Естествознание в XXI веке. Прогноз и перспективы развития

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное

Образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный  университет экономики и финансов»

 

 

Реферат

по дисциплине:

Концепция современного естествознания

 

Естествознание  в XXI веке. Прогноз и перспективы развития

 

 

Подготовил:

 Исхаков Раис Радикович

Специальность

Прикладная Информатика

Группа И101

Преподаватель:

Тульверт Владимир Федорович

 

 

 

Санкт-Петербург 2012 г.

Настоящее и будущее 

Естествознание прошло длительный этап развития. Можно сказать, что  оно зародилось очень давно, когда  первым людям стало интересно, как  устроен мир, почему в нем происходит все так и не иначе. Люди стали накапливать и систематизировать знания о природе. Развивалась наука и техника, развивался сам человек. Мы оглядываемся назад и видим, какой длинный путь прошло человечество – от первобытных орудий труда до современных лазерных технологий, от использования лошадей как транспорта до полета в космос. Живя в двадцать первом веке, давайте подумаем о перспективах дальнейшего развития науки, о том, что может преподнести в ближайшее время наука.

Компьютерные технологии.

Чтобы говорить о будущих  перспективах компьютерных технологий, нужно знать предысторию создания современных компьютеров.

Еще в двадцатом веке появились  первые ЭВМ (электронно-вычислительные машины), в структуре и функциях которых еще отслеживается связь  с компьютерами, окружающими нас сегодня. Если углубиться в цепочку событий, то нужно вспомнить и вавилонский абак, и российские счеты XVI века. Если же говорить о чисто научной предыстории, то надо говорить о вкладе таких ученых, как Блез Паскаль (1642год – «Паскалина»), Готфрид Вильгельм Лейбниц (1673 год – создание механического калькулятора), о вкладе Исаака Ньютона (основы математического анализа Конец XVII – начало XVIII века). Далее идет XIX век. Создание перфокарт, первых программируемых машин. XX век: настольные калькуляторы, появление аналоговых вычислителей в предвоенные годы. Наконец,  шестидесятые годы – первые ЭВМ. Это были огромные устройства, весящие тонны, занимавшие целые комнаты и требовавшие большого количества обслуживающего персонала для успешного функционирования. Они были настолько дороги, что их могли позволить себе только правительства и большие исследовательские организации, и представлялись настолько экзотическими, что казалось, будто небольшая горстка таких систем сможет удовлетворить любые будущие потребности.

А теперь посмотрим, что произошло за последние пятьдесят лет. Компьютеры из громоздких махин превратились в компактные устройства, выполняющие в среднем 2 млрд различных операций в секунду (для сравнения  первая в мире ЭВМ «ЭНИАК», созданная в 1945 году, выполняла около 5000 операций сложения или примерно 360 операций умножения в секунду). Что же произойти дальше?

1. Суперкомпьютеры.

Суперкомпьютер — вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. Эти ЭВМ  включают 5000 - 8000 микропроцессоров и дисковые накопители памяти. Выполняют в секунду 12 -13 трлн. операций. Например, Titan — суперкомпьютер, установленный в национальной лаборатории Оук-Ридж(сокращенно ORNL, национальная лаборатория Министерства энергетики США, Теннесси) для использования в научных проектах. Он выполняет около операций в секунду. Благодаря своим возможностям, первыми проектами, которые получат доступ к Titan-у, являются:

• Процессы сгорания топлива: С помощью приложения S3D исследователи могут смоделировать турбулентное сгорание различных видов и составов топлива. Результаты исследований позволят создавать высокоэффективные, экономичные, оптимальные двигательные системы, почти не загрязняющие окружающую среду.
• Наука о материалах: С помощью приложения WL-LSMS исследователи смогут находить и создавать новые материалы, исследуя их магнитные свойства при разных температурах на нано-уровне. Результаты исследований позволят создавать новые электродвигатели и электрогенераторы.
• Атомная энергия: С помощью приложения Denovo исследователи смогут моделировать поведение нейтронов в ядерном реакторе. Результаты исследований позволят выяснить, как более эффективно использовать стареющие ядерные реакторы США при сохранении их безопасности.
• Изменения климата: Программа Community Atmosphere Model-Spectral Element (CAM-SE) симулирует долгосрочные глобальные изменения климата. Результаты вычислений позволят исследователям вычислить качество воздуха в ближайшем будущем, а также влияние его состава на климат.

Динамика развития суперкомпьютеров за последние 10 лет поражает: самый быстрый компьютер 2002-2004 года Earth Simulator имел производительность почти в тысячу раз меньше, чем Titan. Сложно представить, какие задачи они смогут выполнять через 20-30 лет, не о говоря уже о более далекой перспективе…

 

2.  Компьютеры на фотонах.

Современная технология изготовления процессоров основана на кремнии - процессор создается на высокочистой пластине кремния. Это удобный материал, поскольку просто создавать изолирующие слои. Однако современная кремневая электроника постепенно подходит к концу своих возможностей. Поэтому многие ученые мира сегодня работают над созданием принципиально нового оптического процессора или, как его называют, компьютера на фотонах. Фотонные процессоры будут способны обрабатывать данные в тысячу раз быстрее, чем самые мощные из современных компьютеров — передача и обработка информации в них идет с помощью квантов света — фотонов.

О важности этого проекта  говорит сам факт, что созданием фотонных суперпроцессоров сейчас активно занимаются ученые США, Германии, Японии, Израиля и других стран. В России такие исследования идут в иркутском филиале Института лазерной физики СО РАН, МГУ и СПбГУ.

Хотя, пока довольно рано говорить, кто первым достигнет серьезного успеха в данном вопросе, но некоторые  ученые считают, что уже массового производства оптических компьютеров можно ожидать через 15-20 лет.

3. Интернет.

Роль Интернета в современной  жизни трудно недооценивать. Речь не только о социальных сетях, в которых  уже «сидит» огромное количество людей (аудитория одного лишь Facebook составляет примерно один миллиард пользователей). Интернет позволяет решать ряд задач, не отходя от экрана монитора: поиск нужной информации, учеба, развлечения.

Уже сейчас распространяются SaaS системы. Так называемые «облака» - сервисы, предоставляющие услуги через интернет. Суть в том, что пользователю не нужно скачивать какое-либо дополнительное программное обеспечение на свой персональный компьютер. Теперь все можно делать через Интернет.

И все-таки, хоть процесс  отвоевания виртуальной реальностью  все больше места в жизни людей  не обратим, я считаю, что он не сможет полностью заменить людям реальность настоящую: книги, реальное общение, живые  игры с живыми людьми.

Нанотехнологии 

На сегодняшний день в  мире нет стандарта, описывающего, что  такое нанотехнологии. Воспользовавшись одним из определений, можно сказать, что нанотехнологии – это использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства. Проще говоря – технологии в масштабе наномира (. Работы по нанотехнологиям только начинаются. Фундаментальные свойства наномира неизвестны. Главное фундаментальное свойство вещества – его строение. Вариантов размещения атомов может быть очень много, взаимодействуя, они стремятся занять как можно меньше места. Всё состоит из частиц, которые определенным образом расположены в пространстве, образуют связи, а это означает, что где-то они собираются. Как это происходит и сколько надо собрать атомов, что бы получить свойства вещества, неизвестно. Например, собранные тринадцать атомов серебра по своей химической активности ведут себя как атом йода.  
Между тем, перспективы нанотехнологий огромны, так как из атомов и молекул можно синтезировать всё, что угодно: продукты питания – из воздуха и почвы; кремниевые микросхемы – из песка и т.д. 

26 апреля 2007 года президент России Владимир Путин в послании Федеральному Собранию назвал нанотехнологии «наиболее приоритетным направлением развития науки и техники». 6 октября 2009 года президент Дмитрий Медведев на открытии Международного форума по нанотехнологиям в Москве заявил, что компании Роснано до 2015 года будет выделено более 300 млрд рублей на развитие. Все это наглядно демонстрирует, насколько важна эта отрасль.

Тема компьютеров и  информационных технологий наиболее близка и понятна современному обывателю, а слово «нанотехнлогии» становится все популярней, однако я постараюсь кратко описать и другие направления научной деятельности человека.

Ракетно-космические  технологии. 
К 2020 г. предполагается создание постоянно действующей базы на Луне, к 2030-у 
– полет на Марс. 
Создание ядерного космического двигателя мегаваттного класса. Это позволит снизить стоимость выведения полезного груза на окололунную орбиту в два раза. Появится возможность создания систем энергоснабжения из космоса, производить материалы в условиях глубокого вакуума, которые нельзя получить на земле.

Это направление особенно актуально для России сегодня, особенно после неудач с «Фобос-Грунт» и падением спутников.

Биотехнологии

Биотехнологии - изучение возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

Что же может произойти  здесь? 
Микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот,  
антибиотиков, гормональных препаратов и т.п. Конструкция новых, генетически модифицированных микроорганизмов, вакцин. Создание синтетической формы жизни, где все 100% ДНК будут получены в лаборатории без использования каких-либо живых существ. Человеческий геном сделается одной из компьютерных программ, подлежащих тестированию и оптимизации, а при необходимости и переделке. Фантастика? Нет.

Энергетика

Энергетическая проблема – одна из наиболее актуальных на сегодняшний день. По оценкам различных ученых запасы нефти иссякнут к 2060 году, а газа – к 2080 году. Поэтому повсеместно идут разработки альтернативных источников топлива.

Биотопливо: кукуруза, сахарный тростник, древесина, бытовые отходы.

Создание небольших атомных  электростанций, безопасных, переносимых  и способных обеспечить электроэнергией  небольшой город.

В ближайшем будущем может начаться широкое внедрение бестопливного производства энергии, то есть энергии, основанной на применении энергии ветра, недр Земли, приливов и, прежде всего, солнечной энергии. Созданы солнечные батареи с КПД 20% и есть предпосылки для появления 25-30% солнечных кремниевых батарей.

А как насчет использования энергии магнитного поля Земли? Магнитное поле Земли обладает довольно большой энергией. Оно, например, отклоняет «солнечный ветер», что вызывает Северные сияния. По расчетам физиков электростанция, использующая магнитное поле Земли, по мощности равна 50 атомным станциям.

Медицина

Увеличение длительности жизни путем перекодирования  клеток, отвечающих за длительность жизни. 
Создание вживляемых в тело нанороботов, умеющих собирать и разбирать молекулярные цепочки для диагностики и профилактики заболеваний. 
Вживление в тело микрочипов, постоянно отслеживающих состояние здоровья, чтобы заблаговременно распознать даже небольшие изменения в организме.  
Изучение геномов людей с целью предвидения всех возможных патологий данного организма и заранее внести на генном уровне соответствующие изменения.

Обратная сторона  медали

На данный момент существует много такого, о чем стоит задуматься. Известен тот факт, что развитие ядерной энергетики – огромный прорыв в науке. Это и атомная энергия  и многое другое. Но сильно ли помогли  человечеству ядерные бомбы, сброшенные в 45 году на Хиросиму и Нагасаки? А  ведь сейчас уровень развития таков, что даже трудно представить, какими могут быть новые орудия массового  поражения.

Клонирование – тема довольно сложная и спорная, и что она  принесет людям пока сказать довольно трудно.

Создание искусственного интеллекта – еще совсем недавно  это казалось абсурдом и фантастикой, но сейчас многие понимают, что это  вполне возможно. И снова сложно предсказать, чем это обернется  для нас. Прорыв во всех областях науки  – безусловно. А как же сюжет  фантастического фильма «Терминатор», в котором искусственный разум  практически истребил все человечество? Смех смехом, а призадуматься стоит.

Очень опасными могут оказаться  молекулярно-генетические технологии, позволяющие изменять генетическую структуру, а, следовательно, и работу клеток организма, чтобы при определенных условиях встроенный ген начал вырабатывать токсины негативно воздействующие на людей определенной расы или национальности. Таким образом может быть создано генетическое оружие массового уничтожения, убивающее представителей конкретных этнических групп, которые отличаются ключевыми генетическими признаками.

Обобщая, все достижение науки должны находиться под государственным  контролем и, что более важно, быть защищенными от «попадания в  дурные руки».

Немного фантазии

Трудно, не являясь признанным писателем-фантастом, представить себе будущее, но я все же попробую.

Бурное развитие компьютерных технологий, взаимодействие с нанотехнологиями и биоинженерией может привести к созданию не просто искусственного интеллекта, о котором уже говорят давно, а появлению нового существа – некого «Сверхразума», живого организма с умом, многократно превосходящим человеческий. И счастье, если этот «Сверхразум» будет действовать на благо людей.