Крупнейшие достижения науки в 20—21 веках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Крупнейшие достижения науки в XX--XXI веках

Астрономия

Крупнейшими достижениями астрономии начала XX века стали: открытие закономерности, связывающей спектральный класс и светимость звёзд (диаграмма Герцшпрунга -- Рассела стала для астрономии тем же, что и таблица Менделеева для химии) и 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.

Дальнейшее 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. Два основных открытия физики XX века -- теория относительности и квантовая механика позволили астрономии не только объяснить накопившийся к началу XX века объём противоречивых фактов, но и поставить новые задачи исследований, что привело к созданию космологии и астрофизики. Примечательно, что первые подтверждения общей теории относительности пришли именно из астрономии -- ими стали объяснение природы смещения перигелия орбиты Меркурия, необъяснимое в рамках теории тяготения Ньютона, и отклонение света тяготеющей массой, подтверждённое наблюдением отклонения видимого положения звёзд у лимба Солнца при его затмении.

Другим следствием синергического развития астрономии и физики стало появление новых средств наблюдения, то есть 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.

Астрофизика

Создание гидростатической эддингтоновской модели строения звёзд и понимание термоядерной природы источника их энергии позволило количественно интерпретировать диаграмму Герцшпрунга -- Рассела. Можно продолжить аналогию с таблицей Менделеева: как квантовая механика объяснила закономерности, зафиксированные в ней, так и гидростатическая модель с термоядерным источником потребовала существования главной последовательности диаграмму Герцшпрунга -- Рассела и её дополнительных ветвей -- как результата эволюции звёзд при смене в них различных типов термоядерных реакций.

Квантовая теория вырожденного газа объяснила «парадокс плотности» белых карликов и определила их предельную массу (предел Чандрасекара), выше которой давление вырожденного электронного газа не может остановить их коллапс в нейтронные звёзды. Эта же теория, но уже для вырожденного нейтронного газа, определила и верхний предел массы нейтронных звёзд (предел Оппенгеймера -- Волкова), при превышении которого происходит коллапс в чёрные дыры.

Результатом стала 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, магнетары, барстеры, 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 стандартная теория 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 Фрэнсисом 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

Грибок -- производитель пенициллина

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.

Вторым важнейшим открытием медицины XX века стал мустарген (нитроген мустард, эмбихин) -- исторически первый противоопухолевый химиопрепарат алкилирующего типа, азотистый аналог иприта. Он впервые сделал возможным достижение хотя бы коротких клинических ремиссий считавшихся до того абсолютно смертельными лейкозов. И тем самым доказал врачам, что лейкозы можно и нужно лечить и что они потенциально могут быть излечимыми. За мустаргеном последовал метотрексат, а затем десятки цитостатических 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» патологические опухолетрансформирующие гены. Одним из примеров этого нового класса химиопрепаратов является иматиниб (Гливек).

Третьим важнейшим событием в медицине XX века безусловно следует назвать открытие и широкое внедрение циклоспорина А, сделавшее возможной аллотрансплантацию 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.

Также стоит особого упоминания открытие и внедрение хлорпромазина (аминазина), исторически первого антипсихотика. Подобно тому, как мустарген совершил революцию в умах онкологов и гематологов, хлорпромазин в короткий срок совершил буквально революцию в психиатрии. Общее мнение психиатров до изобретения хлорпромазина состояло в том, что психические заболевания принципиально неизлечимы никакими биологическими воздействиями, лекарствами и т. д. (эффект известных в то время методов -- электросудорожной терапии и инсулиновых ком -- был весьма ограничен и непостоянен). Хлорпромазин 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 хлорпромазином последовали десятки других антипсихотиков, а затем и антидепрессантов и других психотропных препаратов. Революция в психиатрии продолжается и сейчас и связана с разработкой новых, более совершенных так называемых атипичных антипсихотиков и современных антидепрессантов, обладающих минимальной поведенческой токсичностью (внешне не заметно, что человек что-то принимает) и минимальными побочными эффектами.

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 (см. 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 (см. Экзопланеты). Это поможет ответить на важнейший вопрос -- одиноко ли человечество во Вселенной, а также позволит выяснить, ограничено ли время жизни цивилизации, см. Уравнение Дрейка.

«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. Такие эффекты ищутся как на ускорителях, так и в неускорительных экспериментах.

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.

достижение открытие развитие наука

Математика

В XX веке была успешно решена программа формального построения математики, на основании аксиоматического подхода, и усовершенствованной теории множеств. Важную роль в этом реформировании математики сыграли труды семинаров Бурбаки, а также книги Бурбаки, последовательно строящие математику из этих принципов. Осознание недостатков наивной теории множеств привело к развитию больших областей абстрактной математики, таких как теория категорий.

Несмотря на почтенный возраст такой физико-математической дисциплины как теория динамических систем, которая, в некотором смысле, появилась ещё во времена Ньютона, в XX веке в этой области случились важнейшие открытия. В первую очередь, развилась теория хаоса в динамических системах. Были открыты странные аттракторы -- области в фазовом пространстве динамической системы, равномерно плотно заполняемые одной траекторией. С теорией динамических систем непосредственно связана также такая новая область математики как теория катастроф.

Появилась и ещё одна новая область, тесно связанная с теорией динамических систем -- фрактальная геометрия.

В связи с развитием компьютерной техники неожиданные практические приложения получила одна из самых абстрактных и, казалось бы, оторванных от жизни областей математики -- теория чисел. В первую очередь это связано с потребностями криптографии.

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 четырех 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.

Химия

Химия, как наука сформировалась в XIХ-XX веках. Её предшественницей считают алхимию, накопившую первоначальные сведения о превращениях веществ и способах проведения химических реакций (плавка металлов, окисление, и восстановление, действие кислот), способах разделения вешеств (отстаивание, фильтрование, выпаривание, экстракция, перегонка).

Открытие химических элементов и периодической системы элементов, создание химической символики и формирование основных химических понятий в XIХ-XX привело к стремительному росту химического знания (аналитическая химия, органическая химия, физическая химия и др.).

Развитием химии открывает путь к созданию новых материалов -- к примеру в XX веке огромное распространение получили различные полимеры.

Огромный интерес представляют открытия химии, сделанные на стыке с другими науками. К примеру, развитие биохимии в конце ХХ века дало базу для генной инженерии и других передовых направлений биологи; открытия, сделанные в нанотехнологиях (нанотрубки, фуллерены) находят применение в электронике. Огромна роль химии в фармакологии.

Размещено на Allbest.ru