Естествознание XX века

p align="left">Ее назвали ЭНИАК. Первая ЭВМ была очень громоздкой. Она состояла из 18 тысяч электронных ламп, 1500 реле и занимала зал длиной 30 метров. За одну секунду этот гигант мог складывать или вычитать пять тысяч чисел. Но машина часто простаивала из-за того, что перегорали лампы, выходили из строя реле, много времени тратилось на подготовительные работы. Операторы, обслуживающие ЭНИАК, отставали от него.

В 1946 году американский математик и физик Джон фон Нейман выдвинул и обосновал принципы создания новых ЭВМ. В них предполагался переход на двоичную систему счисления, а также ввод и хранение программы в памяти ЭВМ аналогично данным. Идеи Неймана и постройка под его руководством новой ЭВМ -- ЭДВАК -- оказали существенное влияние на дальнейшее развитие вычислительной техники.

Прогресс вычислительной техники в 40-50-е годы был обусловлен появлением ряда работ по численному анализу. В 1944 году была опубликована книга фон Неймана и О. Моргенштерна «Теория игр и оптимальное поведение», а в 1948 году вышла книга Н. Виннера «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине». Эти работы оказались очень продуктивными для дальнейшего развития ЭВМ. На основе идей Виннера удалось создать общую теорию информации и связи, применимую в самых различных областях -- от физики до биологии и языкознания. В развитии теории информации сыграли важную роль работы советских ученых А.Н. Колмогорова и А.Я. Хинчина.

В СССР разработка первой отечественной ЭВМ с запоминаемой программой началась в 1947 году в Киеве под руководством академика С.Я. Лебедева (1902-1974). Серийное производство ЭВМ началось практически одновременно в СССР и США в 1951-1952 годах.

Парк ЭВМ увеличивался очень высокими темпами. Если в 1952-1953 годах их было несколько десятков, то в 1965 году во всем мире использовалось уже около 40 тыс. ЭВМ, а в 1970 году -- свыше 100 тыс.

В развитии вычислительной техники можно выделить несколько этапов («поколения» ЭВМ).

К первому поколению ЭВМ (1950-1958 гг.) относятся ламповые вычислительные машины. Они были громоздки и малонадежны, отличались высокой стоимостью и большим энергопотреблением, работали в однопрограммном режиме, обладали низким быстродействием.

Ко второму поколению относятся полупроводниковые ЭВМ (1959-1967 гг.), в которых электронные лампы были заменены транзисторами. В ЭВМ второго поколения были применены новые принципы организации и работы машины: совмещение операций ввода и вывода данных с вычислениями на центральном процессоре, повышение быстродействия процессора за счет параллельного во времени выполнения частей 1-2 команд.

Параллельно с техническим совершенствованием ЭВМ шла работа по созданию универсальных языков, пригодных для широкого класса машин. В 60-х годах были разработаны и получили широкое распространение универсальные языки АЛГОЛ, КОБОЛ, ФОРТРАН и др.

В середине 60-х годов появились так называемые интегральные схемы: на миниатюрной монокристаллической пластинке полупроводника размещалось значительное количество логических элементов.

К третьему поколению (середина 60-х годов) относятся машины, построенные на интегральных схемах. Это программно-совместимые ЭВМ, отличающиеся большой производительностью, максимальным объемом оперативной памяти, составом периферийного оборудования.

Новый этап использования ЭВМ связан с появлением быстродействующих и весьма емких запоминающих устройств. Одновременно была решена задача быстрого поиска данных. При создании и эксплуатации ЭВМ первых двух поколений практически не решался вопрос обеспечения удаленного доступа к ЭВМ. Появление баз данных и резкое повышение мощности вычислительных ресурсов поставили на повестку дня задачу обеспечения одновременного доступа к ним различных потребителей, находящихся географически в самых разных точках. Для потребителя это означало возможность обращения к любой ЭВМ и соответствующей базе данных независимо от места расположения этой ЭВМ. Новые возможности хранения, быстрого поиска и передачи информации означают революцию в системах накопления и доступа к освоенным знаниям. Наступает важный в жизни человечества этап «безбумажной информатики»: информация поступает к специалистам прямо на рабочее место -- экран дисплея.

Созданные в начале 60-х годов первые образцы микросхем содержали тысячи активных элементов (диодов, транзисторов) в одном кубическом сантиметре. С каждым последующим десятилетием количество элементов увеличивалось примерно в 10 раз.

В начале 80-х годов стали выпускать микросхемы, содержащие до 100 тысяч элементов в одном кубическом сантиметре, а во второй половине 80-х годов это число перевалило за миллион. Вслед за интегральными схемами (ИС) появились большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

Особенно активно интегральные схемы начала разрабатывать и производить американская фирма «Интел». В 1971 году «Интел» создает семейство микропроцессоров 4004 с четырехразрядными порциями информации. Процессор стоил 200 долларов, в нем 2,3 тыс. транзисторов. В 1976 г. создан 8-разрядный микропроцессор 8080. Было предложено создать на его основе персональный компьютер.

1985 год -- 32-разрядный процессор 1386, в котором 275 тыс. транзисторов, быстродействие -- 5 млн операций в секунду.

1989 год -- микропроцессор I486; содержит 1,2 млн транзисторов, быстродействие -- 20 MIPS.

1993 год -- микропроцессор Pentium; 3,1 млн транзисторов; производительность 90 MIPS.

1995 год -- Pentium-Pro, 5,5 млн транзисторов, производительность 300 MIPS.

Этот фантастический прогресс -- результат глубоких исследований и миллиардных капвложений.

Один из путей развития электроники -- создание микросхем на основе белковых структур. Вот первые результаты: японская фирма «Сантори ЛТД» создала первые образцы так называемых биочипов -- микросхем, выполняющих функции электронной памяти на основе искусственно выращенных белковых структур. По оценкам японских специалистов в ближайшем будущем емкость памяти микросхем на биочипах превысит емкость памяти микросхем, выполненных на полупроводниковых кристаллах, в 109 (в миллиард) раз.

Сравнивая современный персональный компьютер с громоздкой ЭВМ первого поколения, мы видим, как высоко мы поднялись. Сравнивая тот же компьютер с мозгом, мы понимаем, что до уровня совершенства, которого путем длительной эволюции достигла природа, нам пока еще весьма далеко.

Нейронные сети чрезвычайно компактны: 1011 нейронов мозга уместились в объеме 1,5 литра. Сеть из 1011 искусственных электронных нейронов, выполненная на обладающих самой высокой степенью интеграции микросхемах, получилась бы величиной с жилой дом. Причем этот гигантский искусственный мозг был бы весьма примитивен по сравнению не только с человеческим мозгом, но и с мозгом животных. Мозг курицы сравнительно примитивен. Ее интеллект не способен усвоить даже простые арифметические действия сложения, вычитания или умножения. Зато курица находит зерно среди травы, мелких камешков, разного мусора. Подобную операцию пока неспособно выполнить созданное для распознавания зрительных образов электронное устройство.

В последние десятилетия ведутся активные исследования по проблеме искусственного интеллекта. Когда работа по моделированию только начиналась, казалось, что достаточно увеличить быстродействие машины и объем памяти -- и проблема будет решена, но потом стало ясно, что проблема не сводится к перебору множества вариантов. Тогда встала чисто теоретическая проблема: а что такое мышление? Ответить на этот вопрос не так просто. Мышление не сводится к решению задач. Это еще и творчество, целеполагание, умение задачу сформулировать. Поэтому если даже мы сумеем смоделировать работу мозга, неизбежно встает вопрос: какую программу в этот искусственный мозг надо закладывать? Если программа задается человеком, то искусственный интеллект -- это просто орудие для усиления человеческого мышления. Так, бинокль усиливает возможности наших глаз, но он не может видеть. Если искусственный интеллект сам создает себе программы, т. е. воспроизводит одну из важнейших функций интеллекта -- творчество, тогда возникает проблема цели «ради чего»? Цели человеческой деятельности и мышления задает общество, в котором живет человек. Следовательно, искусственный интеллект необходимо «социализировать», ввести в социум, сделать его реальным членом общества, наделить чувствами, эмоциями, волей. Но где гарантии, что цели искусственного интеллекта и цели общества совпадут? Все эти вопросы показывают, что проблема искусственного интеллекта -- это не только техническая проблема, но и проблема философская, гуманитарная. Для ее решения необходимо объединить усилия ученых различных направлений.

Химия

Химия -- наука, теснейшим образом связанная с физикой. Она рассматривает главным образом превращения веществ, изучает элементы (простейшие вещества, образуемые одинаковыми атомами) и сложные вещества, состоящие из молекул (сочетаний различных атомов).

Во второй половине XVIII и начале XIX века в работах ученых преобладало изучение и описание свойств химических элементов и их соединений. Кислородная теория Лавуазье (1743-1794) и атомная теория Дальтона (1766-1844) заложили основы теоретической химии. Открытия, вызванные атомно-молекулярным учением, начали играть существенную роль в производственной практике.

Атомистические представления о строении вещества породили много теоретических проблем. Необходимо было выяснить, что происходит с атомами, образующими молекулярные структуры? Сохраняют ли атомы свои свойства в составе молекул и как они взаимодействуют друг с другом? Действительно ли атом прост и неделим? Эти и другие вопросы необходимо было решить.

Без атомной теории нельзя было создать учение об ионах, а без понимания ионного состояния материи нельзя было разрабатывать теорию электролитической диссоциации, а без нее -- понять истинный смысл аналитических реакций, а затем понять роль иона как комплексообразователя и т. д.

Разработка проблем органической химии привела к созданию учения о замещении, теории типов, учения о гомологии и валентности. Открытие изомерии выдвинуло важнейшую задачу -- изучить зависимость физико-химических свойств соединений от их состава и строения. Исследования изомеров наглядно показали, что физические и химические свойства веществ зависят не только от расположения атомов в молекулах.

К середине XIX века на основе учения о химическом соединении и химических элементах, на базе атомно-молекулярной теории оказалось возможным создать теорию химического строения и открыть периодический закон химических элементов. Во второй половине XIX века происходит постепенное превращение химии из описательной науки, изучающей химические элементы, состав и свойства их соединений, в теоретическую науку, исследующую причины и механизм превращения веществ. Стало возможным управлять химическим процессом, преобразовывая вещества, природные и синтетические, в полезные продукты. К концу XIX века были получены и изучены десятки тысяч новых органических и неорганических веществ. Открыты фундаментальные законы и созданы обобщающие теории. Достижения химической науки внедрялись в промышленность. Были построены и хорошо оборудованы химические лаборатории и физико-химические институты.

Химия принадлежит к той категории наук, которые своими практическими успехами способствовали повышению благосостояния человечества. В настоящее время развитие химии имеет ряд характерных черт. Во-первых, это размывание границ между основными разделами химии. Например, ныне можно назвать тысячи соединений, которые нельзя однозначно причислить к органическим или неорганическим. Во-вторых, развитие исследований на стыке физики и химии породило большое число специфических работ, которые в итоге сформировались в самостоятельные научные дисциплины. Достаточно назвать, например, термохимию, электрохимию, радиохимию и т. д. В то же время «расщепление >> химии шло и по объектам исследования. На этом направлении возникли дисциплины, изучающие:

1) отдельные совокупности химических элементов (химия легких элементов, редкоземельных элементов).

2) отдельные элементы (например, химия фтора, фосфора и кремния).

3) отдельные классы соединений (химия гидридов, полупроводников).

4) химия особых групп соединений, куда относится элементарная и координационная химия.

В-третьих, для химии партнерами для интеграции явилась биология, геология, космология, что привело к рождению биохимии, геохимии и т. д. Произошел процесс «гибридизации».

Одной из важных задач современной химии является предсказание условий синтеза веществ с заранее заданными свойствами и определение их физических и химических параметров.

Охарактеризуем основные направления современной химии. Химию принято подразделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений.

Основными задачами неорганической химии являются: изучение строения соединений, установление связи строения со свойствами и реакционной способностью. Также разрабатываются методы синтеза и глубокой очистки веществ. Большое внимание уделяется кинетике и механизму неорганических реакций, их каталитическому ускорению и замедлению. Для синтезов все чаще применяют методы физического воздействия: сверхвысокие температуры и давления, ионизирующее излучение, ультразвук, магнитные поля. Многие процессы проходят в условиях горения или низкотемпературной плазмы. Химические реакции часто сочетают с получением волокнистых, слоистых и монокристаллических материалов, с изготовлением электронных схем.

Неорганические соединения применяются как конструкционные материалы для всех отраслей промышленности, включая космическую технику, как удобрение и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтические материалы.

Органическая химия -- наиболее крупный раздел химической науки. Если число известных неорганических веществ насчитывает около 5 тыс., то еще в начале 80-х было известно более 4 млн органических веществ. Общепризнано огромное значение химии полимеров. Так, еще в 1910 году СВ. Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука.

В 1936 году У. Карозерс синтезирует «найлон», открыв новый тип синтетических полимеров -- полиамиды. В 1938 году Р. Планкет случайно открывает тефлон, создавший эпоху синтеза фторполимеров с уникальной термостабильностью, создаются «вечные» смазочные масла (пластмассы и эластомеры), широко используемые космической и реактивной техникой, химической и электротехнической промышленностью. Благодаря этим и многим другим открытиям из органической химии выросла химия высокомолекулярных соединений (или полимеров).

Начавшиеся в 30-40-е годы широкие исследования фосфорорганических соединений (А.Е. Арбузов) привели к открытию новых типов физиологически активных соединений -- лекарственных препаратов, отравляющих веществ, средств защиты растений и др.

Химия красителей практически дала начало химической индустрии. Например, химия ароматических и гетероциклических соединений создала первую отрасль химической промышленности, продукция которой ныне превосходит 1 млрд тонн, и породила новые отрасли -- производство душистых и лекарственных веществ.

Проникновение органической химии в смежные области -- биохимию, биологию, медицину, сельское хозяйство -- привело к изучению свойств, установлению структуры и синтезу витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, новых ростовых средств и средств борьбы с вредителями.

Ощутимые результаты дает применение математического моделирования. Если нахождение какого-либо фармацевтического препарата или инсектицида требовало синтеза 10-20 тыс. веществ, то с помощью математического моделирования выбор делается лишь в результате синтеза нескольких десятков соединений.

Роль органической химии в биохимии трудно переоценить. Так, в 1963 году В. Виньо синтезировал инсулин, также были синтезированы окситоцин (пептидный гормон), вазопрессин (гормон обладает антидиуретическим действием), брадикикин (обладает сосудорасширяющим действием). Разработаны полуавтоматические методы синтеза полипептидов (Р. Мерифилд, 1962).

Вершиной достижений органической химии в генной инженерии явился первый синтез активного гена (X. Корана, 1976). В 1977 году синтезирован ген, кодирующий синтез человеческого инсулина, а в 1978-м -- ген сомато-статина (способен угнетать секрецию инсулина, пептидный гормон).

Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности. Физическая химия последних десятилетий характеризуется следующими чертами. В результате развития квантовой химии (использует идеи и методы квантовой физики для объяснения химических явлений) многие проблемы химического строения веществ и механизма реакций решаются на основании теоретических расчетов. Наряду с этим широко используются физические методы исследования -- рентгеноструктурный анализ, дифракция электронов, спектроскопия, методы, основанные на применении изотопов и др.

Аналитическая химия рассматривает принципы и методы изучения химического состава вещества. Включает количественный и качественный анализ. Современные методы аналитической химии связаны с необходимостью получения полупроводниковых и других материалов высокой частоты. Для решения этих задач были разработаны чувствительные методы: активационный анализ, химико-спектральный анализ и др.

Активационный анализ основан на измерении энергии излучения и периодов полураспада радиоактивных изотопов, образующихся в исследуемом веществе при облучении его ядерными частицами.

Химико-спектральный анализ состоит в предварительном выделении определяемых элементов из пробы и в получении их концентрата, который анализируют методами эмиссионного спектрального анализа (метод элементного анализа по атомным спектрам испускания). Эти методы позволяют определить 10~7-10~8 % примесей.

Биология

Биологией называется совокупность наук о живой природе. За последние десятилетия в биологии применяются понятия и методы физики и химии. Поэтому, наряду с такими «чистыми» биологическими науками, как ботаника -- наука о растениях, зоология -- наука о животных, микробиология -- наука о микроорганизмах, генетика -- наука о законах наследственности и изменчивости организмов, в систему наук, в целом составляющих биологию, вошли биофизика, биохимия, молекулярная биология.

Поскольку объектом изучения биологии является живая природа, естественно возникает вопрос: что следует понимать под словом «жизнь»? Общим ответом на этот вопрос является: жизнь есть одна из форм существования материи. Но появляется второй вопрос: в чем особенности этой формы существования материи? На этот вопрос, по-видимому, нельзя дать столь же короткий ответ, как на предыдущий, -- жизнь характеризуется рядом важнейших признаков. Живой организм должен быть способен к обмену веществ (метаболизму), т. е. быть в состоянии усваивать извне определенные вещества (например, пищу, кислород), подвергать их химической переработке, выделять вовне ненужные ему продукты. Он должен быть также способен к воспроизводству себе подобных, причем так, чтобы в данном воспроизводстве сохранялся биологический вид. Живой организм также должен быть в состоянии регулировать свои функции, приспосабливая их к изменениям среды, различным видам движения и к другим условиям.

Но не всегда легко определить применительно к некоторым объектам, можно ли их отнести к живым организмам или нет. Речь идет, например, о вирусах -- мельчайших неклеточных частицах, состоящих из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки, способных вызывать болезни у растений, животных и человека (например, оспу, корь, грипп, полиомиелит, чуму рогатого скота, птиц, бешенство и др.).

Говоря о живых организмах, необходимо отметить, что все они состоят из клеток. Известные сегодня клетки очень разнообразны. Например, их размеры, как правило, колеблются от 1 мкм до 1 м. Существуют одноклеточные организмы, например, бактерии. И наоборот, многие состоят из очень большого числа клеток. Например, организм человека состоит приблизительно из 500 000 миллиардов (5*1014) клеток. Клетки имеют очень тонкую клеточную мембрану, так называемую цитоплазму и ядро. Клеточная (плазматическая) мембрана участвует в регуляции обмена веществ между клеткой и средой, цитоплазма -- внеядерная часть белка клетки, ядро -- часть клетки, управляющая синтезом белка.

Как по своему строению и размерам, так и по исполняемым функциям клетки также очень разнообразны. Их разделяют, в частности, на клетки, составляющие тело (соматические), и клетки, служащие для размножения. В организме человека среди огромного числа клеток существуют клетки мышц, стенок кровеносных сосудов, соединительных тканей, нервов (некоторые из них имеют длину около 1 м; например, клетка, соединяющая концы пальцев ног со спинным мозгом), кожи. Красные тельца крови -- эритроциты также являются клетками; их в организме человека имеется около 25 млрд.

В состав организма человека входят также кости, образованные костеобразующими клетками и состоящие из фосфата кальция, а также из белка коллагена. В теле человека имеется жидкость: кровь (около 5 л), лимфа, обеспечивающая обмен веществ между кровью и тканями организма, и др.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6