Панорама современного естествознания. Тенденции развития.

Некоторые черты естествознания XX – XXI вв.:

1) научно-техническая революция – это качественное преобразование производительных сил на основе превращения науки в ведущий фактор развития производства. Начало НТР – середина 40-х гг. (овладение атомной энергией, создание и широкое применение электронно-вычислительных машин, развитие практической космонавтики.

2) усиление воздействия науки на общество и природу (фактор прогресса и причина глобальных проблем).

3) на роль лидера научного познания наряду с физикой претендует и биология, к которой относятся такие мощные направления, как эволюционное учение, генетика и экология, ставшая наукой о биосфере в целом. Биологическая картина мира соседствует с аналогичными построениями, основанными на системных исследованиях, кибернетике и теории информации.

4) тесное взаимодействие наук (дифференциация и интеграция знаний). В последние годы на первый план все больше выходит междисциплинарное направление исследований – синергетика. Это направление возникло в начале 70-х гг. благодаря переходу науки к познанию сложноорганизованных эволюционирующих систем и связано в первую очередь с именами И. Пригожина и Г. Хакена. Цель синергетики – познание общих принципов самоорганизации систем самой различной природы – от физических до социальных, обладающих свойствами открытости, нелинейности, неравновесности, способностью усиливать случайные флуктуации (колебания).

Крупнейшие достижения науки в XX—XXI веке

Астрономия

Развитие астрономии в XX веке продолжило тенденцию XIX века — переход от описания небесных тел и их движения с позиций классической механики к изучению их строения и эволюции с использованием данных и концепций физики.

ü Открытие закономерности, связывающей спектральный класс и светимость звёзд (диаграмма Герцшпрунга—Рассела стала для астрономии тем же, что и таблица Менделеева для химии);

ü Разрешение на отдельные звёзды спиральных туманностей — галактик, что вывело астрономию за пределы Млечного пути — нашей Галактики и по своему значению сравнимо с переходом от геоцентрической к гелиоцентрической системам.

ü Создание космологии и астрофизики, чему способствовалидва основных открытия физики XX века — теория относительности и квантовая механика, т.к. это позволило астрономии не только объяснить накопившийся к началу XX века объём противоречивых фактов, но и поставить новые задачи исследований. Первые подтверждения общей теории относительности пришли именно из астрономии.

ü Другим следствием синергического развития астрономии и физики стало появление новых средств наблюдения, т. е. радиоастрономии, внеатмосферной рентгеновской и гамма-астрономии — и выход за пределы узкого (всего ~300 нм!) видимого диапазона к открытию множества поразительно разнообразных астрономических объектов. Если в начале XX века список астрономических объектов за пределами Солнечной системы исчерпывался туманностями, звёздами и их гипотетическими планетными системами, то к началу XXI века список типов наблюдаемых объектов исчисляется десятками.

ü теория эволюции звёзд различных масс на всех её стадиях — от конденсации протозвёздных туманностей, до таких феноменов поздних стадий эволюции звёзд, как планетарные туманности, вспышки новых и сверхновых звёзд и разнобразные формы наблюдаемой активности звёздных остатков: пульсары, рентгеновские источники аккреционных дисков, микроквазары и т. п.

Космология

Понимание природы пространства-времени и её связи с гравитацией позволило создать космологические модели Эйнштейна и Фридмана, основанные на уравнениях общей теории относительности, в рамках которых успешно разрешались классические космологические парадоксы, и, в сочетании с открытием Хабблом красного смещения, дало целостную картину Вселенной — Вселенной динамической и эволюционирующей.

Понимание и экспериментальное подтверждение динамичности Вселенной привело к снятию запрета на вопрос о её происхождении и её «начальном моменте». Результатом стала гипотеза, а затем и стандартнаятеория Большого Взрыва, в большинстве деталей совпадающая с наблюдаемой картиной Вселенной. Открытие реликтового микроволнового излучения и наблюдаемое соотношение лёгких элементов — результатов первичного нуклеосинтеза — одни из самых ярких подтверждений этой теории.

Биология

Прогресс в биологии за последнее столетие был необыкновенно велик.

Важнейшее событие: появление молекулярной биологии. Всё началось с открытия Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком структуры молекулы ДНК. После этого прорыва были быстро открыты способы кодирования наследственной информации. Наиболее знаменитое сейчас последствие этого прорыва — расшифровка генетического кода человека.

Открытие устройства наследственного аппарата сделало возможным также искусственное изменение наследственной информации — генную инженерию. Уже сейчас результаты генной инженерии используются для получения новых, более продуктивных растений, при производстве лекарств с помощью генетически модифицированных микроорганизмов и т. д. В ближайшем будущем следует ожидать создание генетической терапии: коррекции повреждений генетического аппарата клеток человека, что поможет избавить человечество от наследственных заболеваний.

Медицина

ü Революционным открытием в медицине XX века явилось открытие и широкое внедрение пенициллина, открывшее целую эру антибиотикотерапии и антибактериальной химиотерапии и спасшее жизни миллионов человек. За пенициллином вскоре последовал стрептомицин — первый антибиотик, оказавшийся активным против опаснейшей микобактерии туберкулёза, а затем целая плеяда антибиотиков разного химического строения.

ü Вторым важнейшим открытием медицины XX века стал мустарген — исторически первый противоопухолевый химиопрепарат. Он впервые сделал возможным достижение хотя бы коротких периодов затухания болезней крови – лейкозов, считавшихся до того абсолютно смертельными. И тем самым доказал врачам, что лейкозы можно и нужно лечить и что они потенциально могут быть излечимыми. За первым препаратом последовал другой (метотрексат), а затем десятки препаратов, давших надежду на излечение сотням тысяч больных лейкозами и злокачественными опухолями. Революция в области противоопухолевой химиотерапии продолжается и сегодня, на наших глазах, и связана с расшифровкой генетических мутаций, делающих клетку злокачественной, и разработкой химиопрепаратов, избирательно «выключающих» гены.

ü Третьим важнейшим событием в медицине XX века следует назвать открытие и широкое внедрение циклоспорина А, сделавшее возможной трансплантацию органов и тканей от человека человеку и открывшее целую эру трансплантологии. Успешная трансплантация почек и печени дала надежду на жизнь многим больным с тяжёлой почечной или печёночной недостаточностью.

ü Открытие и внедрение исторически первого антипсихотика (аминазина). Этот препарат в короткий срок совершил буквально революцию в психиатрии. Общее мнение психиатров ранее состояло в том, что психические заболевания принципиально неизлечимы никакими биологическими воздействиями, лекарствами и т. д.. Новый препарат доказал принципиальную возможность купирования острых и хронических психозов лекарствами и привёл к резкому снижению агрессивности психически больных. В свою очередь, это изменило саму психиатрию — стали гораздо реже применяться фиксация (связывание), смирительные рубашки и др. За первым препаратом последовали десятки других антипсихотиков, а затем и антидепрессантов и других психотропных препаратов. Революция в психиатрии продолжается и сейчас.

Физика

Появление квантовой механики привело к огромной революции не только в физике, но и в смежных дисциплинах — в химии это объяснило структуру молекул и позволило предсказывать свойства новых соединений (квантовая химия). Квантовая теория помогла развитию и техники полупроводников, без которой совершенно немыслима современная электроника, а также способствовала созданию квантовых генераторов излучения — лазеров, прочно вошедших в повседневную жизнь человека.

Важнейшее последствие открытий в квантовой физике, теории относительности и ядерной физике — овладение ядерной энергией. Это наиболее известное широкой публике достижение физики.

Наиболее впечатляющим достижением физики середины XX века, которое должно иметь огромные последствия для мировоззрения и философии — открытие расширения Вселенной, а впоследствии открытия существования «начала Вселенной» — Большого взрыва.

Сейчас крупные фундаментальные открытия происходят и ожидаются в астрофизике и в космологии. В космологии обнаружили существование тёмной материи и тёмной энергии — невидимой современными инструментами материи и энергии, которая, однако, участвует в гравитационном взаимодействии. Тёмная материя и энергия составляет подавляющую долю в массе вещества Вселенной и определяет её эволюцию и дальнейшую судьбу. Недавно открытое впечатляющее проявление тёмной энергии — ускорение расширения Вселенной.

Важнейшее открытие астрофизики — обнаружение планетных систем у далёких звёзд(экзопланеты). Это поможет ответить на важнейший вопрос — одиноко ли человечество во Вселенной, а также позволит выяснить, ограничено ли время жизни цивилизации.

«Стандартная Модель» в физике элементарных частиц даёт нам законы поведения микромира практически при всех доступных человечеству энергиях. Однако она является не «окончательной теорией», а лишь низкоэнергетическим проявлением неких более глубоких, пока не известных нам законов. Поэтому поиск не предсказываемых Стандартной Моделью эффектов, которые были бы окном в мир «новой физики», является важным направлением современной физики элементарных частиц.

В настоящее время физики интересуются не только «фундаментальными» эффектами (в частности, происходящими при высоких энергиях), но и «сложными», т. е. эффектами, которые описываются давно известными фундаментальными законами, но происходят в очень сложных для понимания (неравновесных и нелинейных) системах многих частиц. Построенная современной физикой картина окружающего мира не только позволяет предсказывать его изменения, но и подчеркивает принципиальную ограниченность таких предсказаний. Так, развитие теории устойчивости и нелинейной динамики привело к открытию спонтанного возникновения хаоса в детерминированных системах.

Информатика и кибернетика

Самый важный результат работы информатики и кибернетики в конце XIX и во всём XX веке — создание электронных вычислительных машин, или компьютеров. Появление мощных вычислительных машин оказало влияние абсолютно на все другие науки: появились новые отделы физики (компьютерное моделирование сложных систем, точное вычисление электронной структуры атомов и молекул), квантовой химии, математики (следует вспомнить компьютерное решение задачи о пяти красках). Изменения коснулись и гуманитарных наук, в связи с появлением методов компьютерного анализа текстов и совершенствования методов обработки статистических данных в области наук об обществе (социологии, экономики). Развитие биологии теперь немыслимо без компьютерного анализа огромного объёма данных, накопившегося при расшифровке генома человека и некоторых других организмов.

Относительно недавно появилась теория нейросетей, которая позволила моделировать на компьютере некоторые особенности поведения живых существ. Эта теория поможет научить компьютер одной из самых сложных задач: распознаванию образов. Уже сейчас нейросети используются в таких задачах как распознавание речи и распознавание изображений.

Геология и науки о Земле

Крупнейшее открытие в области наук о Земле — дрейф континентов, и развитая из этого теория — тектоника литосферных плит. Тектоника литосферных плит была создана в 60-х годах XX века, хотя многие её положения содержались в работах Вегенера, опубликованных ещё в 20-х годах.

Важные проблемы, стоящие перед современной наукой: