Л.А. Арцимовича були розроблені установки типу токамак. Назва «токамак» походить від скорочення слів «тороїдальне камера з магнітним полем». Творцям цих установок довелося вирішувати дуже складні завдання. Перш за все потрібно розігріти дейтерій-тритієву плазму до температури близько 100 млн градусів і довго утримувати її в цьому стані.

В установці токамак нагрівання плазми до такої високої температури досягається за рахунок протікання через плазму електричного струму дуже великої сили - сотні тисяч ампер. Внаслідок електричного опору плазми утворюється «джоулево» тепло, за рахунок якого відбувається нагрів плазми.

Ще більш складним завданням є збереження (утримання) плазми. Не може бути й мови, звичайно, про зіткненні плазми зі стінкою - на світі немає такого матеріалу, який би залишився цілий (не випарувався) після зіткнення. У токамаках утримання плазми проводиться за допомогою магнітного поля, так як плазму становлять частинки, що мають електричний заряд, - ядра атомів і електрони.

Після відкриття електрона, протона, фотона і, нарешті, в 1932 році нейтрона було встановлено існування великої кількості нових елементарних часток. У тому числі: позитрон, про який ми вже згадували як про античастинки електрона; мезони - нестабільні мікрочастинки; різного роду гіперонів - нестабільні мікрочастинки з масами більше маси нейтрона; частки резонанси, мають вкрай короткий час життя (близько 10 "22-10" 24 з); нейтрино - стабільна, яка не має електричного заряду частка, що має майже неймовірною проникністю; антинейтрино - античастинка нейтрино, відрізняється від нейтрино знаком лептонного заряду, та ін

У характеристиці елементарних частинок існує ще одне важливе уявлення - взаємодія. Розрізняють чотири види взаємодії.

Сильна взаємодія (короткодіючі, радіус дії близько 10 ~ 18 см) пов'язує між собою нуклони (протони і нейтрони) у ядрі; саме з цієї причини ядра атомів є дуже стійкими, їх важко зруйнувати.

Електромагнітна взаємодія (дальнодействующей, радіус дії не обмежений) визначає взаємодію між електронами і ядрами атомів або молекул; взаємодіючі частинки мають електричні заряди; проявляється в хімічних зв'язках, силах пружності, тертя.

Слабка взаємодія (короткодіючі, радіус дії менше 10 ~ 15 см), в якому беруть участь всі елементарні частинки, обумовлює взаємодію нейтрино з речовиною.

Гравітаційна взаємодія - найслабше, не враховується в теорії елементарних частинок; поширюється на всі види матерії; має вирішальне значення, коли мова йде про дуже великих масах.

Елементарні частинки звичайно поділяють на такі класи:

Фотони - кванти електромагнітного поля, частинки з нульовою масою спокою, не мають сильного і слабкого взаємодії, але беруть участь в електромагнітному.

Лептони (від грец. Leptos - легкий), до числа яких відносяться електрони, нейтрино; всі вони не володіють сильним взаємодією, але беруть участь у слабкій взаємодії, а що мають електричний заряд - також і в електромагнітній взаємодії.

Мезони - сильно взаємодіючі нестабільні, як уже говорилося, частки.

Ядерна фізика (від грец. Berys - важкий), до складу яких входять нуклони, нестабільні частинки з масами, великими маси нейтрона, гіперонів, багато хто з резонансів.

Спочатку, особливо коли кількість відомих елементарних частинок обмежувалося електроном, нейтроном і протоном, панувала думка, що атом складається з цих елементарних цеглинок. А подальша завдання в дослідженні структури речовини полягає в тому, щоб розшукувати нові, ще не відомі «цеглинки», з яких складається атом, і у визначенні того, чи не є ці «цеглинки» (або деякі з них) найскладнішими частинками, побудованими з ще більш тонких «цеглинок».

При такому підході до справи було логічним вважати елементарними тільки ті частинки, які не можуть бути розділені на більш дрібні або які ми поки не можемо розділити. Дивлячись так на структуру матерії, молекулу й атом не можна було вважати елементарними частинками, так як молекула складається з атомів, а атоми - з електронів, протонів і нейтронів.

Однак дійсна картина будови речовини виявилася ще більш складною, ніж можна було припускати. Виявилося, що елементарні частинки можуть зазнавати взаємні перетворення, в результаті яких деякі з них зникають, а деякі з'являються. Нестабільні мікрочастинки розпадаються на інші, більш стабільні, але це зовсім не означає, що перші складаються з других. Тому в даний час під елементарними частинками розуміють такі «цеглинки» Всесвіту, з яких можна побудувати все, що нам відомо в природі.

Приблизно в 1963-1964 роках з'явилася гіпотеза про існування кварків - частинок, з яких складаються баріони і мезони, які є сильно взаємодіючими і по цій властивості об'єднаними загальною назвою адронів. Кварки мають вельми незвичайні властивості: вони мають дробовими електричними зарядами, що не характерно будь-якої мікрочастинок, і, мабуть, не можуть існувати у вільному, не зв'язаному вигляді. Число різних кварків, що відрізняються один від одного величиною і знаком електричного заряду і деякими іншими ознаками, досягає вже кількох десятків.

На закінчення необхідно сказати про велике значення для вивчення мікроструктури речовини прискорювачів заряджених частинок (електронів, протонів, атомних ядер), використовуваних для отримання частинок високих енергій, за допомогою яких вдається простежити процеси, що відбуваються з елементарними частинками. Прискорюємо частинки рухаються у вакуумній камері, а управління їх рухом проводиться найчастіше за допомогою магнітного поля.

Основні положення сучасної атомістики можуть бути сформульовані наступним чином:

Атом є складною матеріальною структурою, являє собою найменшу частку хімічного елемента.

У кожного елемента існують різновиди атомів (які у природних об'єктах або штучно синтезовані).

Атоми одного елемента можуть перетворюватися в атоми іншого; ці процеси здійснюються або мимовільно (природні радіоактивні перетворення), або штучним шляхом (за допомогою різних ядерних реакцій).

Перелічені три положення сучасної атомістики практично охоплюють основний її зміст.

Треба відзначити, що звичне поняття «атом», взагалі кажучи, виглядає анахронізмом, бо уявлення про його «незмінності», «неподільності» вже давно спростовано. Подільність атома є твердо встановлений факт, і вона визначається не тільки тим, що атом може бути «роз'єм» на складові частини - ядро і електронне оточення, але і тим, що індивідуальність атома зазнає зміна результатів різноманітних ядерних процесів.

Астрофізика

Відкриття спектроскопії в XIX столітті поклали початок вивченню внутрішньої структури небесних тіл на основі дослідження випромінюваного ними світла. До XX століття астрофізика стає загальновизнаною галуззю науки, областю, в якій робота лабораторії і обсерваторії повністю зливається воєдино. З самого ж початку астрофізика прийняла відмінний від фізики характер в тому сенсі, що вона розкриває структури не лише в просторі, але і в часі. Крок за кроком засобами астрономії почали визначати розміри нашого Чумацького шляху, потім відстані до близьких та віддалених туманностей, причому досліджувалися результати спостережень через гігантські телескопи, найбільшим з яких був 100-дюймовий телескоп обсерваторії в Маунт Вілсон, побудований в 1915 році.

Що ж являє собою наш Всесвіт, яке місце в ній займає Сонячна система і наша планета Земля?

Ми можемо наочно уявити відносні масштаби Сонячної системи таким чином. Нехай Сонце зображується більярдний кулею діаметром 7 см. Тоді найближча до Сонця планета - Меркурій перебуває від нього в цьому масштабі на відстані 280 см. Земля - 760 см, гігантська планета Юпітер віддалена на відстань близько 40 м, а сама далека планета Плутон - на відстані близько 300 м. Розміри земної кулі в цьому масштабі дещо більше 0,5 мм, місячний діаметр - близько 0,1 мм, а орбіта Місяця має діаметр близько 4 см.

Навіть найближча до нас зірка - Проксима Центавра віддалена від нас на незмірно велику відстань в порівнянні з розмірами Сонячної системи. В астрономії часто вживають одиницю «світловий рік» для оцінки міжзоряних відстаней. Це така відстань, яку світло, рухаючись зі швидкістю 300 тис. км / с проходить за рік, близько 10 000 млрд. км. Більш наукова одиниця - «парсек». 1 парсек (пс) дорівнює 3,26 світлового року.

Ні одна із зірок - наших найближчих сусідів - не знаходиться ближче 1 пс. Наприклад, згадана Проксіма Центавра видалена на 1,3 пс. У тому масштабі, в якому ми зобразили Сонячну систему, це відповідає 2 тис. км. Таким чином, наша Сонячна система сильно ізольована.

Але оточуючі Сонце зірки і саме Сонце становлять лише мізерну частину гігантського колективу зірок і туманностей, який називається Галактикою.

Це скупчення зірок ми бачимо в ясні ночі як смугу Чумацького Шляху. Часто форму Галактики порівнюють з двоопуклою лінзою. Насправді Галактика має досить складну структуру, і існує якийсь закон розподілу. Різні типи зірок по різному концентруються до центру Галактики. Відзначимо лише, що наше Сонце знаходиться на периферії Галактики поблизу від її екваторіальній площині. Відстань від Сонця до ядра Галактики - близько 30 тис. світлових років.

Зірки і туманності в межах Галактики рухаються досить складним чином. Перш за все вони беруть участь в обертанні Галактики навколо осі зі швидкістю приблизно 250 км / сек. За час свого існування Сонце вчинила приблизно 25 обертів навколо осі обертання.

Вже кілька десятиліть астрономи наполегливо вивчають інші зоряні системи, в тій чи іншій мірі подібні до нашої. Цей розділ називається «позагалактична астрономія». Він відіграє чи не головну роль в астрономії. Потроху почали вимальовуватися грандіозні контури Метагалактики, до складу якої наша зоряна система входить як мала частинка. Ми можемо визначити Метагалактику як сукупність зоряних систем - галактик, що рухаються у величезних просторах спостерігається нами Всесвіту. Найближчі до нашої зоряної системи галактики - знамениті Магелланові Хмари. Відстань до Магелланових Хмар «всього лише» близько 200 тис. світлових років, що цілком порівнянно із загальною протяжністю Галактики. Інша «близька» до нас галактика - це туманність у сузір'ї Андромеди. У великі телескопи спостерігається величезна кількість галактик.

Вивчення спектрів галактик дозволило зробити одне відкриття фундаментальної важливості. Усі галактики віддаляються від нас, причому швидкість цього «розльоту» в міру віддалення галактик зростає. Причини розширення системи є предметом сучасної космології.

Сучасна космологія почала складатися в 20-і роки нашого століття на основі створеної Ейнштейном загальної теорії відносності. Із цієї теорії випливає так звана кривизна простору і зв'язок кривизни з щільністю маси (енергії). Космологія, заснована на цих постулатах - релятивістська. Ще в 1922 році радянський математик і геофізик А.А. Фрідман знайшов рішення рівнянь загальної теорії відносної для замкнутої розширення Всесвіту. Він встановив, що викривлене простір не може бути стаціонарним: воно повинно або розширюватися, або стискатися.

Рівняння Фрідмана теоретично обгрунтували нестаціонарність Всесвіту. На цей висновок вчені не звертали увагу аж до відкриття американським астроном Едвіном Хабблом (1889-1953) в 1929 році так званого «червоного зсуву». Справа в тому, що ще в XIX столітті австрійський фізик і астроном Крістіан Доплер виявив, що якщо джерело світла наближається, спектральні лінії зміщуються в бік більш коротких хвиль, якщо видаляється - у бік більш довгих (червоних) хвиль. Це явище було названо ефектом Доплера. Е. Хаббл відкрив «червоний зсув» для всіх далеких джерел світла. Схилення виявилося пропорційним відстані до джерела, що підтверджувало гіпотезу про розширення видимої частини Всесвіту. Тим самим теоретично побудовані Фрідманом моделі нестаціонарного Всесвіту були обгрунтовані результатами спостережень. Рівняння Фрідмана забезпечили математичний фундамент більшості сучасних космологічних теорій.

Існує два різних типи моделей Фрідмана.

Якщо середня щільність матерії у Всесвіті менше деякої критичної величини або дорівнює їй, то тоді Всесвіт повинен бути просторово нескінченною. У цьому випадку сучасне розширення Всесвіту триватиме завжди.

У той же час, якщо щільність матерії у Всесвіті більше тієї ж критичної величини, тоді гравітаційне поле, породжене матерією, викривляє всесвіт, замикаючи її на себе; Всесвіт у цьому випадку кінцева, хоча і не обмежена, на зразок поверхні сфери. Це означає, що якщо ми відправимося в подорож по прямій лінії, ми не зможемо дістатися до якогось кута Всесвіту, а просто повернемося туди, звідки почали свій шлях. Гравітаційні поля досить сильні для того, щоб врешті-решт зупинити розширення Всесвіту, так що рано чи пізно вона почне знову стискатися до стану нескінченно великої щільності.

У 1965 році американські вчені астрономи А. Пензіас і Р. Вілсон зробили за допомогою радіотелескопу - пристрою, призначеного для прийому радіовипромінювання космічних об'єктів, - відкриття великої важливості. Вони встановили, що у Всесвіті є так зване фонове радіовипромінювання, назване радянським ученим І.С. Шкловським реліктовим. Реліктове радіовипромінювання утворилося на ранньому етапі існування Всесвіту, коли їй було всього близько 3 млн років.

Два експериментально встановлених положення: - розширення Всесвіту і реліктове випромінювання - є переконливими аргументами на користь так званої теорії «великого вибуху», що стала тепер загальновизнаною.

До затвердження цієї теорії існувала теорія стаціонарного стану, згідно з якою Всесвіт завжди була майже такою, якою ми бачимо її зараз. У XVIII, XIX і навіть у першій половині XX століття в астрономії панував погляд на Всесвіт як на щось статичне, що не змінюється. Вивчалися руху планет і комет, хімічний склад зоряних атмосфер і т. д. Але справжня картина змінюється, багатою «стрибками» та вибухами Всесвіту стала ясною астрономам тільки в другій половині XX століття.

Грунтуючись на теорії розширення Всесвіту, виявилося можливим простежити розвиток Всесвіту в «зворотний бік», тобто спробувати повернутися можливо далі назад. Хоча здійснити таку реконструкцію було далеко не просто, але все ж вона виявилася успішною.

За сучасними уявленнями, спочатку був вибух. Не такий вибух, який знайомий нам на Землі і який починається з певного місця і потім поширюється, захоплюючи все більше і більше простору, а вибух, який стався одночасно скрізь, заповнивши від самого початку весь простір, причому кожна частинка матерії спрямувалася геть від будь-якої іншої частинки.

Всього лише через одну соту секунди після вибуху Всесвіт мала температуру близько 100 000 000 000 К (10й К). При такій високій температурі (вище температури центру самої гарячої зірки) молекули, атоми і навіть ядра атомів існувати не можуть. Речовина Всесвіту перебувало у вигляді елементарних частинок, серед яких переважали електрони, позитрони, нейтрино, фотони, а також у відносно малій кількості протони і нейтрони. Щільність речовини Всесвіту через 0,01 с після вибуху, незважаючи на дуже високу температуру, була величезною - в 4 000 мільйонів разів більше, ніж у води.

Наприкінці перших трьох хвилин після вибуху температура речовини Всесвіту, безперервно знижуючись, досягла 1 млрд. градусів (109 К). Щільність речовини також знизилася, але ще була близькою до щільності води. При цій, хоча і дуже високою, температурі почали утворюватися ядра атомів, зокрема ядра важкого водню (дейтерію) і ядра гелію. Однак речовина Всесвіту в кінці перших трьох хвилин складалося в основному з фотонів, нейтрино і антинейтрино. Тільки після закінчення декількох сотень тисяч років почали утворюватися атоми, головним чином водню і гелію. Сили гравітації перетворювали газ у згустки, що стали матеріалом для виникнення галактик і зірок.

Як випливає зі сказаного, за останні приблизно 50 років досягнуті значні результати у вивченні зірок, галактик і навіть Всесвіту і їх еволюції.

Один з головних висновків, до якого прийшли астрономія й астрофізика, полягає в тому, що Всесвіт перебуває в стані безперервної еволюції. Зупинимося на еволюції зірок. Зірки утворюються з газопилової міжзоряного середовища, головним чином з водню і гелію, в результаті дії сил гравітації. Простежити еволюцію зірок допоміг факт, що у Всесвіті існують зірки всіх «віку». Більш того, утворення нових зірок відбувається і тепер.

Під дією гравітаційних сил зірка стискається і стає все більш гарячою. Коли температура досягає приблизно 10 млн К, усередині зірки починається термоядерна реакція. Для зірки починається нова стадія еволюції. Опір силам гравітації буде надавати зростаючий тиск усередині зірки, що виникло внаслідок протікання термоядерної реакції. У деякий момент буде досягнута рівновага. У цьому стані зірка може існувати довгий час, випромінюючи в простір величезну енергію. Наприклад, Сонце в цьому стані буде існувати 13 млрд. років, з яких закінчилися 5 млрд.

Рано чи пізно настає такий момент, коли водень, необхідний для термоядерної реакції, буде витрачений. Температура і тиск усередині зірки почнуть знижуватися, гравітаційні сили почнуть переважати. Настає новий етап еволюції зірки. Її ядро, що складається тепер з гелію (продукт реакції), починає зріджується, утворюючи плоску гарячу область. Але термоядерна реакція буде ще тривати на периферії, де ще зберігся водень. У цей час, як випливає з розрахунків, розмір зірки та її світність буде збільшуватися. Зірка перетвориться на так званий червоний гігант.

Температура гелієвого ядра досягне 100-150 млн. К, почнеться нова ядерна реакція перетворення гелію в вуглець.

Подальша еволюція зірки залежить від її маси. Якщо маса зірки менше 1,2 маси Сонця, то після того, як завершиться термоядерна реакція в периферійних шарах зірки (весь водень «вигорить») і закінчиться ядерна реакція в ядрі зірки (весь гелій перетвориться на вуглець), зовнішні шари відокремляться і розпорошаться в просторі, а що залишилися внутрішні шари зірки, дуже гарячі і щільні, будуть представляти собою так званий білий карлик. Поступово остигаючи, вони все менше і менше випромінюють, переходячи в невидимі чорні карлики. Це мертві, холодні зірки дуже великої щільності, в мільйони разів щільніше води. Їх розміри менші від розмірів земної кулі, хоча маси можна порівняти з сонячною. Процес остигання білих карликів триває багато сотень мільйонів років. Так кінчає своє існування більшість зірок.

Якщо ж маса зірки перевищує 1,2 маси Сонця, то її подальша еволюція має інший характер. Після припинення термоядерної реакції в ядрі зірки величезні гравітаційні сили призводять до так званого гравітаційного колапсу - катастрофічно швидкого стиску, в результаті якого центральна область зірки стає надщільний нейтронної зіркою (її щільність може досягати 1015 г/см3, тобто перевищувати щільність атомних ядер) , а периферичні сфери зірки скидаються, - це явище може спостерігатися як величезна спалах, іменована спалахом наднової зірки.

Якщо ж центральна область зірки буде стиснута до величини гравітаційного радіуса (для Сонця, наприклад, ця величина дорівнює лише 3 км, а для Землі - 0,9 см), то утворюється так звана чорна діра - сфера, в якій поле тяжіння настільки велика, що ніяке випромінювання або частки не можуть вийти з цієї сфери.

У 1967 році були відкриті пульсари - космічні тіла, які є джерелами радіовипромінювання. Це випромінювання носить імпульсний характер, причому імпульси повторюються через дуже короткий проміжок часу: від часток секунди до декількох секунд. Пульсари відносять до розряду нейтронних зірок.

У 1963 році були відкриті нові астрономічні об'єкти, що знаходяться поза межами нашої галактики і отримали назву квазарів. Квазари віддаляються від нашої Галактики з величезними швидкостями - 100-200 тис. км / с. За сумою всіх характеристик квазарів передбачається, що вони являють собою ядра особливо віддалених від нас галактик, в яких відбуваються вражають своєю міццю процеси, походження яких ще недостатньо ясно.

На закінчення необхідно виділити основні проблеми сучасної фізики. Про ці проблеми говорить академік В.Л. Гінзбург у своїй статті «Про перспективи розвитку фізики і астрофізики в кінці XX ст.».

Макрофізики

Керований термоядерний синтез.

Високотемпературна надпровідність.

Нові речовини (проблема створення металевого водню і деяких інших «незвичайних» речовин).

Поведінка речовини в надсильних магнітних полях.

Вивчення дуже великих молекул. Рідкі кристали.

Разер, Гразер і лазери нових типів.

Нелінійні явища. Солітони.

Надважкі елементи.

Мікрофізику

Кварки і глюони. Квантова хромодинаміка.

Єдина теорія слабкого та електромагнітного взаємодії.

«Велике об'єднання». Розпад протона. Маса нейтрино. Супероб'едіненіе.

Астрофізика

Експериментальна перевірка і кордон застосовності загальної теорії відносності.

Гравітаційні хвилі.

Космологічна проблема. Зв'язок космології з фізикою високих енергій.

Нейтронні зірки і пульсари. Фізика «чорних дір».

Квазари і ядра галактик. Освіта галактик.

Походження космічних променів і космічного гамма-і рентгенівського випромінювання.

Нейтрино астрономія.

Електроніка

Ядерна фізика і астрофізика досягли в XX столітті величезних успіхів у вивченні навколишнього світу, але найбільш значні практичні успіхи були досягнуті в галузі електроніки.

Електроніку можна визначити як науку про взаємодію електронів з електромагнітними полями і про методи створення електронних приладів і пристроїв (вакуумних, газозарядних, напівпровідникових), використовуваних для передачі, обробки та зберігання інформації. Розвиток електроніки починається в кінці XIX - початку XX століття. Електромагнітні хвилі, як відомо, були вивчені Герцем в 1886 р. Теорія Максвелла пояснила їх природу і властивості. В кінці минулого століття електромагнітні хвилі були використані для бездротового зв'язку. Вперше це зробив російський інженер А.С. Попов в 1895 році. Приблизно через рік цей досвід повторив італійський технік і підприємець Г. Марконі. Він першим спробував послати радіосигнали через Атлантичний океан, які дійсно були прийняті. Це означало, що в атмосфері повинне існувати якась подоба дзеркала, що відображає радіохвилі назад на землю.

У 20-х роках Е. Епплтон зайнявся вивченням цього питання. Так була відкрита іоносфера. Відкриття Епплтон лягло в основу радіолокаційного приладу, створеного в ході другої світової війни.

Використання коротких хвиль давало можливість направлення їх з конкретно визначених променям, що було використано в радіолокації. Безпосереднім стимулом для її розвитку стала необхідність попередження повітряного нападу під час другої світової війни. Надалі радіолокація застосовувалася для знаходження шляху, зйомки карт з повітря, управління польотом літаків, а також польотом снарядів і ракет. Методи радіолокації були використані також для цілей астрономії, зокрема, для перевірки відстані до Місяця. Виник також новий вид астрономії - радіоастрономія.

Справжню революцію в галузі зв'язку викликало створення електронної лампи, яка робить можливим посилення і регенерацію хвиль. Електронні лампи знайшли широке застосування головним чином у радіоапаратурі і ЕОМ першого покоління.

Для цілей війни було необхідно створити апарати, які б могли виконувати складні розрахунки траєкторії снарядів і ракет. Це дозволило до кінця війни створити перші електронні лічильні машини.

Передумови для створення швидкодіючих рахункових машин склалися до 40-х років нашого століття. До цього часу був створений відповідний теоретичний базис. В кінці 30-х років англійський математик А. Тьюрінг показав, що різні проблеми можуть бути вирішені за допомогою машин, якщо ці проблеми чи завдання можуть бути виражені за допомогою кінцевого числа операцій.

У 1940 році американський математик Норберт Вінер запропонував використовувати в обчислювальних машинах не десяткову систему числення, а двійкову. У цьому випадку будь-яке число можна записати тільки за допомогою двох цифр - 1 і 0. Двійкова система числення і бінарна логіка, розроблена Джоржем Булем в XIX столітті, грають ключову роль в обчислювальній техніці.

В кінці 30-х років в обчислювальних машинах починають застосовуватися електронні елементи, що дозволило підвищити швидкодія машин на три порядки. Перша ЕОМ, що використовує елементи на електровакуумних тріодах, була створена в Пенсильванському університеті в 1945 році під керівництвом Дж. Маучли.

Її назвали ЕНІАК. Перша ЕОМ була дуже громіздкою. Вона складалася з 18 тисяч електронних ламп, 1500 реле і займала зал довжиною 30 метрів. За одну секунду цей гігант міг складати або віднімати п'ять тисяч чисел. Але машина часто простоювала через те, що перегорали лампи, виходили з ладу реле, багато часу витрачалося на підготовчі роботи. Оператори, які обслуговують ЕНІАК, відставали від нього.

У 1946 році американський математик і фізик Джон фон Нейман висунув і обгрунтував принципи створення нових ЕОМ. У них передбачався перехід на двійкову систему числення, а також введення і зберігання програми в пам'яті ЕОМ аналогічно даними. Ідеї ​​Неймана і споруда під його керівництвом нової ЕОМ - ЕДВАК - суттєво вплинули на подальший розвиток обчислювальної техніки.

Прогрес обчислювальної техніки в 40-50-і роки був обумовлений появою ряду робіт по чисельному аналізу. У 1944 році була опублікована книга фон Неймана і О. Моргенштерна «Теорія ігор і оптимальне поводження», а в 1948 році вийшла книга М. Віннера «Кібернетика, або Управління і зв'язок в тварині і машині». Ці роботи виявилися дуже продуктивними для подальшого розвитку ЕОМ. На основі ідей Віннера вдалося створити загальну теорію інформації і зв'язку, застосовну в самих різних областях - від фізики до біології та мовознавства. У розвитку теорії інформації відіграли важливу роль роботи радянських вчених О.М. Колмогорова і А.Я. Хинчина.

У СРСР розробка першої вітчизняної ЕОМ з запоминаемой програмою почалася в 1947 році в Києві під керівництвом академіка С.Я. Лебедєва (1902-1974). Серійне виробництво ЕОМ почалося практично одночасно в СРСР і США в 1951-1952 роках.

Парк ЕОМ зростав дуже високими темпами. Якщо в 1952-1953 роках їх було кілька десятків, то в 1965 році у всьому світі використовувалося вже близько 40 тис. ЕОМ, а в 1970 році - понад 100 тис.

У розвитку обчислювальної техніки можна виділити кілька етапів («покоління» ЕОМ).

До першого покоління ЕОМ (1950-1958 рр..) Відносяться лампові обчислювальні машини. Вони були громіздкі і малонадійні, відрізнялися високою вартістю і великим енергоспоживанням, працювали в однопрограмних режимі, володіли низькою швидкодією.

До другого покоління відносяться напівпровідникові ЕОМ (1959-1967 рр..), У яких електронні лампи були замінені транзисторами. У ЕОМ другого покоління були застосовані нові принципи організації і роботи машини: поєднання операцій введення і виведення даних з обчисленнями на центральному процесорі, підвищення швидкодії процесора за рахунок паралельного в часі виконання частин 1-2 команд.

Паралельно з технічним вдосконаленням ЕОМ йшла робота зі створення універсальних мов, придатних для широкого класу машин. У 60-х роках були розроблені і набули широкого поширення універсальні мови АЛГОЛ, КОБОЛ, ФОРТРАН та ін

У середині 60-х років з'явилися так звані інтегральні схеми: на мініатюрній монокристаллической платівці напівпровідника розміщувалося значну кількість логічних елементів.

До третього покоління (середина 60-х років) відносяться машини, побудовані на інтегральних схемах. Це програмно-сумісні ЕОМ, що відрізняються великою продуктивністю, максимальним об'ємом оперативної пам'яті, складом периферійного обладнання.

Новий етап використання ЕОМ пов'язаний з появою швидкодіючих і вельми ємних запам'ятовуючих пристроїв. Одночасно було вирішено завдання швидкого пошуку даних. При створенні та експлуатації ЕОМ перших двох поколінь практично не вирішувалося питання забезпечення віддаленого доступу до ЕОМ. Поява баз даних і різке підвищення потужності обчислювальних ресурсів поставили на порядок денний завдання забезпечення одночасного доступу до них різних споживачів, що знаходяться географічно в самих різних точках. Для споживача це означало можливість звернення до будь-ЕОМ і відповідної бази даних незалежно від місця розташування цієї ЕОМ. Нові можливості зберігання, швидкого пошуку і передачі інформації означають революцію в системах накопичення і доступу до освоєним знань. Настає важливий у житті людства етап «безпаперовій інформатики»: інформація надходить до фахівців прямо на робоче місце - екран дисплея.

Створені на початку 60-х років перші зразки мікросхем містили тисячі активних елементів (діодів, транзисторів) в одному кубічному сантиметрі. З кожним наступним десятиліттям кількість елементів збільшувалася приблизно в 10 разів.

На початку 80-х років стали випускати мікросхеми, що містять до 100 тисяч елементів в одному кубічному сантиметрі, а в другій половині 80-х років це число перевалило за мільйон. Слідом за інтегральними схемами (ІС) з'явилися великі інтегральні схеми (ВІС) і надвеликі інтегральні схеми (НВІС).

Особливо активно інтегральні схеми почала розробляти і проводити американська фірма «Інтел». У 1971 році «Інтел» створює сімейство мікропроцесорів 4004 з чотирирозрядний порціями інформації. Процесор коштував 200 доларів, в ньому 2,3 тис. транзисторів. У 1976 р. створено 8-розрядний мікропроцесор 8080. Було запропоновано створити на його основі персональний комп'ютер.

1985 рік - 32-розрядний процесор 1386, у якому 275 тис. транзисторів, швидкодія - 5 млн операцій за секунду.

1989 рік - мікропроцесор I486; містить 1200 тисяч транзисторів, швидкодія - 20 MIPS.

1993 рік - мікропроцесор Pentium; 3100 тисяч транзисторів; продуктивність 90 MIPS.

1995 рік - Pentium-Pro, 5,5 млн транзисторів, продуктивність 300 MIPS.

Цей фантастичний прогрес - результат глибоких досліджень і мільярдних капвкладень.

Один із шляхів розвитку електроніки - створення мікросхем на основі білкових структур. Ось перші результати: японська фірма «Санторі ЛТД» створила перші зразки так званих біочіпів - мікросхем, що виконують функції електронної пам'яті на основі штучно вирощених білкових структур. За оцінками японських фахівців у найближчому майбутньому ємність пам'яті мікросхем на біочіпа перевищить ємність пам'яті мікросхем, виконаних на напівпровідникових кристалах, в 109 (в мільярд) разів.

Порівнюючи сучасний персональний комп'ютер із громіздкою ЕОМ першого покоління, ми бачимо, як високо ми піднялися. Порівнюючи той же комп'ютер з мозком, ми розуміємо, що до рівня досконалості, якого шляхом тривалої еволюції досягла природа, нам поки ще досить далеко.

Нейронні мережі надзвичайно компактні: 1011 нейронів мозку вмістилися в обсязі 1,5 літра. Мережа з 1011 штучних електронних нейронів, виконана на що володіють найвищим ступенем інтеграції мікросхемах, вийшла б завбільшки з житловий будинок. Причому цей гігантський штучний мозок був би дуже примітивний порівняно не тільки з людським мозком, але і з мозком тварин. Мозок курки порівняно примітивний. Її інтелект не здатний засвоїти навіть прості арифметичні дії додавання, віднімання або множення. Зате курка знаходить зерно серед трави, дрібних камінчиків, різного сміття. Подібну операцію поки не здатне виконати створене для розпізнавання зорових образів електронний пристрій.

В останні десятиліття ведуться активні дослідження з проблеми штучного інтелекту. Коли робота з моделювання тільки починалася, здавалося, що досить збільшити швидкодію машини і об'єм пам'яті - і проблема буде вирішена, але потім стало ясно, що проблема не зводиться до перебору безлічі варіантів. Тоді встала суто теоретична проблема: а що таке мислення? Відповісти на це питання не так просто. Мислення не зводиться до вирішення завдань. Це ще й творчість, цілепокладання, уміння завдання сформулювати. Тому якщо навіть ми зуміємо змоделювати роботу мозку, неминуче постає питання: яку програму в цей штучний мозок треба закладати? Якщо програма задається людиною, то штучний інтелект - це просто знаряддя для посилення людського мислення. Так, бінокль посилює можливості наших очей, але він не може бачити. Якщо штучний інтелект сам створює собі програми, тобто відтворює одну з найважливіших функцій інтелекту - творчість, тоді виникає проблема мети «заради чого»? Цілі людської діяльності та мислення задає суспільство, в якому живе людина. Отже, штучний інтелект необхідно «соціалізувати», ввести в соціум, зробити його реальним членом суспільства, наділити почуттями, емоціями, волею. Але де гарантії, що цілі штучного інтелекту і цілі суспільства співпадуть? Всі ці питання показують, що проблема штучного інтелекту - це не тільки технічна проблема, але і проблема філософська, гуманітарна. Для її вирішення необхідно об'єднати зусилля науковців різних напрямів.

Хімія

Хімія - наука, найтіснішим чином пов'язана з фізикою. Вона розглядає головним чином перетворення речовин, вивчає елементи (найпростіші речовини, утворені однаковими атомами) і складні речовини, що складаються з молекул (сполучення різних атомів).

У другій половині XVIII і початку XIX століття в роботах вчених переважало вивчення і опис властивостей хімічних елементів та їхніх сполук. Киснева теорія Лавуазьє (1743-1794) та атомна теорія Дальтона (1766-1844) заклали основи теоретичної хімії. Відкриття, викликані атомно-молекулярним вченням, почали відігравати суттєву роль у виробничій практиці.

Атомистические уявлення про будову речовини породили багато теоретичних проблем. Необхідно було з'ясувати, що відбувається з атомами, що утворюють молекулярні структури? Чи зберігають атоми свої властивості в складі молекул і як вони взаємодіють один з одним? Чи справді атом простий і неподільний? Ці та інші питання необхідно було вирішити.

Без атомної теорії не можна було створити вчення про іони, а без розуміння іонного стану матерії не можна було розробляти теорію електролітичної дисоціації, а без неї - зрозуміти справжній сенс аналітичних реакцій, а потім зрозуміти роль іона як комплексоутворювачів і т. д.

Розробка проблем органічної хімії призвела до створення вчення про заміщення, теорії типів, вчення про гомології і валентності. Відкриття ізомерії висунуло найважливіше завдання - вивчити залежність фізико-хімічних властивостей сполук від їх складу і будови. Дослідження ізомерів наочно показали, що фізичні і хімічні властивості речовин залежать не тільки від розташування атомів в молекулах.

До середини XIX століття на основі вчення про хімічний сполученні та хімічних елементах, на базі атомно-молекулярної теорії виявилося можливим створити теорію хімічної будови і відкрити періодичний закон хімічних елементів. У другій половині XIX століття відбувається поступове перетворення хімії з описової науки, що вивчає хімічні елементи, склад та властивості їх сполук, в теоретичну науку, що досліджує причини і механізм перетворення речовин. Стало можливим керувати хімічним процесом, перетворюючи речовини, природні і синтетичні, в корисні продукти. До кінця XIX століття були отримані і вивчені десятки тисяч нових органічних і неорганічних речовин. Відкрито фундаментальні закони і створені узагальнюючі теорії. Досягнення хімічної науки впроваджувалися в промисловість. Були побудовані і добре обладнані хімічні лабораторії і фізико-хімічні інститути.

Хімія належить до тієї категорії наук, які своїми практичними успіхами сприяли підвищенню добробуту людства. В даний час розвиток хімії має ряд характерних рис. По-перше, це розмивання меж між основними розділами хімії. Наприклад, нині можна назвати тисячі з'єднань, які не можна однозначно зарахувати до органічних або неорганічних. По-друге, розвиток досліджень на стику фізики і хімії породило велике число специфічних робіт, які в підсумку сформувалися в самостійні наукові дисципліни. Досить назвати, наприклад, термохімія, електрохімію, радіохімії і т. д. У той же час «розщеплення>> хімії йшло і по об'єктах дослідження. На цьому напрямку виникли дисципліни, які вивчають:

1) окремі сукупності хімічних елементів (хімія легких елементів, рідкоземельних елементів).

2) окремі елементи (наприклад, хімія фтору, фосфору і кремнію).

3) окремі класи сполук (хімія гідридів, напівпровідників).

4) хімія особливих груп сполук, куди відноситься елементарна і координаційна хімія.

По-третє, для хімії партнерами для інтеграції стала біологія, геологія, космологія, що призвело до народження біохімії, геохімії і т. д. Відбувся процес «гібридизації».

Однією з важливих завдань сучасної хімії є передбачення умов синтезу речовин з наперед заданими властивостями і визначення їх фізичних і хімічних параметрів.

Охарактеризуємо основні напрямки сучасної хімії. Хімію прийнято поділяти на п'ять розділів: неорганічна, органічна, фізична, аналітична і хімія високомолекулярних сполук.

Основними завданнями неорганічної хімії є: вивчення будови сполук, встановлення зв'язку будови з властивостями і реакційною здатністю. Також розробляються методи синтезу та глибокого очищення речовин. Велика увага приділяється кінетиці і механізму неорганічних реакцій, їх каталітичного прискорення і уповільнення. Для синтезів все частіше застосовують методи фізичного впливу: надвисокі температури і тиску, іонізуюче випромінювання, ультразвук, магнітні поля. Багато процеси проходять в умовах горіння або низькотемпературної плазми. Хімічні реакції часто поєднують з отриманням волокнистих, шаруватих і монокристалічних матеріалів, з виготовленням електронних схем.

Неорганічні сполуки застосовуються як конструкційні матеріали для всіх галузей промисловості, включаючи космічну техніку, як добриво та кормові добавки, ядерне і ракетне паливо, фармацевтичні матеріали.

Органічна хімія - найбільш великий розділ хімічної науки. Якщо число відомих неорганічних речовин налічує близько 5 тис., то ще на початку 80-х було відомо більше 4 млн органічних речовин. Загальновизнано величезне значення хімії полімерів. Так, ще в 1910 році СВ. Лебедєв розробив промисловий спосіб отримання бутадієну, а з нього каучуку.

У 1936 році У. Карозерс синтезує «найлон», відкривши новий тип синтетичних полімерів - поліаміди. У 1938 році Р. Планкет випадково відкриває тефлон, що створила епоху синтезу фторполімерів з унікальною термостабильностью, створюються «вічні» мастильні масла (пластмаси та еластомери), широко використовувані космічної та реактивної технікою, хімічної та електротехнічної промисловістю. Завдяки цим і багатьом іншим відкриттів з органічної хімії виросла хімія високомолекулярних сполук (або полімерів).

Що почалися в 30-40-ті роки широкі дослідження фосфорорганічних сполук (А. Є. Арбузов) привели до відкриття нових типів фізіологічно активних сполук - лікарських препаратів, отруйних речовин, засобів захисту рослин та ін

Хімія барвників практично дала початок хімічної індустрії. Наприклад, хімія ароматичних і гетероциклічних сполук створила першу галузь хімічної промисловості, продукція якої нині перевищує 1 млрд тонн, і породила нові галузі - виробництво запашних і лікарських речовин.

Проникнення органічної хімії в суміжні області - біохімію, біологію, медицину, сільське господарство - призвело до вивчення властивостей, встановлення структури та синтезу вітамінів, білків, нуклеїнових кислот, антибіотиків, нових ростових засобів та засобів боротьби зі шкідниками.

Відчутні результати дає застосування математичного моделювання. Якщо перебування будь-якого фармацевтичного препарату або інсектициду вимагало синтезу 10-20 тис. речовин, то з допомогою математичного моделювання вибір робиться лише в результаті синтезу кількох десятків сполук.

Роль органічної хімії в біохімії важко переоцінити. Так, в 1963 році В. Віньо синтезував інсулін, також були синтезовані окситоцин (пептидний гормон), вазопресин (гормон володіє антидиуретическим дією), брадікікін (має судинорозширювальну дію). Розроблено напівавтоматичні методи синтезу поліпептидів (Р. Меріфілд, 1962).

Вершиною досягнень органічної хімії в генній інженерії з'явився перший синтез активного гена (X. Корану, 1976). У 1977 році синтезований ген, який кодує синтез людського інсуліну, а в 1978-му - ген сомато-статина (здатний пригнічувати секрецію інсуліну, пептидний гормон).

Фізична хімія пояснює хімічні явища і встановлює їх загальні закономірності. Фізична хімія останніх десятиліть характеризується такими рисами. У результаті розвитку квантової хімії (використовує ідеї та методи квантової фізики для пояснення хімічних явищ) багато проблем хімічної будови речовин і механізму реакцій вирішуються на підставі теоретичних розрахунків. Поряд з цим широко використовуються фізичні методи дослідження - рентгеноструктурний аналіз, дифракція електронів, спектроскопія, методи, засновані на застосуванні ізотопів і ін

Аналітична хімія розглядає принципи і методи вивчення хімічного складу речовини. Включає кількісний і якісний аналіз. Сучасні методи аналітичної хімії пов'язані з необхідністю отримання напівпровідникових та інших матеріалів високої частоти. Для вирішення цих завдань були розроблені чутливі методи: активаційний аналіз, хіміко-спектральний аналіз та ін

Активаційний аналіз заснований на вимірюванні енергії випромінювання і періодів напіврозпаду радіоактивних ізотопів, що утворюються в досліджуваній речовині при опроміненні його ядерними частинками.

Хіміко-спектральний аналіз полягає в попередньому виділення елементів, що визначаються з проби і в отриманні їх концентрату, який аналізують методами емісійного спектрального аналізу (метод елементного аналізу по атомних спектрах випускання). Ці методи дозволяють визначити 10 ~ 7-10 ~ 8% домішок.

Біологія

Біологією називається сукупність наук про живу природу. За останні десятиліття в біології застосовуються поняття і методи фізики і хімії. Тому, поряд з такими «чистими» біологічними науками, як ботаніка - наука про рослини, зоологія - наука про тварин, мікробіологія - наука про мікроорганізми, генетика - наука про закони спадковості і мінливості організмів, в систему наук, в цілому складових біологію, увійшли біофізика, біохімія, молекулярна біологія.

Оскільки об'єктом вивчення біології є жива природа, природно виникає питання: що слід розуміти під словом «життя»? Загальним відповіддю на це питання є: життя є одна з форм існування матерії. Але з'являється друге питання: у чому особливості цієї форми існування матерії? На це питання, мабуть, не можна дати такий же короткий відповідь, як на попередній, - життя характеризується рядом найважливіших ознак. Живий організм повинен бути здатний до обміну речовин (метаболізму), тобто бути в змозі засвоювати ззовні певні речовини (наприклад, їжу, кисень), піддавати їх хімічної переробки, виділяти зовні непотрібні йому продукти. Він повинен бути також здатний до відтворення собі подібних, причому так, щоб у даному відтворенні зберігався біологічний вид. Живий організм також повинен бути в змозі регулювати свої функції, пристосовуючи їх до змін середовища, різних видів руху і до інших умов.

Але не завжди легко визначити стосовно до деяких об'єктів, чи можна їх віднести до живих організмів чи ні. Мова йде, наприклад, про віруси - найдрібніших частинках неклітинних, що складаються з нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК) і білкової оболонки, здатних викликати хвороби у рослин, тварин і людини (наприклад, віспу, кір, грип, поліомієліт, чуму рогатої худоби, птахів , сказ та ін.)

Говорячи про живих організмах, необхідно відзначити, що всі вони складаються з клітин. Відомі сьогодні клітини дуже різноманітні. Наприклад, їх розміри, як правило, коливаються від 1 мкм до 1 м. Існують одноклітинні організми, наприклад, бактерії. І навпаки, багато складаються з дуже великого числа клітин. Наприклад, організм людини складається приблизно з 500 000 000 000 000 (5 * 1014) клітин. Клітини мають дуже тонку клітинну мембрану, так звану цитоплазму і ядро. Клітинна (плазматична) мембрана бере участь у регуляції обміну речовин між клітиною та середовищем, цитоплазма - внеядерная частину білка клітини, ядро - частина клітини, керуюча синтезом білка.

Як за своєю будовою і розмірами, так і по виконуваним функціям клітини також дуже різноманітні. Їх поділяють, зокрема, на клітини, які складають тіло (соматичні), і клітини, що служать для розмноження. В організмі людини серед величезного числа клітин існують клітини м'язів, стінок кровоносних судин, сполучних тканин, нервів (деякі з них мають довжину близько 1 м; наприклад, клітина, що з'єднує кінці пальців ніг зі спинним мозком), шкіри. Червоні тільця крові - еритроцити також є клітинами; їх в організмі людини є близько 25 млрд.

До складу організму людини входять також кістки, утворені костеобразующий клітинами і складаються з фосфату кальцію, а також з білка колагену. У тілі людини є рідина: кров (близько 5 л), лімфа, що забезпечує обмін речовин між кров'ю і тканинами організму, та ін

Білки є основною частиною організму всіх рослин і тварин, у тому числі і людини. До складу білків входять амінокислоти. Рослини і більшість мікроорганізмів самі синтезують їх у своєму організмі. Що стосується тварин і людини, то вони не можуть синтезувати 20 амінокислот приблизно з 150. Тому ці 20 амінокислот називаються незамінними, і тварини повинні отримувати їх з їжею.

Для життєдіяльності людини особливо важливими є 9 незамінних амінокислот. Всі інші необхідні організму людини амінокислоти можуть вироблятися самим організмом. Дуже важливим інгредієнтом їжі є білок казеїн - основний білок молока. З казеїну (з молока) організм людини може отримувати всі необхідні йому незамінні амінокислоти.

Велике значення для діяльності живого організму мають ферменти - каталізатори хімічних реакцій, що протікають в організмі. У 1857 році основоположник сучасної мікробіології та імунології, відомий французький вчений Луї Пастер (1822-1925) відкинув теорію «самозародження» мікроорганізмів, вивчив процес бродіння, що грає величезну роль у кругообігу речовин у природі і в життєдіяльності мікробів. Пастер займався інфекційними захворюваннями і досяг великого успіху в їх лікуванні та профілактиці. Було встановлено, що ферменти (їх називають також ензимами), присутні у всіх живих клітинах, представляють собою білки (дуже великі молекули), які можуть існувати в кристалічній формі, найчастіше утворюються в результаті життєдіяльності мікроорганізмів.

Для нормальної життєдіяльності живих організмів потрібно в невеликих кількостях ще один вид органічних сполук - вітаміни, які беруть участь в обміні речовин. Більшість вітамінів людина отримує з їжею, деякі утворюються в організмі.

Сучасна біологія грунтується на тих досягненнях, які були зроблені в цій науці в другій половині століття: створення Ч. Дарвіном еволюційного вчення, основні праці К. Бернара в області фізіології, основоположні дослідження Л. Пастера, Р. Коха і І.І. Мечникова в області мікробіології та імунології, роботи І.М. Сєченова та І.І. Павлова у галузі вищої нервової діяльності і, нарешті, блискучі роботи Г. Менделя, хоча і не отримали популярності до початку

століття, але вже виконані їх видатним автором. XX століття є продовженням не менш інтенсивного прогресу в біології. У 1900 році голландським ученим-біологом, одним із засновників вчення про мінливість і еволюції, X. де Фрізом (1848-1935), німецьким вченим-ботаніком К.Е. Корренсом (1864-1933) і австрійським вченим Е. Чермак-Зейзенеггом (1871-1962) незалежно один від одного і майже одночасно вдруге були відкриті і стали загальним надбанням закони спадковості, встановлені Менделем.

Розвиток генетики після цього відбувалося швидко. Був прийнятий принцип дискретності в явищах спадковості, відкритий ще Менделем; досліди з вивчення закономірностей успадкування нащадками властивостей і ознак батьків були значно розширені. Було прийняте поняття «ген», введене, як уже говорилося, відомим датським біологом Вільгельмом Людвігом Іогансоном (1857-1927) в 1909 році і що означає одиницю спадкового матеріалу, відповідального за передачу у спадок певної ознаки.

Утвердилося поняття хромосоми як структурного ядра клітини, що містить дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК) - високомолекулярна сполука, носій спадкових ознак.

Подальші дослідження показали, що ген є певною частиною ДНК і дійсно носієм тільки певних успадкованих властивостей, у той час як ДНК - носій всієї спадкової інформації організму.

Розвитку генетики сприяли у великій мірі дослідження відомого американського біолога, одне з основоположників цієї науки, Томаса Ханта Моргана (1866-1945), і його учнів, яким вдалося визначити розташування генів у хромосомах плодової мушки дрозофіли (Drosophila), на якій вони проводили досліди.

Важливо відзначити, що всі клітини даного організму (в тому числі, зрозуміло, і статеві) мають один і той же набір генів, що зберігає стійкість організмів при розмноженні, а при діленні клітин відбувається також подвоєння молекул ДНК.

Вже згадуваний видатний американський вчений Морган сформулював хромосомну теорію спадковості. Більшість рослинних і тваринних організмів є диплоїдними, тобто їх клітини (за винятком статевих) мають набори парних хромосом, однотипних хромосом від жіночого та чоловічого організмів. Хромосомна теорія спадковості зробила більш зрозумілими явища розщеплення у спадкуванні ознак.

Важливою подією у розвитку генетики стало відкриття мутацій - виникають раптово змін до спадкової системі організмів і тому що можуть призвести до стійкого зміни властивостей гібридів, переданих і далі по спадку. Своїм виникненням мутації зобов'язані або випадковим у розвитку організму подій (їх зазвичай називають природними або спонтанними мутаціями), або штучно викликаним впливів (такі мутації часто іменують індукованими). Усі види живих організмів (як рослинних, так і тварин) здатні мутувати, тобто давати мутації. Це явище - раптове виникнення нових, що передаються у спадщину властивостей - відомо в біології давно. Однак систематичне вивчення мутацій було розпочато вже відомим читачеві голландським ученим Хуго де Фріз, що встановив і сам термін «мутації». Було виявлено, що індуковані мутації можуть виникати в результаті радіоактивного опромінення організмів, а також можуть бути викликані впливом деяких хімічних речовин.

Слід зазначити першовідкривачів всього того, що пов'язано з мутаціями. Радянський вчений-мікробіолог Георгій Адамович Надсон (1867-1940) разом зі своїми колегами та учнями встановив в 1925 році вплив радіовипромінювання на спадкову мінливість у грибів. Відомий американський генетик, Герман Джозеф Меллер (1890-1967), працював протягом 1933-1937 років у СРСР, виявив в 1927 році в дослідах з дрозофілами сильне мутагенну дію рентгенівських променів. У подальшому було встановлено, що не тільки рентгенівське, але і будь-яке іонізоване опромінення викликає мутації.

Радянські вчені-генетики Максим Миколайович Мейсель (* 1901), Володимир Володимирович Сахаров (1902-1969), Михайло Юхимович Лобашов (1907-1971) виявили в період 1928-1934 років мутагенну дію на організми деяких хімічних речовин. Ці роботи були успішно продовжені радянським вченим-генетиком Йосип Абрамович Рапопорт (нар. 1912) та іншими радянськими та іноземними вченими.

Досягнення генетики (і біології в цілому) за минуле після виходу в світ книги Дарвіна «Походження видів» час такі значні, що було б дивно, якби все це ніяк не вплинуло на дарвінівську теорію еволюції. Два фактори: мінливість і спадковість, яким Дарвін надавав великого значення, отримали більш глибоке тлумачення.

Мінливість рослинного або тваринного організму може бути досягнута двома шляхами: або безпосереднім впливом зовнішнього середовища, в результаті якого спадковий апарат організму не змінюється, або за допомогою мутацій, характерних тим, що вони викликають зміни спадкового апарату (генів, хромосом), і тому що відбуваються в цьому разі зміни організму є спадковими.

Отже, подальший розвиток біології і що входить до неї складовою частиною генетики, по-перше, ще більше зміцнило дарвінівську теорію еволюції живого світу і, по-друге, зумовлює більш глибоке тлумачення (відповідне досягнутим успіхам у біології) поняттям мінливості і спадковості, а отже, всьому процесу еволюції живого світу. Більш того, можна сказати, що успіхи біології висунули цю науку в ряди лідерів природознавства, причому найбільш вражаючі її досягнення пов'язані з вивченням процесів, що відбуваються на молекулярному рівні.

Прогрес в області вивчення макромолекул до другої половини нашого століття був порівняно повільним, але завдяки, як уже говорилося, техніці фізичних методів аналізу, швидкість його різко зросла. На основі отриманих даних про структуру речовини вдалося відтворити будова ряду білків і поліпептидних гормонів, а також синтезувати деякі менш складні речовини. Хімія білків, яка кілька років тому здавалася мало обіцяє областю, сьогодні вийшла на передній край науки, а розкриття структури дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) послужило початком інтенсивних досліджень в хімії та біології. Будучи носієм і передавачем спадкових якостей і граючи основну роль у синтезі білків, нуклеїнові кислоти утворюють групи речовин, важливість яких важко переоцінити.

Вже до початку 40-х років в розпорядженні вчених були надійні методи виділення і фракціонування біополімерів.

У. Астбері ввів у науку термін «молекулярна біологія» і провів основні дослідження білків і ДНК. Хоча в 40-і роки майже повсюдно панувала думка, що гени представляють собою особливий тип білкових молекул, в 1944 році О. Евері, К. Маклеод і М. Маккарті показали, що генетичні функції в клітині виконує не білок, а ДНК. Встановлення генетичної ролі нуклеїнових кислот мало вирішальне значення для подальшого розвитку молекулярної біології, причому було показано, що ця роль належить не тільки ДНК, але і РНК (рибонуклеїнової кислоти).

40-і роки ознаменувалися докорінною зміною погляду на структуру нуклеїнових кислот; до цього передбачалося, що всі кислоти побудовані з однакових тетра-нуклеотидних блоків і тому позбавлені специфічності. Відмова від цього уявлення стався в результаті детального дослідження структури нуклеїнових кислот, в яких перші великі досягнення належали Д. Гуланду (Англія) і Е. Чаргаффу (США). Чаргаффу у 1949-1951 роках вдалося показати, що нуклеїнові кислоти володіють специфічністю, тобто що кислоти, отримані з різних біологічних джерел, розрізняються за своїм складом.

Результати, отримані Чаргаффом, створили передумову розшифровки молекули ДНК, яку провели в 1953 році Ф. Крик (Англія) і Д. Уотсон (США).

Уотсону і Крику вдалося побудувати модель молекули ДНК, що нагадує подвійну спіраль. Якщо цю спіраль розгорнутий на площину, то отримана структура буде нагадувати сходи. Таким чином, виявилося, що будову однієї гілки молекули ДНК цілком визначає будову іншої гілки, оскільки послідовність підстав, що примикають до однієї з напрямних, однозначно визначає послідовність підстав, що примикають до іншої направляючої. Це важлива властивість молекули ДНК, назване компліментарністю (додатково), визначає генетичну функцію молекули.

Для подальшого процесу становлення молекулярної біології велике значення мала праця з розшифрування механізмів реплікації ДНК та транскрипції. Уотсон і Крик припустили, що реплікація (відтворення) молекули відбувається наступним чином: подвійна спіраль розкручується, і складові її нитки розходяться, розділяючись в місцях з'єднання підстав. Потім на кожній з ниток відповідно до правил компліментарності утворюється нова молекула. У 1957 році американський біохімік А. Кронберг провів біосинтез ДНК за допомогою реплікації, підтвердивши тим самим гіпотезу Кріка і Уотсона. Для того щоб здійснити цей процес, Кронберг знадобилося виділити фермент, що каталізує його. За відкриття цього ферменту - полімерази - і синтез ДНК Кронберг в 1959 році отримав Нобелівську премію з медицини (він розділив її з С. Очоа, який провів біосинтез РНК).

Генетична інформація кодується в ДНК за допомогою чотирьох символів (підстав), що розташовуються в певній послідовності. Однак, оскільки існує 20 основних білкових амінокислот, наступним завданням було з'ясувати, яким чином запис на чотирибуквене алфавіті в ДНК переводиться в запис на двадцатібуквенном алфавіті в білках.

Вирішальний внесок у вирішення цієї проблеми був зроблений Г.А. Гамовим в 1954 році. Він припустив, що кожна амінокислота кодується поєднанням з трьох нуклеотидів (нуклеотид є елементарний мономер ДНК, що складається з цукру, фосфату і підстави). Доказ цього припущення було отримано лише в 1961 році в результаті робіт Ф. Кріка, Л. Барнета, С. Бреннера і Р. Ваттс-Тобіна (Великобританія), а також робіт М. Нірнберга і Дж. Маттеї (США).

До початку 60-х років уже склалося чітке розуміння основних процесів передачі інформації в клітині при синтезі білка. До поняття реплікації додалися поняття транскрипції і трансляції. При роздвоєнні молекули ДНК послідовність її підстав переводиться в компліментарну послідовність підстав інформаційної РНК (РНК, як і ДНК, побудована за допомогою чотирьох підстав, лише замість тиміну в ній використовується урацил - речовина, близьке йому за властивостями). Цей процес передачі інформації від гена матричної РНК називається транскрипцією. Потім РНК переміщається з ядра в цитоплазму, де вона з'єднується з рибосомою - субмикроскопической структурою, в якій відбувається білковий синтез. У рибосоме відбувається зчитування генетичної інформації, тобто послідовність підстав, що містяться в РНК, наводиться в послідовність амінокислот. Цей процес називається трансляцією. Амінокислоти захоплюються невеликими ділянками транспортної РНК і переносяться в потрібне місце до інформаційної РНК, що знаходиться в рибосоме. Для кожної амінокислоти є своя транспортна РНК, що складається приблизно з 80 нуклеотидів. Так як налічується 20 амінокислот, то існує 20 транспортних РНК, кожна з яких відповідає кодону - трійці нуклеотидів в кодової послідовності інформаційної (матричної) РНК. Коли всі кодові елементи інформаційної РНК відповідають своїм додатковим елементам, амінокислоти розташовуються в потрібному порядку, з'єднуючись через пептидні зв'язки у ланцюг. Утворився білок сходить з матриці і процес повторюється.

Поряд з вивченням нуклеїнових кислот і процесом синтезу білка в молекулярній біології велике значення з самого початку мали дослідження структури і властивостей самих білків.

Паралельно з розшифровкою амінокислотного складу білків проводилися дослідження їх просторової структури. Серед найважливіших досягнень цього напрямку слід назвати теорію спіралі, розроблену в 1951 році Е. Полінгом і Р. Корі. Відповідно до цієї теорії, поліпептидний ланцюг білка не є плоскою, а згорнута в спіраль, характеристики якої були також визначені. Великим досягненням 50-х років було визначення просторової структури міоглобіну (Дж. Кендрю) і гемоглобіну (М. Перутца).

Після проблеми специфічності білкового синтезу на першому місці в молекулярній біології виявилася проблема регуляції синтезу білків, або, що те ж саме, регуляції активності генів.

У 1961 році французькі біохіміки Ф. Жакоб і Ж. Моно запропонували схему регуляції активності генів, яка зіграла виняткову роль у розумінні регуляторних механізмів взагалі. Згідно зі схемою Жакоба і Моно, в ДНК крім структурних (інформаційних) генів є ще гени-регулятори і гени-оператори. Ці види генів особливим чином впливають на роботу структурного гена.

Незважаючи на молодість молекулярної біології, успіхи, досягнуті нею в цій області, приголомшливі. За порівняно короткий термін були встановлені природа гена і основні принципи його організації, відтворення та функціонування. Повністю розшифровано генетичний код, виявлено і досліджено механізми та головні шляхи утворення білка в клітині. Повністю визначена первинна структура багатьох транспортних РНК - специфічних молекул-адаптерів, що здійснюють переклад мови нуклеїнових матриць на мову амінокислотної послідовності синтезирующегося білка. Встановлено основні принципи організації різних субклітинних частинок, багатьох вірусів, і розгадані шляхи їх біогенезу в клітці.

Інший напрямок молекулярної генетики - дослідження мутації генів. Сучасний рівень знань дозволяє не тільки зрозуміти ці тонкі процеси, але і використовувати їх у своїх цілях. Розробляються методи генної інженерії, що дозволяють впровадити в клітку бажану генетичну інформацію. У 70-і роки з'явилися методи виділення в чистому вигляді фрагментів ДНК за допомогою електрофорезу.

Транспортним засобом перенесення генетичної інформації в клітку став вірус. Явище трансдукції - перенесення генів з однієї клітини в іншу за допомогою вірусів - вивчали ще з 50-х років.

З'явилася можливість вивчати розподіл нуклеотидів в певному гені або отримувати потрібний білок. Для цього створюється рекомбінантна ДНК, яка виникає, коли ДНК одного організму впроваджується в клітини іншого. Так, у 80-і роки були розроблені інтерферони - білки, здатні пригнічувати розмноження вірусів. Були обрані найбільш підходящі для перенесення гени і мобільні ділянки ДНК. Наприклад, культурним рослинам вводять гени, що підвищують їх імунітет і стійкість. Барбара МакКлінток при вивченні генетики кукурудзи виявила в її геномі один рухомий ген, що відповідає за колір качана. Рухливі (мобільні) гени являють собою структурно і генетично дискретні фрагменти ДНК, здатні переміщатися по геному клітин. Механізм переміщення фрагментів ДНК по геному до кінця не з'ясований. Вбудовуючись в різні ділянки хромосом, вони вносять в геном чинники нестабільності і мінливості, що, можливо, визначає їх важливу роль в еволюції.

У 1981 році процес виділення генів і отримання з них різних ланцюгів був автоматизований. Генна інженерія в поєднанні з мікроелектронікою віщують можливості управляти живою матерією майже так само, як неживий.

Останнім часом у засобах масової інформації активно обговорюються досліди з клонування і пов'язані з цим моральні, правові та релігійні проблеми. Ще в 1943 році журнал «Сайєнс» повідомив про успішне заплідненні яйцеклітини в пробірці. Далі події розвивалися наступним чином.

1953 рік - Р. Бриг і Т. Кінг повідомили про успішну розробку методу перенесення ядра клітини в гігантські ікринки африканської шпорцевой жаби «ксенопус».

1973 рік - професор Л. Шетлз з Колумбійського університету в Нью-Йорку заявив, що він готовий провести на світ першого «бебі з пробірки», після чого послідували категоричні заборони Ватикану і пресвітеріанської церкви США.

1975 рік - закінчилася публікація серії статей про роботи професора зоології Оксфордського університету Дж. Гердона, в ході яких було клоновано більше півсотні жаб. З їх ікринок віддалялися ядра, після чого в залишився «цитоплазматичний мішок» пересідає ядро соматичної клітини. Вперше в історії науки на місце гаплоїдного ядра яйцеклітини з одинарним набором хромосом було внесено диплоидное ядро соматичної клітини з подвійним числом носіїв генетичної інформації.

1979 рік - народження в Англії Луїзи Браун, першої дитини «з пробірки».

1981 рік - Шетлз отримує три клонованих ембріона (зародка) людини, але зупиняє їх розвиток.

1985 рік - 4 січня в одній з клінік північного Лондона народилася дівчинка у місіс Коттон - першої в світі сурогатної матері, яка не є матір'ю біологічної (тобто «бебі Коттон», як назвали дівчинку, була зачата не з яйцеклітини місіс Коттон). Було винесено парламентський заборону на експерименти з людськими ембріонами старше чотирнадцяти днів.

1987 рік - фахівці Університету ім. Дж. Вашингтона, що використали спеціальний фермент, зуміли розділити клітини людського зародка і клонувати їх до стадії тридцяти двох клітин (бластів, бластомерів), після чого зародки були знищені. Тодішня американська адміністрація пригрозила позбавити лабораторії дотацій з федеральних фондів, якщо в них будуть проводитися подібні досліди.

1990 рік - 7 березня журнал «Нейчур» поміщає першу статтю колективу авторів з інституту Рослін в Единбурзі, які повідомили про народження п'яти ягнят, отриманих без участі барана: у цитоплазматичні мішки яйцеклітин було ядра культури ембріональних клітин, отриманих від іншого зародка. Адміністрація Білла Клінтона ще раз підтверджує свій намір позбавляти підтримки федеральних фондів усіх, хто виявить бажання експериментувати з людськими ембріонами. Так був позбавлений субсидії дослідник з Університету ім. Дж. Вашингтона, здійснював аналіз статі зародка і аналіз дефектних генів на стадії восьми клітин.

1994 рік - 27 лютого «Нейчур» помістив на своїй обкладинці - на тлі мікрофотографії яйцеклітини - знамениту овечку Доллі, яка народилася в тому ж інституті Рослін в Единбурзі. В кінці червня Клінтон направив у Конгрес законопроект, що забороняє «створювати людська істота шляхом клонування та ядерного переносу соматичних клітин».

1996 рік - в самому кінці грудня журнал «Сайєнс» повідомив про народження шести овець, отриманих за рослин-ському методу. Три з них, в тому числі й овечка Поллі, несли людський ген «фактора IX», або кровоспинний білка, який необхідний людям, страждаючим на гемофілію, тобто несвертиваемості крові.

1997 рік - чиказький фізик Сиди оголошує про створення лабораторії з клонування людей: він стверджує, що відбою від клієнтів у нього не буде.

1998 рік, початок березня - французькі вчені оголосили про народження клонованої телички.

Все це відкриває унікальні перспективи для людства.

Клонування органів і тканин - це завдання номер один в галузі трансплантології, травматології та інших областях медицини і біології. При пересадці клонованого органу не треба думати про придушення реакції відторгнення і можливі наслідки у вигляді раку, що розвинувся на фоні імунодефіциту. Клоновані органи стануть порятунком для людей, що потрапили в автомобільні аварії або які-небудь інші катастрофи, або для людей, яким потрібна радикальна допомога з-за захворювань похилого віку (зношене серце, хвора печінка і т. д.).

Найбільш наочний ефект клонування - дати можливість бездітним людям мати своїх власних дітей. Мільйони сімейних пар у всьому світі страждають, будучи приреченими залишатися без нащадків.

Далі. Клонування допоможе людям, які страждають важкими генетичними хворобами. Якщо гени, що визначають яку-небудь подібну хворобу, містяться в хромосомах батька, то в яйцеклітину матері пересідає ядро її власної соматичної клітини - і тоді з'явиться дитина, позбавлена ​​небезпечних, генів, точна копія матері. Якщо ці гени містяться в хромосомах матері, то в її яйцеклітину буде переміщено ядро соматичної клітини батька - з'явиться здорова дитина, копія батька.

Розшифровка генетичного коду

Розшифровка генетичного коду була одним з найвидатніших наукових відкриттів XX століття.

Найважчим у проблемі коду було зрозуміти те, що код існує. На це було потрібно ціле століття. Коли це зрозуміли, то для того щоб розібратися в деталях, вистачило якихось десяти років.

Проблема генетичного коду - це ключова проблема. В кінці 50-х - початку 60-х років вона прикувала до себе увагу багатьох вчених. У широкому сенсі генетичний код - це спосіб запису генетичної інформації в послідовностях нуклеїнових кислот (ДНК або РНК) про структуру полепептідов (білків).

Розвиток проблеми генетичного коду пройшло кілька етапів. Предтечами цієї проблеми можна вважати багатьох видатних дослідників. Зокрема, Н.К. Кольцов (1927,1935) запропонував у загальній формі ідею молекули-гена і матричний принцип її дублювання. Е. Шредінгер (1944) сформулював необхідність кодування генетичної інформації в структурі генів-молекул. П. Колдуелл і С. Хіншельвуд (1950) запропонували ідею матричного синтезу білків на ДНК. А. Дауна (1952) сформулював гіпотезу про синтез білків на РНК.

Наукові уявлення про генетичному коді як про реальну проблему експерименту і теорії були сформульовані Г.А. Гамовим відразу ж після обгрунтування Дж. Уотсоном і Ф. Криком (1953) моделі будови подвійної спіралі ДНК. Перший етап вивчення проблеми (1953-1961) можна назвати гіпотетичним. З моделі Уотсона-Кріка випливало уявлення про лінійної послідовності ДНК (якийсь текст), побудованої з чотирьох типів нуклеотидів (А, Т, G і С - чотири символи алфавіту). Але кодуються білки теж мають лінійну первинну структуру (якийсь текст), побудовану з 20 типів канонічних амінокислот (алфавіт з 20 символів). Тому Г.А. Гамов (1954) відразу ж сформулював ідею генетичного коду в конкретному значенні - як відповідність двох текстів, записаних за допомогою двох різних алфавітів. Крім того, він запропонував використовувати технічні засоби криптографії (розшифровки невідомих кодів) для вирішення центральної проблеми генетики.

Генетичний код відразу ж придбав образ великої загадки природи, ребуса для дотепних. Багато сотень математиків, фізиків, хіміків, біологів, включаючи Г.А. Гамова, Ф. Кріка та ін, запропонували гіпотетичні варіанти генетичного коду, які представляють тепер лише історичний інтерес. Реальний код виявився зовсім іншим.

Науковими результатами першого етапу можна вважати: 1) постановку проблеми генетичного коду, 2): формування понять лінійного тексту для нуклеїнових кислот і білків, генетичної інформації, записаної в цих текстах за допомогою символів алфавіту; 3) подання про матричної ролі РНК в трансляції, 4 ) поняття про кодонах і доказ їх неперекриванія; 5) припущення про триплетного кодонів і колінеарності гена і білка, доведене лише надалі, і т. д.

Другий етап (1961-1966) можна назвати експериментальним, тому що в цей період генетичний код був розшифрований в прямому експерименті.

Третій етап вивчення проблеми генетичного коду (після 1966 року) пов'язаний з поглибленим дослідженням молекулярних механізмів кодування, системних властивостей генетичного коду: симетрії, регулярності, завадостійкості, універсальності, а також шляхів його виникнення та еволюції.

У результаті досліджень геномів сформульовані специфічні завдання, створені методи, комп'ютерні програми, роботи, особливий і витончений математичний апарат. Тим самим закладено основи нової науки, названої «геноміки». Щойно вийшов у світ перший підручник для вузів, написаний Чарлзом Кентор і Кассандрою Сміт, так і називає «Геноміка».

При розшифровці послідовностей нуклеотидів геномів просто влаштованих бактерій і вірусів генетикам вдалося з точністю до одного нуклеотиду визначити їх послідовність у ДНК. Потім настала черга багатоклітинних організмів, сумарна довжина ДНК в хромосомах яких була в десятки, сотні і навіть сотні тисяч разів більше. На початку грудня 1998 року було оголошено про закінчення секвенування генома круглого хробака Caenorhabditis elegans, першого багатоклітинного тварини. Проте сказати однозначно, що при цьому вдалося визначити положення кожного нуклеотиду в ДНК цієї нематоди, не можна. Так, було доведено, що геном С. elegans містить 97 млн пар основ і несе 19 099 генів (і ні одного більше!), Але тим не менше 100 або трохи більше невеликих за розміром відрізків (близько сотні нуклеотидів кожен) залишилися нерозшифрованими. До листопада 1999 року це число невизначеностей зменшилася - залишилося близько 70 неясних точок, але вони поки вислизають від дослідників. Це пов'язано частково з тим, що в даних точках є зони повторення нуклеотидів. Під час напрацювання копій цих ділянок за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) зони повторюваних нуклеотидів можуть поводитися незвично: утворювати шпильки або злами, нерозпізнані або неправильно читаються ДНК-полімеразами - ферментами, подвоюються (ампліфікуються) дані ділянки.

Інша причина невдач обумовлена ​​тим, що іноді повторювані ділянки просто неможливо розмножити в бактеріальних клітинах (отримати клони цих ділянок), так як вони мають здатність вбивати клітини, в яких їх намагаються клонувати. Але в цілому залишаються невизначеності хоча і сильно дратують дослідників, але настільки малі, що не становлять і сотої частки відсотка від загальної довжини розшифрованої ДНК і ні в одному випадку не включені в ділянки генів, а завжди зосереджені в міжгенних просторі. Тому загальновизнаний успіх у вивченні геному С. Всі до єдиного гена відкриті, всі функціональні ділянки (промотери, інші рецепторні і важливі в структурному відношенні райони) секвенований до останнього нуклеотиду, точки геному, в яких розташовані відрізки невизначеностей, відомі.

Питання про точність вивчення послідовностей ДНК став особливо важливим у відношенні геному людини. У нашому геномі існує велика кількість повторів нуклеотидів. Крім них у хромосомах є теломери, центромери і зони гетерохроматину, де секвенування утруднене, оскільки нуклеопротеїди в них щільно сконденсовані: на сьогоднішній день вони просто виключені з досліджень. Учасників програми це не дуже турбує, справ і без того по вуха.

Залишається неясним, яку точність аналізу треба досягти. Нещодавно всі сходилися на тому, що помилок не повинно бути більше, ніж одна на мільйон нуклеотидів. Але домогтися такої точності по всій довжині геному важко, і було заявлено, що в межах генів частота помилок не повинна перевищувати 106, а в міжгенних просторах точність може бути і в сто разів менше. Зараз прийшли до згоди, що для робочого варіанту геному в межах генів буде достатньо такої точності, як 104.

До кінця XX століття геноми майже 50 видів були повністю секвенований. Зібрана інформація різноманітна, часом незвичайна, але важлива для майбутнього прогресу науки і промисловості. Ось один з прикладів. Влітку 1997 року була завершена п'ятирічна робота 37 лабораторій (головним чином європейських - вони розшифрували 60% генома; японських, секвенувала 30% генома; однієї корейської і двох американських лабораторій) над геномом бактерії Bacillus subtilis (її ДНК містить 4,2 Мб нуклеотидів і близько 4 тис. генів). Це був десятий за рахунком вивчений організм, причому вперше була досліджена грампозитивна бактерія. До цього класу належать такі патогени, як Staphylococcus aureus, що викликає гнійні запалення, стрептококи - джерела запалення середнього вуха, пневмонії та менінгітів. Окрім кращого розуміння процесів патогенності стали зрозумілі структури генів для багатьох ферментів, у тому числі і промислово важливих (тепер ці гени можна штучно збирати з попередників), були також секвенований ділянки, в які прилаштувалися ДНК бактеріофагів, а також стало ясно, як саме ці прибульці не тільки завдають шкоди клітинам, але іноді допомагають їм, надаючи стійкість до важких металів і токсинів.

Функціональна геноміка

Останнім часом важливі для медицини і сільського господарства відомості про геномах отримані в різних країнах. Так, британські дослідники з Сенгеровского центру та Інституту молекулярної медицини Оксфордського університету полі остю розкодовували з чотирнадцяти хромосом основного патогена, що викликає смертні випадки при захворюванні малярії Plasmodium falciparum. Секвенований геноми великого числа мікроорганізмів, що викликають хвороби людини.

Одним з несподіваних підсумків геноміки, істотних для майбутнього сільськогосподарського виробництва, став розвиток нового напряму, назва якого в прямому перекладі на російську звучить дещо незграбно - живильна геноміка. Відомо, що багато сільськогосподарських культур несуть недостатня кількість незамінних для людини амінокислот (тих, які не синтезуються в тілі людини), мікроелементів, металів, вітамінів або, навпаки, містять речовини, у великих кількостях шкідливі або навіть небезпечні для людини. В останні десятиліття інтерес лікарів і дієтологів до споживання так званої здорової їжі, яка містила б збалансована кількість усіх потрібних людині інгредієнтів їжі, небувало зріс. Практично на кожному харчовому продукті на Заході проставлені цифри, що говорять про те, яку частку від щодня рекомендованих норм споживання тієї чи іншої сполуки приносить даний продукт. Зараз встановлено, у скільки разів необхідно збільшити споживання того чи іншого вітаміну і мікроелементу, щоб понизити в стільки-то разів ризик ракових, серцево-судинних, респіраторних, обмінних та інших захворювань. На тлі цих успіхів стало ясно, що вивчення геномів рослин, їх метаболізму (цілком залежить від певних генів), розробка біотехнологічних операцій з перенесення генів дозволяють сподіватися, що найближчим часом, в лічені роки, вчені навчаться отримувати рослини із заздалегідь вибраними властивостями щодо їх поживної цінності.

Розшифровка геному людини

Мабуть, вперше в сучасній науці склалася незвичайна ситуація, коли в роботу над виключно дорогим і важливим проектом включилися індивідуальні дослідники, що знайшли собі потужних спонсорів та створили серйозну конкуренцію установам і університетам, які фінансуються урядами кількох країн. Спочатку (у 1988 році) кошти на вивчення геному людини виділило Міністерство енергетики США, і одним із керівників програми «Геном людини» став професор Чарльз Кентор.

У 1990 році Нобелівський лауреат Джеймс Уотсон почав лобіювання конгресу США, і незабаром конгрес розпорядився виділити відразу сотні мільйонів доларів на вивчення геному людини. Ці кошти були додані до бюджету Міністерства охорони здоров'я, звідти вони перетекли у відання дирекції мережі інститутів, об'єднаних під загальною назвою - Національні інститути здоров'я (National Institutes of Health, NIH скорочено). У складі NIH з'явився новий інститут - Національний інститут дослідження генома людини (NHGRI, директор Френсіс Коллінз).

У травні 1992 року провідний співробітник NIH Крейг Вентер подав заяву про звільнення і оголосив про створення нового, приватного дослідної установи - Інституту геномних досліджень (The Institute for Genomic Research, скорочено - TIGR або ТИГР).

Очікування гігантських прибутків від майбутнього впровадження результатів вивчення геномів добре зрозуміли не тільки в США. У провідних країнах Заходу розпочалася справжня гонка щодо вкладу коштів в дослідження геномів. 3 травня 1999 британський «Білком траст» (формально уряд Великобританії фінансує британську частину проекту «Геном людини» через цей приватний благодійний фонд) додав додатково 100 млн фунтів стерлінгів (приблизно 167 млн доларів) декільком англійською лабораторіям, які займаються дослідженнями геному людини, з них 77 млн доларів було виділено на 1999 рік Сенгеровскому центру в Кембриджі. Цим кроком британський фонд постарався стимулювати своїх співвітчизників. Незабаром в Колд Спрінг Харборської лабораторії під Нью-Йорком (де почесним президентом працює Джеймс Уотсон) за закритими дверима відбулося засідання всіх сторін, що беруть участь у міжнародному проекті «Геном людини», після чого керівництво проекту оголосило, що «робочий варіант» людського генома буде готовий не до 2003, а в 2000 році.

Для того щоб пояснити публіці, як можна настільки вільно маніпулювати, здавалося б, суворо продуманими науковими планами, був використаний наступний аргумент. Як вже було сказано, можна по-різному підходити до критеріїв точності секвенування геномів. При первинному оголошенні термінів завершення проекту в 2003 році передбачалося, що точність дослідження геному складе 99,99%. Потім терміни посунули, грунтуючись на тому, що для біологів і медиків вистачить і 90%-ної точності, зате відрапортувати про завершення геному можна буде до кінця 2000 року.

Правда, американському уряду, щоб не відстати у гонці, довелося піти на серйозні додаткові витрати. Вже 15 березня дирекція NHGRI повідомила, що отримала додатково 81,5 млн доларів на програму геному людини і що ці гроші будуть негайно розподілені між трьома американськими центрами.

2 грудня 1999 журнал «Nature» оприлюднив дані, що стосуються великого прориву в дослідженні геному людини: в основному зусиллями англійських вчених за активної участі інших європейських, японських і американських лабораторій був завершений повний аналіз однієї з хромосом людини (правда, однією з найменших) - хромосоми 22.

На цьому гонка аж ніяк не затихла. Як повідомив журнал «Science» з посиланням на газету «Ля Монд» від 14 травня 1999 року, французький уряд вирішив у цей момент «впорснути» додатково 330 млн доларів на найближчі три роки до бюджету розташованого поряд з Парижем дослідного центру геному в Іврі. Цим кроком французький уряд хотіло б усунути своє відставання в порівнянні з США і Великобританією і забезпечити собі можливість запатентувати достатню кількість напрацювань в цій області. Тільки тоді можна сподіватися, що в майбутньому, коли результати вивчення геному людини будуть впроваджені в медичну та індустріальну практику, приплив грошей французьким компаніям буде великим.

У червні 1999 року Німеччина, яка до цього виділяла явно недостатньо коштів на дослідження геному людини (всього 23 млн доларів на рік починаючи з 1996 року), змінила свій підхід: на найближчі п'ять років було відпущено 550 млн доларів. У листопаді - грудні 1999 року стало ясно, що вченим вдалося переконати уряд збільшити щорічні витрати на дослідження геному людини до 280 млн доларів.

13 липня 1999 про збільшення коштів, що виділяються на роботу за секвенированию геному людини оголосив уряд Японії. Внесок Японії у проект «Геном людини» становив до цього невелику величину (японські вчені до того часу вивчили не більше 8% геному, коштів було виділено недостатньо, хоча в останні три роки щорічні витрати досягали 560 млрд ієн і склали чверть коштів, що витрачаються в США ). Тепер уряд Японії вирішив вкласти в найближчі п'ять років 2 трлн ієн (17 млрд доларів, або близько 0,2% валового національного продукту Японії), що дозволить японським ученим розкодувати до третини геному людини до 2001 року. Цей величезний за розмірами план став частиною спільних зусиль щодо широкомасштабного розвитку біотехнології в країні. Для цього японський уряд вирішив розширити в найближчі десять років японський біотехнологічний ринок у 25 разів, довівши масштаб щорічних угод на ньому до 25 трлн ієн (213 млрд доларів) і створивши умови для виникнення близько 1000 біотехнологічних приватних фірм до 2010 року.

Те, що брала участь на початку створення міжнародного проекту «Геном людини» Росія фактично призупинила свій внесок у нього, можна розглядати однозначно: Росія прирікає себе в цьому відношенні на поступовий перехід на рівень другорядних держав, приречених на економічну залежність в майбутньому від тих, хто вклав кошти в цю наукову галузь.

Опис геному людини вченим вдалося отримати значно раніше планувалися термінів (2005-2010 рр.).. Вже в кінці нового, XXI століття були досягнуті сенсаційні результати у справі реалізації зазначеного проекту. Виявилося, що в геномі людини - від 30 до 40 тисяч генів (замість передбачуваних раніше 80-100 тисяч). Це ненабагато більше, ніж у черв'яка (19 тисяч генів) або мухи-дрозофіли (13,5 тисяч). Однак, за словами директора Інституту молекулярної генетики РАН, академіка Є. Свердлова, «нарікати на те, що у нас менше генів, ніж передбачалося, поки рано. По-перше, в міру ускладнення організмів один і той же ген виконує набагато більше функцій і здатний кодувати більшу кількість білків. По-друге, виникає маса комбінаторних варіантів, яких немає у простих організмів. Еволюція дуже економна: для створення нового займається «перелицювання» старого, а не винаходить все знову. Крім того, навіть самі елементарні частинки, на зразок гена, насправді неймовірно складні. Наука просто вийде на наступний рівень пізнання ».

Розшифровка геному людини дала величезну, якісно нову наукову інформацію для фармацевтичної промисловості. Разом з тим виявилося, що використовувати цей науковий багатство фармацевтичної індустрії сьогодні не під силу. Потрібні нові технології, які з'являться, як передбачається, у найближчі 10-15 років. Саме тоді стануть реальністю ліки, що надходять безпосередньо до хворого органу, минаючи всі побічні ефекти. Вийде на якісно новий рівень трансплантологія, отримає розвиток клітинна і генна терапія, радикально зміниться медична діагностика і т. д.

Нобелівська премія - творцям сучасної електроніки

Королівська Академія наук Швеції присудила Нобелівську премію з фізики за 2000 рік дослідникам, чиї праці заклали основу сучасної інформаційної техніки.

Премія ділиться на дві частини з врученням першої половини Жоресу Івановичу Алфьорову, директору Фізико-технічного інституту ім. А.Ф. Іоффе РАН (Санкт-Петербург / Росія), і Герберту Кремеру, професору Каліфорнійського інституту (Санта Барбара, Каліфорнія / США), за розвиток напівпровідникових гетероструктур для високошвидкісної і оптоелектроніки.

Друга половина премії вручається Джеку С. Кілбі, голові дослідного центру корпорації «Тексас Інструменти» (Т1) (Даллас, Техас / США), за внесок у створення інтегральної схеми.

Обмін інформацією в сучасному суспільстві відбувається за допомогою комп'ютерів по оптоволоконним кабелях через Інтернет і мобільних телефонів супутникового зв'язку. Сучасні системи зв'язку відповідають двом основним вимогам. Вони володіють високою швидкодією - великий обсяг інформації можна передати за короткий проміжок часу. Апарати користувача стали настільки компактними, що вміщаються не тільки на столі, але і в портфелі або навіть у кишені. Вагомий внесок у створення всієї цієї техніки внесли роботи трьох фізиків, нобелівських лауреатів цього року.

Жорес Іванович Алфьоров і Герберт Кремер відкрили й удосконалили швидкісні опто-і мікроелектронні компоненти на базі багатошарових напівпровідників, так званих гетероструктур. Швидкодіючі транзистори, створені на їх основі, широко використовуються в системах супутникового зв'язку і в мобільних телефонах. Лазерні діоди, сконструйовані за цією технологією, передають інформаційні потоки за допомогою оптоволоконних телефонних ліній і мереж Інтернету. Вони працюють в програвачах компакт-дисків, пристроях, що зчитують товарні ярлики в магазинах, цілівказівниках, далекомірах, теодолітах і в багатьох інших приладах. На базі гетероструктурних технологій сконструйовані потужні світловипромінюючі діоди, які застосовуються в якості габаритних вогнів і стоп-сигналів автомобілів, у світлофорах і маяках. У майбутньому лампочки розжарювання і люмінесцентні лампи поступляться місцем набагато більш економічним і довговічним світловипромінюючих діодах.

Джек С. Кілбі працював над створенням компактних напівпровідникових приладів з початку 60-х років. Його дослідження привели до створення інтегральної схеми, що отримала назву «мікросхеми» або «чипа» - пристрою розміром близько сантиметра, що містить тисячі транзисторів. Поява мікросхеми призвело до бурхливого розвитку мікроелектроніки, яка сьогодні лежить в основі всієї сучасної техніки - від ручних годин до світових систем зв'язку. Як приклад можна назвати потужні комп'ютери і процесори. Вони збирають і обробляють інформацію, контролюють роботу безлічі механізмів - від пральної машини і автомобіля до космічних супутників та медичного обладнання - комп'ютерного томографа та діагностичних приладів на основі ядерного магнітного резонансу.

Можна сміливо стверджувати, що без фундаментальних теоретичних робіт і експериментальних досліджень, виконаних за багато років творцями сучасної електроніки, все наше життя була б зовсім іншою.

Підсумки століття

На межі століть завжди якась частина людей була стурбована пошуками символів минулого часу. Ось і нині - періодичні видання дружно виділяють події, які стали етапними і зробили вплив на життя людства в минулі сто років. Називають атомну бомбу, комп'ютери та Інтернет, відкриття генетичного коду і клоновану овечку. Якщо подивитися уважніше і на інші більш дрібні події століття, то все одно виявиться, що, підбиваючи підсумки часів, люди виділяють насамперед і найчастіше досягнення науки і техніки.

Відоме додаток до «Независимой газете» - «НГ-Наука» протягом року проводила рейтингові опитування читачів по чотирьох, як прийнято сьогодні говорити, номінаціями:

найвидатніші вчені століття;

відкриття і наукові концепції (теорії), найбільшою мірою вплинули на розвиток цивілізації у XX ст.;

найбільш значимі технології і винаходи;

найграндіозніші реалізовані технічні (інженерні) проекти.

У результаті, як і планувала «НГ-Наука», з'явився список - «Золота сотня» науки і техніки XX ст., Складений на думки читачів.

Найвидатніші вчені століття

Іван Павлов (теорія умовних і безумовних рефлексів).

Марія Склодовська-Кюрі (роботи з радіоактивності).

Микола Семенов (теорія розгалужених хімічних реакцій).

Отто Ган (розподіл ядра урану).

Альберт Ейнштейн (спеціальна і загальна теорія відносності).

Нільс Бор (теорія будови атомів).

Макс Планк (квантова теорія).

Вольфганг Паулі (принцип заборони у квантовій механіці).

Вернер Гейзенберг (квантова механіка).

Поль Дірак (квантова механіка).

Енріко Фермі (ядерна і нейтронна фізика).

Едвард Теллер (ядерні реакції).

Стівен Хокінг (теорія випромінювання «чорних дір»).

Бенуа Мандельброт (фрактальна геометрія).

Френсіс Крик, Джеймс Уотсон (відкриття подвійної спіралі ДНК).

Норберт Віннер (кібернетика).

Ілля Пригожий (термодинаміка нерівноважних процесів).

Денніс Габор (голографія).

Олександр Фрідман (модель нестаціонарної розширення Всесвіту).

Клод Шеннон (математична теорія інформації).

Вільям Шоклі,. Джон Бардін, Уолтер Браттеін (транзисторний ефект).

Олександр Флемінг (відкриття пеніциліну).

Анрі Пуанкаре (математична формулювання принципів спеціальної теорії відносності).

Тім Бернерс-Лі (концепція Всесвітньої павутини - World Wide Web).

Крістіан Барнард (пересадка серця людині).

Петро Капіца (фізика низьких температур).

Томас Морган (генетика).

Андрій Сахаров (роботи в області термоядерного синтезу).

Фріц Габер (синтез аміаку).

Гленн Сіборг (синтез трансуранових елементів).

Сергій Корольов (реалізація радянських космічних програм).

Микола Вавілов (генетика).

Ігор Курчатов (створення радянської атомної зброї).

Володимир Вернадський (теорія ноосфери).

Володимир Іпатов (хімія високих температур і тисків).

Костянтин Ціолковський (теорія космічних польотів).

Юлій Харитон (створення радянської атомної зброї).

Володимир Уткін (створення ракетно-космічної техніки).

Андрій Мірзабеков (секвенування геномів).

Микола Басов, Олександр Прохоров (роботи в галузі квантової електроніки).

Уоллес Короузерс (синтез нейлону).

Відкриття і наукові концепції (теорії), найбільшою мірою вплинули на розвиток цивілізації у XX ст.

Спеціальна теорія відносності.

Загальна теорія відносності.

Квантова механіка.

Транзисторний ефект.

Теорія електрослабкої взаємодії;.

Ноосферна концепція.

Теорія дисипативних систем.

Розгалужені ланцюгові реакції.

Лазерний ефект.

Подвійна спіраль ДНК.

Ядерний магнітний резонанс.

Теорія імунітету.

Відкриття функції хромосом як носіїв спадковості.

Експериментальне підтвердження явища квантової телепортації.

Співвідношення невизначеності Гейзенберга.

Ентропійний принцип.

Концепція Великого вибуху.

Кваркова теорія будови речовини.

Високотемпературна надпровідність.

Концепція сталого розвитку.

Концепція «ядерної зими».

Відкриття ембріональних стовбурових клітин.

Концепція дрейфу материків.

Синтез трансуранових елементів.

Виділення ферменту теламерази, який зупиняє процес старіння клітин.

Закон гомологічних рядів Вавілова.

Відкриття реліктового озера Схід під трикілометровим панциром льоду в центральній частині Антарктиди.

Відкриття груп крові.

Планетарна модель атома.

Ефект Вавилова-Черенкова (випромінювання світла рухається у воді електроном).

Дифракція рентгенівських променів у кристалах.

Космологічна теорія суперструн.

Найбільш значимі технології і винаходи

Генна інженерія.

Інтернет.

Клонування ссавців.

Атомна енергетика.

Лазери.

Комп'ютерні віртуальні реальності.

Кремнієві мікрочіпи.

Волоконно-оптична зв'язок.

Факс.

Мобільний телефонний зв'язок.

Нанотехнології.

Томографія.

Синтез фулеренів.

Телебачення.

Запис інформації на CD-та DVD-дисках.

Радіолокація.

Термоядерний синтез.

Молекулярні мікрочіпи для розшифровки геномів.

Реактивна авіація.

Синтез пластмас.

Кулькова авторучка.

Застібка-«блискавка».

Ксерокс.

Акваланг.

Перфторан (блакитна кров) - кровозамінник на основі перфторуглеродних емульсій.

Технологія «чистих кімнат».

Бульбашкова камера.

Прискорювачі елементарних частинок.

Роторні автоматизовані лінії.

Реалізовані інженерні проекти

«Саркофаг» (об'єкт «Укриття» над 4-м блоком Чорнобильської АЕС).

Висадка людини на Місяць.

Проект «Вега» (дослідження речовини комети Галлея).

Автомат Калашникова.

Експедиція марсохода «Соджорнер» (марсіанська станція «Марс Песфайндер»).

Створення та випробування в СРСР найпотужнішої водневої бомби (50 мегатонн).

Космічна орбітальна станція «Мир».

Гребля Рогунської ГЕС (висота 355 м).

Пересадка людського серця.

Перший штучний супутник Землі.

Кольська надглибока свердловина (досягнута глибина - більше 12 тис. м).

Криголам-атомохід «Ленін».

Екраноплан «Монстр Каспію» (довжина 100 м, розмах крил 40 м, 10 реактивних двигунів, швидкість пересування 800 км / год в декількох метрах над поверхнею води).

Безпілотний політ радянського космічного човника «Буран».

Тунель під Ла-Маншем.

Телескоп Хаббл.

Програма «Геном людини».

Сибірський гірничо-хімічний комбінат (Червоно-Ярське-20).

Проект «Союз-Апполлон».

Будівля ділового центру в столиці Малайзії Куа-ла Лумпур «Петронас Твін Тауері», висота 452 м.

Останкінська телевежа - 537 м.

Радіомовлення, початок регулярних радіопередач.

Перша посадка на Венеру радянського космічного апарату «Венера-3».

Юпитерианской зонд «Галілео».

Система «Спейс шаттл».

Прискорювач елементарних часток - Великий коллайдер в Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН).

Газодобувна платформа «Циклоп» у Північному морі.

План ГОЕЛРО.

Список літератури

1. Чанишева А.Н. Курс лекцій з стародавньої філософії. М., 2008.

2 Азерніков В.З. Невипадкові випадковості. Розповіді про великі відкриття і видатних вчених. М., 2006.

3. Сєдов Л.І. Галілей та основи механіки. М., 2004.

4. Бернал Дж. Наука в історії суспільства. М., 2007.

5. Юкава X. Лекції з фізики. М., 2006.

6. Александров Г.Ф. Концепції сучасного природознавства. М., 2007.

7. Кудрявцев П.С. Сучасне природознавство. Курс лекцій. М., 2007.