Что ждет науку в третьем тысячелетии?

Что ждет науку в третьем тысячелетии?

Сколько насчитывает современная цивилизация?

Примерно шесть тысячелетий: два в новой эре, что известно точно, и около четырех, уходящих в далекое прошлое (Шумерское царство, Вавилон, Египет).

Почему примерно? Возможно, мы еще не всё знаем…

Однако пусть об этом спорят историки. Мы же поговорим о науке.

Уже несколько веков мы живем в развивающемся, технически прогрессирующем мире, что является несомненной заслугой науки, и в первую очередь физики.

Посмотрим, что принесла миру физика второго тысячелетия, а практически физика последних 100-150 лет.

Наука 1000 лет назад

К 1001 году физика добилась успехов только в начальных элементах механики, гидро- и аэродинамики.

Механические инструменты, подъемные приспособления, производство кирпича и камня

позволили строить дворцы, храмы и жилища. Возведение плотин, использование перепадов воды и силы ветра дали людям в руки дешевую энергию водяных и ветряных мельниц, что обеспечивало население в течение веков хлебом насущным.

Совершенствовалось судостроение, и парусники разных мастей бороздили внутренние моря, рискуя даже выходить в безбрежный океан. Создавались новые материалы - фарфор, стекло, бумага, цемент. Изобретались инструменты и приборы - компас, печатный станок, солнечные и песочные часы.

Но почти все производство оставалось ручным. Сильные руки и крепкая спина были основными орудиями труда. Транспорт - только гужевой. Ох, как трудно жилось людям! Как отчаянно приходилось бороться за свое существование, как короток был их век!

XVII век ознаменовался Машинной революцией.

Стремления человека к повышению производительности труда, позволило использовать достижения механики и облегчить сам труд. Были созданы рабочие станки - ткацкий, токарный.

Наука (механика, гидравлика, оптика), доказав свою полезность, заняла почетное место в обществе и с этого времени круто пошла в гору почти по всем направлениям.

Прогрессу способствовал и происшедший в то же время переход от философски-умозрительной науки к активно-опытной, поставившей эксперимент и точный расчет главными критериями истинного знания. Возникли и успешно развивались многие классические разделы физики: электричество и магнетизм, кинематика и теплота (термодинамика), оптика, акустика, молекулярная и атомная теории.

Фундаментальная и прикладная наука

Что же является стимулом развития науки? Улучшение условий жизни, работы, быта?

Не совсем так. В первую очередь наука развивается для самой науки: чтобы полнее и надежнее были знания об окружающем мире, чтобы можно было проникать все глубже в тайны мироздания.

Таков путь фундаментальной науки, примером которой может служить физика в первичном понимании, наука о природе (греч. Φ υ σ ι ζ   - природа).

Открывая новые законы, объясняя наблюдаемые процессы и явления, физика создает плацдарм для новых атак на природу, в том числе и для  других наук (химии, астрономии, геофизики, биологии, медицины).

Однако параллельно с «наукой для науки» существует менее значимая, на первый взгляд, словно побочный продукт, - прикладная наука, которая использует достижения старшей сестры для повседневной жизни.

Фундаментальная физика – бронетанковый клин, прорывающий фронт природы и уходящий далеко вперёд, развивающий успех по всем направлениям. А прикладная физика – это идущие следом пешие отряды, делающие всё, чтобы на завоёванной территории труд и быт были наилучшим образом обустроены.

Таки образом, Физика, как наука, подразделяется на фундаментальную (основную) и прикладную (побочную).

Понятно, что без основной науки не может быть и побочной. Если по какой-либо причине фундаментальная ветвь науки начнет засыхать (пропал интерес общества, сократилось финансирование), в скором времени отомрет и побочная, ибо без новых территорий нечего будет и по-новому обустраивать.

Из сказанного вовсе не следует, что прикладная физика второстепенна. В развитии общества она играет главнейшую роль, будучи более близкой, понятной и полезной.

Оставим вопросы фундаментальной физики для учёных умов. Нам же более интересно обратить своё внимание на достижения прикладной физики.

Технические достижения

Они поистине огромны!!!

Простой перечень приборов и устройств, методов и новаций, введенных за последние 100-150 лет, занял бы не одну страницу. Здесь нам бы очень долго пришлось перечислять основные достижения прикладной физики в области транспорта, связи, энергетики, промышленности, медицины и быта.

Остановимся только на самых крупных из них, прочно вошедших в повседневную жизнь и коренным образом изменивших нашу жизнь.

ТРАНСПОРТ - в первую очередь, конечно, автомобиль. Самое распространенное и доступное

средство передвижения, гордость и боль современной цивилизации, постоянно совершенствующийся сгусток технических идей и достижений.

Физика конца XIX века славно постаралась и следом за «огнедышащим драконом» Уатта-Стивенсона создала изящный персональный самодвижущийся экипаж - автомобиль.

Сердце автомобиля, двигатель внутреннего сгорания - одно из блестящих достижений науки, полученное совместными усилиями механики, термодинамики, электротехники, материаловедения.

Первый бензиновый двигатель создал немецкий инженер Г. Даймлер в 1885 г. 

Паровоз может питаться грубым топливом: дровами, углем. Чтобы получить эффективное горючее для автомобиля - бензин, пришлось создать нефтедобывающую и нефтеперерабатывающую промышленности.

Бензонасос, карбюратор, реле зажигания, свечи, камеры сгорания (цилиндры), моторная смазка... Сколько труда изобретателей, отвергнутых и принятых идей было положено на алтарь прогресса, чтобы небольшой компактный движок уверенно заработал, приводя в действие оживший экипаж.

А как пришлось постараться, чтобы колеса надежно схватывались тормозами, когда машина развивала «бешеную» скорость. Уже на пятых европейских гонках машин в 1894 г. средняя скорость достигла 70 км/ч, а еще через 10 лет превысила 120 км/ч! На время автомобиль обогнал поезд.

Как обеспечить безопасность поворотов, если внешние колеса должны вращаться быстрее внутренних? Для этого придумали дифференциал заднего моста и независимую подвеску передних колес.

Вся резиновая промышленность, начиная с добычи в Южной Америке каучука для автомобильных шин, была обязана сделать авто нетряским и удобным. Хотя, собственно пневматическая шина была известна довольно давно - ее изобрел англичанин Р.Томпсон в 1845 г.

С той же целью удобства и комфорта был применен асфальт (позднее асфальтобетон) - и вся Земля покрылась сетью автодорог.

В 20-х гг. прошлого столетия благодаря предпринимательству Генри Форда автомобиль стал общедоступен (по крайней мере, в развитых странах). Сегодня нельзя представить жизнь без него - личного автомобиля, городского автобуса, сельского трактора, без скоростных трасс и «Формулы-1».

 СВЯЗЬ - телефон. Средство общения, аппарат «быстрого реагирования», настолько вошедший в наш быт, что, кажется, он существовал вечно. Просто невозможно представить, как люди обходились без телефона.

А ведь ему чуть больше ста лет. Телефонный аппарат самого распространенного (электромагнитного) типа был изобретен американским инженером А. Беллом в 1876 г.

Вскоре была основана знаменитая «Bell Telephon Company», ведущая телефонная компания мира, занимающаяся не только расширением телефонной сети, но и научными разработками в области телекоммуникаций.

В 1965 г. два ее инженера, отрабатывая слежение за спутником, сделали величайшее открытие - обнаружили микроволновый фон, тепловое реликтовое излучение, доказавшее, что Вселенная возникла в результате Большого Взрыва.

Телефон - детище инженерной физики, совместный продукт таких ее разделов, как акустика, электротехника, теория колебаний.

За прошедшие сто лет Телефон претерпел значительные изменения как в конструкции аппаратов, так и в организации телефонной связи. Возникли АТС (автоматические телефонные станции), заменившие армию телефонных барышень, вручную соединявших абонентов. Были разработаны переносные трубки с радиопередатчиком, так что разговор теперь можно вести, переходя из комнаты в комнату и даже, например, принимая ванну. Появился видеотелефон (не получивший, однако, широкого признания). Вошла в быт целая плеяда мобильных телефонов: сотовый и спутниковый, пейджеры со множеством полезных модификаций.

Сотовый телефон, очень популярный в настоящее время, ставший символом делового предпринимательства и престижа, основан на приеме-передаче радиосигналов сетью ретрансляторов, охватывающей весь город. Это позволяет связываться с абонентом в пределах сети практически из любого места (улица, театр, автомобиль), но связь прекращается, если вы выехали за город.

Спутниковый телефон, ретранслятором для которого служит спутник Земли, вернее, сменяющая друг друга группа спутников на высоких орбитах (для охвата большей территории), лишен этого недостатка. С его помощью можно вести разговор практически с любым земным абонентом, находясь в тайге, в горах, на море, за исключением, может быть, уж очень экзотических мест (приполярные районы, не просматриваемые спутниками). Понятно, радиопередатчик спутникового телефона должен быть мощнее сотового, и стоимость, следовательно, тоже.

Пейджер, строго говоря, не является телефоном. Это скорее персональный радиотелеграф (СПРВ - система персонального радиовызова). Он действует так. Через общий коммутатор (с ним связываются по телефону или через модем компьютера) посылают короткую радио депешу, которая мгновенно высвечивается на портативном экране владельца пейджера. Это удобный способ быстрого оповещения.

Нечего и говорить о том, что качество телефонной связи постоянно улучшается, применяются новые элементы и материалы, поставляемые промышленностью, выбираются наиболее удобные интервалы частот, обновляется дизайн, растет разнообразие конструкций. Телефон, как и автомобиль, никогда не останавливается в своем совершенствовании, используя все новейшие достижения науки и техники.

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И МЕДИЦИНА - лазер. Чудо XX в., оживший гиперболоид инженера Гарина.

Лазер (аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света

путем вынужденной эмиссии излучения) стал следствием предсказанного А.Эйнштейном излучения.

В долазерную эпоху излучение всех источников света было случайным (спонтанным), возникающим при нагревании: свеча, электрическая лампочка, вольтова дуга. Возбужденные атомы спонтанно переходят в основное состояние, испуская кванты светового излучения, никак не связанные друг с другом. Они распространяются равномерно во все стороны и занимают целый спектр возможных энергий.

А.Эйнштейн, выводя формулу планковского излучения черного тела, предположил, что наряду со спонтанным должно существовать вынужденное, резонансное излучение, возникающее, если через возбужденную среду пролетает световой квант с энергией, в точности равной энергии возбуждения. Он, как снежок, который вызывает сход снежной лавины, порождает излучение «лавины» квантов той же энергии, распространяющихся в том же направлении. Возникает когерентное излучение высокой концентрации.

Лазерный луч обладает уникальными свойствами.

Во-первых, это очень узкий пучок света, расходимость которого много меньше, чем у любых прожекторов.

Появились лазерные указки и лазерные карандаши. Лазер рисует рекламные объявления и мультфильмы, обеспечивает видео сопровождение в театральных спектаклях.

Во-вторых, это интенсивный световой поток, обладающий огромной мощностью. Это качество вовсю используется в промышленности и, возможно, будет взято на вооружение энергетикой будущего (лазерный термояд).

Наконец, это пучок фотонов одинаковой энергии, позволяющий избирательно действовать на атомные системы.

У лазера есть и другие полезные свойства. Но и названных вполне достаточно, чтобы понять колоссальные перспективы его применения в различных областях науки, промышленности и техники.

Принцип действия лазера (и предшествующего мазера) был открыт советскими физиками Н.Г.Басовым, А.М.Прохоровым и американцем Ч. Таунсом в 1955-1960 гг. Это открытие было удостоено Нобелевской премии.

Сейчас устройство лазера кажется чрезвычайно простым: световые лампы накачки облучают рабочее тело, например, стержень из рубина или неодимового стекла.

В нем образуется инверсная заселенность уровней (на верхнем, возбужденном уровне больше атомов, чем на основном, нижнем). Первый же высветившийся фотон, проходящий вдоль стержня, «срывает» лавину фотонов, и с обоих торцов выходят узкие монохроматические световые пучки.

В настоящее время разработано множество типов лазеров: газовые (в частности СО2-лазеры), на электронах, на красителях, полупроводниковые и т.д.

Лазерные пучки охватили весь оптический диапазон, в т.ч. инфракрасную и ультрафиолетовую области. Есть даже лазеры ближнего рентгеновского диапазона. Обсуждаются идеи гамма-лазера.

Что делают лазерные пучки в промышленности? Сверлят, сваривают, режут, плавят материалы, но намного изящнее и надежнее, чем обычные механические станки.

Лазерный луч анализирует плазму и выискивает дефекты в образцах. Он может разделять изотопы и  печатать тексты (лазерный принтер).

Ему нет равных в производстве полупроводников. Не счесть всех применений этого универсального прибора.

Огромны возможности лазера в медицине. Он выступает как «световой скальпель», стерильный и бескровный, используемый в особо тонких случаях - при операциях на глазах, глубоко лежащих внутренних органах, достигая их через тонкие оптические волокна, а также как анализатор и средство исправления дефектов зрения, слуха, органов внутренней секреции. 

ЭНЕРГЕТИКА - атомный реактор. Созданный в годы борьбы с фашизмом и «холодной» войны, атомный реактор до сих пор несет на себе отпечаток секретности и скрытой угрозы.

У всех в памяти аварии реакторов в разных странах и самая страшная из них - Чернобыльская.

Но реактор - это и сбереженный кислород атмосферы, и чрезвычайно калорийное ядерное горючее, пришедшее на смену истощающимся запасам угля, нефти и газа, и охрана природы от многотонных выбросов тепловых электростанций.

Реактор - самое грандиозное техническое сооружение физики XX в. Его основы заложили ядерная физика, автоматика, теплотехника, физика материалов.

В реакторе протекает цепная реакция деления, в которой происходит превращение ядер тяжелых элементов (урана, плутония) в ядра средней части Периодической системы элементов, сопровождающееся большим выделением внутриядерной энергии.

Созданы разные типы и конструкции реакторов - на тепловых и быстрых нейтронах. Последние называются бридерами (производителями) и позволяют получать новые порции ядерного горючего (плутония -239), т.е. эффективность использования природного урана сильно возрастает.

Большое внимание уделяется безопасности реактора, таящего в себе огромные запасы радиоактивных материалов - продуктов деления. Все понимают, что атомный реактор - это переходный элемент в энергетике. Ему на смену обязательно придут другие типы реакторов (термоядерный, гибридный или какой-либо еще), но в настоящее время мировая энергетика не может без него обойтись.

Реактор - это еще и мощный источник нейтронов, используемый в промышленных и медицинских целях, например в онкологии. В реакторе получают радиоактивные изотопы для многих отраслей промышленности, сельского хозяйства, научных исследований и медицины. Реактор посылает тепло в наши дома. Реактор опресняет воду.

БЫТОВАЯ ТЕХНИКА - солнечный дом.

Сразу оговоримся: пример не совсем типовой. Солнечный дом сегодня в самом начале своей

«карьеры», он получил признание пока только в развитых странах с теплым климатом (США, Франция, Германия, Италия).

В нашей стране он мог бы применяться в южных и центральных областях, скажем, до широты Москвы.

Солнечный дом - это переход домашнего хозяйства полностью на собственное энергетическое обеспечение. К нему не подходят электрические провода и трубы теплотрассы, он сам добывает энергию из солнечного света в количестве, достаточном для обогрева, освещения и работы всех бытовых приборов.

Достигается это с помощью специальной энергетической установки - гелиостата, в котором в солнечные дни световой поток нагревает теплоноситель, движение же последнего вырабатывает электрический ток, заряжающий аккумуляторные батареи.

В пасмурные дни батареи поддерживают жизнеспособность дома, а каждый солнечный луч используется для их подзарядки.

Конечно, в солнечном доме должны быть сведены к минимуму все тепловые потери, которых так много в наших сегодняшних домах.

Солнечный дом - это личное высокоэкологичное хозяйство, предназначенное, в первую очередь, для провинции и пригородов. Таким должен быть малоэтажный коттедж, сельский дом или дача.

Однако со временем принцип солнечного дома может быть распространен и на многоэтажные городские дома и кварталы.

Энергосберегающий солнечный дом - это наглядный пример жизни в будущем.

Новое тысячелетие

Что же сулит нам третье тысячелетие? Какие перспективы открывает физика в союзе с другими науками перед жителями Земли?

По-видимому, наибольшие изменения произойдут в энергетике. Тепловые станции, сжигающие атмосферный кислород и загрязняющие Землю отходами (в том числе СО2 -стимулятором парникового эффекта и глобального потепления), конечно, будут выведены из эксплуатации.

Их заменят экологически чистые солнечные станции, как наземные, так и орбитальные, и, возможно, АЭС с термоядерными реакторами, расположенные в отдаленных районах.

Резко возрастет доля возобновляемых энергетических источников (геотермальных, приливных, возможно, биологических). Энергетика будет широко использовать солнечное тепло и тепло земных недр. Возможным горючим для термоядерных реакторов станет изотоп Гелий-3, доставляемый с Луны и других планет.

В личном хозяйстве будут преобладать энергосберегающие установки типа солнечного дома, солнечной фермы и, может, даже небольших солнечных заводов.

Города, как место концентрации населения, по-видимому, будут отмирать. Вырастет сельское население, живущее в гармонии с природой и пользующееся благодаря доступному транспорту и средствам связи всеми благами цивилизации (культура, спорт, развлечения).

Транспорт, конечно, тоже претерпит большие изменения. Бензиновый двигатель, так отравляющий жизнь сейчас, безвозвратно уйдет в прошлое, его сменят экологически чистые двигатели (на солнечных батареях, на водородном горючем или на чем-нибудь еще, пока не открытом). Внешний вид автомобилей (или как их станут называть?) будет совсем другой. Возможно, они будут амфибиями, которые, при желании, научатся и летать.

Первые столетия нового тысячелетия, несомненно, пройдут под знаком информационной революции.

Связь достигнет такого высокого уровня, который мы и представить не можем. Средства связи станут общедоступными, универсальными и надежными. Можно будет связываться в любой момент с любой точкой на Земле и в ближнем космосе. Минимизированный аппарат можно будет разместить на пальце, как кольцо.

А каких высот достигнут компьютеры, Интернет, видео- и аудиотехника, прогрессирующие на глазах!

Несомненно, продвинется вперед медицина, которая найдет управу на рак и СПИД. Появятся, конечно, и новые болезни, и неизвестные сейчас типы вирусов, но полная расшифровка генома человека, начатая сейчас, сулит победу над всеми напастями.

Средний возраст жизни человека подойдет к 100-летней отметке, а может быть, и преодолеет ее. Это, несомненно, скажется на психологии общества, ведь в одно время будут жить 5-6 поколений.

Наконец, биофизика, от которой давно ждут решающего слова, откроет свои тайники и, возможно, станет главным направлением технического прогресса. Почему бы, в самом деле, человеку не летать, как птица, и не плавать, как рыба?

Научная фантазия так же безгранична, как и сказочная. Много можно предсказать благих изменений в жизни общества, которые в состоянии обеспечить научно-технический прогресс. 

Простое сравнение нашей жизни с первым тысячелетием показывает, насколько грандиозен он может быть, какая масса неожиданных открытий может возникнуть, резко изменив жизненный уклад!

Человек достиг большой власти над природой, но эта власть все же не абсолютна. Точно знать свое место в мире и свои возможности - это еще одна, может быть, самая главная задача, решать которую и будет наука в новом тысячелетии.

Источник: Еженедельное приложение к газете «Первое сентября». Физика № 48, декабрь 1999г. Ст. «На пороге миллениума» проф. Б.И.Лучков, МИФИ, г. Москва.