Меню
Основные научные открытия XXI века

Основные научные открытия XXI века

 

Начало XXI века насыщено научными открытиями, за которыми выстроилась вереница вопросов, заставляющие учёный мир задуматься над тем, что на самом деле всё совсем не просто, как кажется. Поиски истины всё чаще и чаще направляют неугомонный человеческий разум в сторону познания многогранных проявлений неизведанного мироздания, начиная от строения атома и заканчивая космическим пространством.

В 2006 году астрономы подтвердили существование тёмной материи. И всё-таки они не могут сказать определенно, что же это такое. Беспрецедентное доказательство пришло из тщательного взвешивания газа и звёзд, разбросанных между двумя большими скоплениями галактик в скоплении Пуля.

К началу 90-х гг. прошлого столетия стало ясно, что простая модель расширяющейся Вселенной, заполненной веществом с обычным гравитационным притяжением, и обладающей в наибольшей степени малой кривизной трёхмерного пространства, не соответствует наблюдаемым данным. Сегодня учёные, занимающиеся космологией, уверены, что расширение Вселенной происходит с ускорением. Такое возможно, если в среднюю плотность энергии основной вклад вносит некая субстанция, испытывающая антигравитацию. Эту субстанцию и называют тёмной энергией.

За открытие чёрной материи Нобелевскую премию получили Сол Перлмуттериз США, Брайан Шмидт и американский учёный Эдам Рисс. Премия назначена «за открытие ускорения расширения Вселенной путём наблюдения за далёкими сверхновыми». Именно измерения, выполненные двумя независимыми группами, столкнули науку лицом к лицу с таинственной тёмной энергией, составляющей, по некоторым оценкам, 75% мироздания.

Свои работы учёные проводили в конце 1980-х начале 1990-х гг. Авторы экспериментов следили за сверхновыми типа Ia. В сумме две группы исследователей обнаружили более 50 далёких сверхновых, чей свет оказался слабее, чем ожидалось. Это был признак того, что расширение Вселенной ускоряется.

Хотя антигравитация, присущая темной материи, и не противоречит общей теории относительности – современной теории гравитационных взаимодействий, свойства тёмной энергии удивительны во многих отношениях, а её природа пока неизвестна. Нельзя исключить и то, что мы имеем дело не с новой формой энергии, а с основными свойствами самого гравитационного взаимодействия, проявляющимися лишь на чрезвычайно больших расстояниях. Ответ на вопрос о том, какая сила заставляет вселенную ускоренно расширяться, должны дать новые эксперименты.

Теперь немного о Вселенной и о множестве вселенных. Идея о параллельных вселенных перекочевала со страниц фантастических романов в научные журналы в последнее десятилетие двадцатого века. Многие учёные утверждают, что миллионы других вселенных, каждая со своими законами физики, лежат за пределами нашего горизонта. Все вместе в научном обществе они называются Мультимиром. Самая радикальная гипотеза заключается в том, что вселенные Мультимира могут быть разнообразными, с разными параметрами физических законов, разными историями и, возможно, с разным количеством пространственных измерений.

Исходя из теории множественности вселенных, можно предположить, что сама наша жизнь является множеством сценариев нашей жизни, и мы имеем множество возможностей пребывать в тех или иных мирах или вселенных. Следовательно, то, что мы видим – тоже неоднозначно.

Следующим этапом проследим за развитием событий в области биологии.

Существенное значение среди открытий имеет получение стволовых клеток этическим путем. В 2007 году ученые из Киотского университета и университета Висконсин-Мэдисон независимо друг от друга позволили зрелым клеткам кожи взрослого человека, которые были запрограммированы стать кожей, вести себя как эмбриональные стволовые клетки. Взрослые клетки превратились в клетки, которые могут оказаться практически любым видом клеток. Оказалось, что этических соображений и финансовых ограничений можно избежать, а врачи могут, в конечном счёте, с использованием собственных клеток из ДНК человека вырастить органы для пересадки, которые организм пациента не будет отвергать. Кроме того, немаловажную роль играет расшифровка генома человека, которая проводится через реализацию международного научно-исследовательского проекта, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20–25 тыс. генов в человеческом геноме.

Сам проект стартовал в 1990 году под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США. В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, а структура полного генома — в 2003 году. Однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. Ожидается, что детальное знание человеческого генома откроет новые пути к успехам в медицине и биотехнологии. Кроме того, информация о геноме поможет в поиске не только причин возникновения болезней, но и в других областям клинического значения и, вероятно, в будущем может привести к значительным успехам в их лечении.

Анализ сходства в последовательностях ДНК различных организмов также открывает новые пути в исследовании теории эволюции. Во многих случаях вопросы эволюции теперь можно ставить в терминах молекулярной биологии.

А теперь переведем свой фокус в область физики, где одним из интереснейших событий стало открытие графена. Графен – модификация углерода, представляющая собой плоский «лист» графита толщиной в один атом, где атомы соединены в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Графен обладает великолепной электрической проводимостью, высокой теплопроводностью, исключительной прочностью и массой других удивительных свойств. Выделить и изолировать его не представлялось возможным из-за его крайней нестабильности. Однако именно это удалось Андрею Гейму и Константину Новосёлову.

С помощью внешнего электрического поля можно превратить графен либо в металл, либо в полупроводник. Стоит только начать работать с каким-то свойством графена, как получается что-то новое. Это удивительная многообещающая система.

Одним из многообещающих открытий стала возможность превращения жидкости в твёрдое тело с помощью электрического поля. Физики из США провели фазовое превращение материала, воздействуя на него лишь электрическим полем, – в ходе необычного процесса жидкий материал сформировал кристаллиты. Затем был проведён эксперимент с каплями амида муравьиной кислоты, молекулы которого полярны (дипольный момент почти в два раза больше, чем у воды). Выяснилось, что при напряжённости электрического поля меньше 0,5 В/нм капли вытянулись в направлении линий поля лишь слегка. По мере приближения к критическому значению 0,5 В/нм капли приобрели форму игл (длинная ось стала примерно в 12 раз больше короткой). Дальнейшее повышение привёло к небольшому вытягиванию игл.

Когда же учёные увеличили нагрузку до 1,5 В/нм, иглы стали твёрдыми – сначала прекратилось диффузионное движение, а затем сформировались отдельные кристаллы формамида. Данное исследование позволяет физикам открыть свойства большой группы материалов, на которые можно повлиять приложением полей. В  этом случае изменение формы и  кристаллизация происходят из-за того, что формамид, как и вода, имеет достаточно большой электрический дипольный момент.

Хотя нынешнее открытие представляет в большей степени фундаментальный интерес, учёные уверены, что оно может привести к новым разработкам в области направленной доставки лекарств, наноинкапсуляции, а также пригодится в печати наноструктур.

Что же касается более фундаментальных и теоретических открытий, то давайте поговорим о жизни в квантовом мире. По общему мнению, квантовая механика – теория микромира: молекул, атомов, субатомных частиц. Почти все физики, тем не менее, убеждены, что это относится ко всем вещам, независимо от их размера. То, что отличительные особенности скрыты, – непростой вопрос масштаба.

Эксперименты последних нескольких лет демонстрируют квантовые эффекты в растущем числе макроскопических систем. Наиболее существенный квантовый эффект – спутанность – может иметь место в больших и тёплых системах, включая живые организмы, даже притом, что движение молекул может ее разрушить. Оказывается, что различие между квантовым и классическим мирами не имеет фундаментального характера.

В последние годы эксперименты учёных выявляют новые частицы или сталкиваются с их непредсказуемым поведением. Пока что на многие вопросы нет ответов, результаты экспериментов противоречат существующим теориям.

Физические теории о строении ядра опровергли экспериментально. Физики из Национальной лаборатории Оук-Ридж провели эксперименты, результаты которых не укладываются в современные представления, описывающие строение и поведение ядра.

Исследователи работали на линейном ускорителе электронов ORELA (Oak Ridge Electron Linear Accelerator), при помощи нейтронного источника которого можно бомбардировать нейтронами различные мишени. В 2002 году физики обстреливали нейтронами четыре изотопа платины и изучали, как будут вести себя протоны и нейтроны в ядрах мишени. В зависимости от того, как происходит их движение, ядра лучше всего поглощают нейтроны определенных энергий (так называемый нейтронный резонанс).

Поведение составных частей больших ядер физики описывают, в частности, при помощи метода случайных матриц. Этот метод указывает, что движения протонов и нейтронов в ядрах должны носить случайный характер. Однако полученные учёными результаты противоречат такому утверждению – физики показали, что протоны и нейтроны движутся в строго упорядоченной манере. Если новые данные подтвердятся, это будет означать, что целый ряд популярных у физиков моделей, которые описывают строение ядра, окажутся неверными.

Совсем недавно, в сентябре 2011 года международная команда учёных бъявила, что нейтрино (частицы без заряда и с ничтожной массой, почти не взаимодействующие с другим веществом), посылаемые сквозь земной шар из ЦЕРНа в лабораторию Гран-Сассо, прибывают в  детектор на 60 наносекунд раньше, чем положено по теории, то есть движутся быстрее света в вакууме (хотя сама величина этого превышения оказалась очень мала!). Проведённый повторный опыт никак не изменил ситуацию. Измерено 57 наносекунд разницы с теоретическим временем прихода пучка — это практически тот же самый результат, что был получен в  первой серии опытов. Всё это не находит объяснения с помощью теории Эйнштейна, но в чём мы находим подтверждение, что чем больше мы узнаем, тем больше у нас появляется вопросов и осознание того, насколько мало мы знаем об окружающем нас мире. Но это не останавливает пытливые умы, устремляющиеся в поиск неизведанного.

Таким образом, учёные пытаются соединить всё воедино, создать общую теорию, которая объединяла и объясняла бы всё происходящее. Попытки не так уж безуспешны, взять хотя бы во внимание теорию Е8 физика Энтони Гаррет Лиси.

Объединение происходит и на других уровнях – синтез духовного и научного. Учёные утверждают: Бог существует, но как энергетическое поле.

Профессор Майкл Персингер из Лаурентианского университета в Садбери (Онтарио, Канада) направлял магнитные импульсы на височные доли мозга добровольцев. По-научному такое воздействие называется транскраниальная (внутричерепная) магнитная стимуляция, или TMS. Из 900 человек, которые прошли её, более 700 «встретились с гостями». Правда, каждый видел то, во что он верил. Одни – божественные образы: Иисуса, Деву Марию, Мухаммеда или Духа Неба. Другим являлись умершие родственники. Третьи пообщались с представителями внеземных цивилизаций.

Персингер пока не готов сделать окончательный вывод о существовании «иного мира». Но его эксперименты позволяют усомниться в том, что видения – всего лишь продукт возбужденного состояния правого полушария мозга, отвечающего за эмоции.

Нанотехнологии уже не новшество и достаточно быстро развивающееся направление, находящее применение практически во всех областях – от медицины до строительства. В этой области активно ведутся разработки, но один момент мы всё же выделим, поскольку это касается изменения технологии производства и,  как следствие, уменьшение потребления электроэнергии.

В 2006 году американские учёные показали, что сплетённые вместе углеродные нанотрубки в определённых условиях могут создавать тяговое усилие. В проведённом недавно опыте одна такая нить за секунду разогнала до нескольких оборотов в секунду лопасти, которые были на два порядка тяжелее и крупнее её. И новый мотор на искусственных мышцах учёные построили из нанотрубочной пряжи. Авторы подобных опытов поместили такую нить в жидкость, проводящую ионы, и добавили в сосуд электроды для создания разности потенциалов между углеродной нитью и электролитом.

Один погонный миллиметр такой мышцы способен обернуться вокруг своей оси 250 раз, что в тысячу раз больше, чем у любых искусственных мышц, созданных на основе сегнетоэлектриков, проводящих полимеров или сплавов с памятью формы. Физики посчитали, что удельная (по отношению к весу) мощность мышцы из нанотрубочной пряжи сравнима с удельной мощностью крупных электромоторов, а ведь последние с уменьшением размеров очень теряют в этом показателе. Авторы работы считают, что подобный механизм можно существенно сократить в размерах и применять в разнообразных химических чипах-анализаторах.

И, наконец, электроника: благодаря современным технологическим новшествам наше ближайшее будущее может измениться до неузнаваемости. Американские учёные создали биопротонный транзистор. По мнению авторов прибора, он может стать мостом между традиционными электронными схемами и живыми организмами, в которых основной обмен сигналами осуществляется за счёт ионов и протонов.

Разрабатывая новый транзистор, учёные вдохновлялись живыми клетками, обладающими переключаемыми ионными каналами в своих мембранах. Ионный и протонный транспорт играет ключевую роль в передаче нервных сигналов и обмене энергией между клетками. Потому прибор, способный контролировать протонный ток, мог бы напрямую влиять на такие важные процессы либо считывать естественные сигналы организма для контроля.

Новое устройство использует модифицированную форму хитозана. Хитозан хорошо поглощает воду, образуя много водородных связей, которые создают мостики для перемещения протонов. Американцы открыли, что такое волокно проводит протоны на удивление хорошо.

Нечто родственное, то есть транзистор, использующий биомолекулы, построила пару лет назад Ливерморская лаборатория. Только тот прибор, напротив, при посредничестве протонных токов влиял на обычный электрический ток.

Оба транзистора, вероятно, поспособствуют дальнейшему развитию нейроэлектроники. Она изучает возможность скрещивания электронных и живых систем. Специалисты из университета Вашингтона вводят ещё один любопытный термин — бионанопротоника.

В развитие этой мысли скажем пару слов о прототипе контактной линзы, созданный исследователями из США и Финляндии. В нём визуальная информация транслируется с компьютера непосредственно в глаз человека, превращая тот в подобие дисплея. Что важно, прототип уже успешно испытан на живом глазу. Так называемые активные линзы с беспроводным питанием и светодиодным дисплеем в один пиксель разработали и протестировали учёные университетов Вашингтона и Аалто.

О синтезе электроники и человеческого разума говорят уже на протяжении многих десятилетий. Но потрясает результат, которого смогли достичь разработчики в робототехнике!

Некоторые научные вопросы так сложны, что планирование и проведение экспериментов, необходимых для получения ответов на них, требует неприемлемо больших затрат времени учёных. Решением проблемы может стать учёный-робот. Прототип такого робота, названный Адамом, способен выдвигать гипотезы о генах дрожжевых грибков и их функциях, проектировать и проводить эксперименты для проверки этих гипотез. Используя искусственный интеллект, рассуждения и своё «железо», Адам открыл три гена, которые кодируют специфический фермент грибка, чего учёные люди сделать не смогли.

Скептики утверждают, что Адам не учёный, поскольку он требует ввода информации людьми и периодического вмешательства человека в его работу. Но работая совместно, учёные – робот и человек – могут достичь большего, чем каждый из них по отдельности.

Еще в качестве примера достижений приведем описание последней версии робота-андроида, созданного корпорацией Хонда, в Центре Фундаментальных Технических Исследований Вако (Япония), выпущенного в 2011 году. Asimo (сокращение от Advanced Stepin Innovative MObility) имеет рост 130 см, массу 48 кг и он способен передвигаться со скоростью до 9 км/ч.

У Асимо в голову встроена видеокамера. С её помощью робот может следить за перемещениями большого числа объектов, определяя дистанцию до них и направление. Практические применения этой функции следующие: способность следить за перемещениями людей (поворачивая камеру), способность следовать за человеком и способность «приветствовать» человека, когда он войдёт в пределы досягаемости. Асимо умеет также верно истолковывать движения рук, распознавая тем самым жесты. Вследствие этого можно отдавать Асимо команды не только голосом, но и руками. Робот умеет распознавать предметы и поверхности, благодаря чему может действовать безопасно для себя и для окружающих. Кроме того, Асимо умеет двигаться, обходя людей, вставших у него на пути.

Различение звуков происходит благодаря системе HARK, в которой используется массив из восьми микрофонов, расположенных на голове и теле андроида. Она обнаруживает, откуда пришёл звук, и отделяет каждый голос от внешнего шума. При этом ей не задаётся количество источников звука и их местоположение. На данный момент HARK способна надёжно (70-80 % точности) распознавать три речевых потока, то есть Асимо может улавливать и воспринимать речь сразу трёх человек, что обычному человеку недоступно. Робот умеет откликаться на собственное имя, поворачивать голову к людям, с которыми говорит, а также оборачиваться на неожиданные и тревожные звуки — такие, например, как звук падающей мебели. Железный «человек» способен узнавать знакомые лица даже во время движения, а также отличает примерно десять разных лиц. Как только Асимо узнаёт кого-нибудь, он тут же обращается к узнанному по имени. Кроме того, робот умеет пользоваться Интернетом и локальными сетями. После подключения к локальной сети дома, робот сможет разговаривать с посетителями через домофон, а потом докладывать хозяину, кто пришёл. После того как хозяин согласится принять гостей, андроид сумеет открыть дверь и довести посетителя до нужного места.

И ещё одно новаторство в робототехнике. На международной выставке Экспо-2010, прошедшей в Шанхае, одним из ключевых экспонатов стал прототип андроида, способный преодолевать лестницу вертикальной конструкции. Для движения человекоподобный робот использует пять моторов, отвечающих за руки, ноги и спину. Подъём по лестнице происходит гораздо медленнее, чем у человека: машина, которая должна действовать наверняка, проводит «перекличку» между приводами, уже выполнившими свою часть работы и только готовящимися это сделать.

Темпы развития в этой области в скором будущем позволят переложить рутинный, тяжелый и повседневный труд на «наших электронных помощников», чтобы у живого человека было больше времени для творчества, которому он готов посвятить всё своё время .

Подводить итог в этом разделе не имеет смысла, ведь каждый день происходит что-то новое, и не исключено, что завтра эти новости окажутся уже не столь удивительными, а станут естественными в нашей повседневной жизни. Тогда скажем просто: расширяйте границы своего самосознания и тогда границы неизведанного расширятся ещё больше!

 

Наверх

Новости
График проведения и программа ЦТ в 2016 году 26.02.2016

В 2016 году РИКЗ наконец пошел на встречу абитуриентам и сделал им сразу несколько подарков, которые раньше никогда не делал: демонстрационные тесты, решения РТ, график ЦТ, спецификация к будущим тестам – все это доступно абитуриентам этого года.

Подробнее...

Белорусы на международной олимпиаде по информатике завоевали серебряные и бронзовые медали 06.08.2015

В этом году Казахстан удостоился чести провести 27-ую международную олимпиаду по информатике. Состязание проводилось с 26 июля по 2 августа в г. Алматы в стенах Казахского Национального Университета имени аль-Фараби. В ней приняли участие 322 конкурсанта из 84 стран.

Подробнее...

Наверх
© 2008-2016 MJOB.BY
VEDAJ.BY - Архитектура и культура БеларусиEDUCON.BY - Физика и Математика - Теория и ЗадачиMAMASBLOG.BY - Сайт о воспитании детей для мамDVERIDUB.BY - Двери, лестницы и мебель из массива дуба