Научные открытия ХХ века

Aerodynamics, embryology, cosmonautics, radio electronics, cybernetics, Turing machine, medicine, the periodic law of chemical elements.

Научные открытия . Переход к массовому, непрерывно-поточному производству и комбинирование разнообразных технологических процессов были связаны с автоматизацией промышленного производства. В целом уклад техники с 1900 по 1917 гг. можно охарактеризовать как более высокий этап развития, чем в предыдущий век «пара, угля и железа». Выдающееся техническое завоевание начала XX века – создание управляемых летательных аппаратов легче воздуха (дирижаблей) и тяжелее воздуха (аэропланов).

В области физико-математических наук этого периода определились три основные направления: исследование строения веществ, изучение проблемы энергии и создание новой физической картины мира.

Благодаря открытию радиоактивности и созданию новой модели атома в новом свете предстало значение Периодического закона.Велики были достижения микробиологии и медицины в выявлении возбудителей заразных болезней и разработки методов эффективной борьбы с ними.

Рассмотрим более подробно открытия в области науки и техники серебряного века.

В начале XX века продолжают развиваться все разделы математики. Русский математик Золотарёв Е.И. заложил основы современной алгебраической теории чисел. Развивались и углублялись классические отделы алгебры. Подробно исследовались возможности сведения решения уравнений высших степеней. Более широкое применение в механике и физике получают вопросы линейной алгебры.

В разработке теории вероятностей видное место принадлежит петербургской математической школе (П.Л. Чебышев, А.М. Ляпунов, А.А. Марков и др.).

Для математических наук этого периода характерна, с одной стороны, тенденция к обобщению проблем, а с другой – неразрывная их связь с важнейшими вопросами теоретической и практической механики, физики, астрономии.

В 1906 году Жуковский Н.Е. совместно с Чаплыгиным С.А. дал точное решение задачи о движении смазочного слоя, имевшее большое практическое значение. С 1903 г. вопросами регулирования машин также занимался

Жуковский. Важнейшей задачей динамики в рассматриваемый период было создание теории гироскопических явлений.

Разработка вопросов аэродинамики связана с именами Жуковского и Чаплыгина. В 1910 году Жуковскому и Чаплыгину удалось решить задачу о силах, действующих на крыло бесконечного размаха. Метод, разработанный Чаплыгиным, позволил найти форму профилей крыльев самолетов. Исследования Жуковского о подъемной силе являются основой современной аэродинамики, а теорема о подъемной силе имеет фундаментальное значение для теории крыла.

Первые радиолампы в России были созданы в 1915 г. М.А. Бонч-Бруевичем, работавшим в то время на Тверской приемной радиостанции военного ведомства. Это было началом развития целой отрасли радиоэлектронной промышленности, где в радио- и телевизионных приемниках использовались радио- и электронные лампы.

Молекулярно-кинетическая теория броуновского движения была создана в 1905 г. А. Эйнштейном (1879 – 1955 гг.).

Построение теории броуновского движения и ее экспериментальное подтверждение французским физиком Ж. Перреном окончательно завершили победу молекулярно-кинетической теории.

Дмитрий Николаевич Зелинский (1861-1953 гг.) совместно с инженером А. Куматовым (1916 г.) создал противогаз. Также он является русским химиком – органиком, академиком. Зелинский – один из основоположников учения об органическом катализе. Он занимался вопросами химии нефти. Также он синтезировал ряд аминокислот и многих других органических веществ. Зелинский изучал процессы гидролиза белковых тел.

Русский химик, академик Курнаков разработал физико-химический анализ растворов и сплавов металлов. Для анализа состава сплавов он создал новые приборы и новые методы.

Наука вторглась в святая святых природы, срывала «последние» покровы с тайн.

Ковалевскому А.О. принадлежит фундаментальное открытие в области эмбриологии. Он установил, что в процессе эмбрионального развития всех многоклеточных животных наблюдаются общие черты, которые свидетельствуют о единстве их происхождения.

И.П. Павлов занимался изучением физиологии кровообращения, пищеварения и мозга. Создавая научные основы управления процессами физиологическо-психической жизни животных, Иван Петрович надеялся, что в будущем это даст разумную возможность каждому человеку и всему человечеству правильного и здорового поведения, понимания единства физиологических и психологических процессов.

И.П. Павлову и И.И. Мечникову в начале XX века были вручены Нобелевские премии.

Космонавтика. Двадцатый век навсегда войдет в историю человечества, как век освоения космического пространства. Еще в начале века русский ученый К. Э. Циолковский впервые теоретически обосновал возможность исследования космоса с помощью ракет. Позже он написал: «Я буду рад, если моя работа побудит других к дальнейшему труду».

Важнейшим этапом, характеризующимся созданием основ теории межпланетных сообщений, явилась подготовленная К. Э. Циолковским к печати в начале 1903 г. первая часть работы «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Вторую часть своего труда ученый смог опубликовать лишь в 1911-1912 гг. В этом фундаментальном труде

К. Э. Циолковский установил законы движения ракеты как тела переменной массы, определил коэффициент полезного действия ракеты, исследовал влияние силы сопротивления воздуха на ее движение. К. Э. Циолковский отметил преимущества ракетных двигателей при больших скоростях движения, дал схему межпланетной ракеты, указав при этом на выгодность применения жидкого топлива. Считая ракету единственным практически приемлемым способом осуществления полетов в космос,

Начало проникновения человека в космос было положено 4 октября 1957 года. В этот памятный день вышел на орбиту запущенный в СССР первый в истории человечества искусственный спутник Земли. Он весил 86,3 кг. Прорвавшись сквозь земную атмосферу, первая космическая ласточка вынесла в околоземное пространство научные приборы и радиопередатчики. Они передали на Землю первую научную информацию о космическом пространстве, окружающем Землю.

Позже 3 ноября 1957 г был выведен второй, а затем и третий советский спутник на более вытянутую орбиту.

2 января 1959 г. умчалась в сторону Луны и вышла на околосолнечную орбиту советская космическая ракета «Луна-1». Она стала спутником Солнца. На Западе ее назвали лунником. Запуском ее была прослежена вся толща околоземного космического пространства.

Не менее изумительным был полет второй советской космической ракеты «Луна-2», запушенной 12 сентября 1959 г. Приборный контейнер этой ракеты 14 сентября в 00 часов 02 минуты 24 секунды коснулся поверхности Луны! Впервые за всю историю аппарат, созданный руками человека, достиг другого небесного тела и доставил на безжизненную планету памятник великому подвигу советского народа— вымпел с изображением Герба СССР. Луна-2 установила, что у Луны нет магнитного поля и поясов радиации в пределах точности приборов. Позже еще была запущена третья космическая ракета «Луна-3». Установленная в ней аппаратура сфотографировала и передала на Землю изображение не видимой нами обратной стороны Луны.

Этот блестящий научный эксперимент интересен не только беспримерным фактом получения первой фотографии, сделанной в космосе, и передачи ее на Землю, но и осуществлением чрезвычайно интересной и сложной орбиты.

Фотографирование обратной стороны Луны представляет собой первый активный шаг в практике «внеземной» астрономии. Впервые изучение другого небесного тела велось не наблюдением с Земли, а непосредственно из космического пространства вблизи этого тела.

Прочно овладев техникой запуска автоматических аппаратов, советские ученые приступили к созданию космического корабля для полетов человека. Несмотря на всю сложность этой грандиозной проблемы, советская наука и техника блестяще справились с ее решением.

После ряда пробных запусков, когда места в кабине спутника занимали различные живые существа — от грибков и бактерий до известных всему миру Белки и Стрелки,— конструкция космического корабля со всеми его сложными системами выведения на орбиту, стабилизации полета и обратного спуска на Землю была полностью отработана.

После многочисленных земных и космических экспериментов наступило 12 апреля 1961 года. В этот день Юрий Алексеевич Гагарин на космическом корабле «Восток» первым в истории человечества совершил космический полет вокруг нашей планеты - полет, о котором мечтало все человечество. Этот день вошел в историю человечества как начало новой эры - эры полетов человека в космос. Полет Ю. А. Гагарина показал практическую возможность полетов человека в космос

Он стал вторым эпохальным событием в освоении космоса. Полет показал принципиальную возможность безопасного пребывания и работы человека в космическом пространстве.

• 1 ноября 1962 г. в сторону Марса стартовала советская космическая ракета «Марс-1». Ее орбита была самой протяженной по сравнению с орбитами всех предыдущих полетов космических аппаратов. Вытянувшись по эллипсу от Земли, она коснулась орбиты Марса. Семь с половиной месяцев длился полет только до встречи с Марсом: 500 млн. км прошел за это время «Марс-1».На значительных расстояниях от Земли сократилось число регистрируемых микрометеоров. Они, по-видимому, концентрируются вблизи Земли, до 40 тыс. км от ее поверхности.

Радиоэлектроника. Начало развития радиотелефонии положено А.С. Поповым. В 1898 г. им был сконструирован радиоприёмник, в котором радиосигналы принимались на телефон. Это открытие создало возможность широкого применения радио в военном деле.

Начал Попов с воспроизведения опытов Герца, он затем использовал более надежный и чувствительный способ регистрации электромагнитных волн.

Чтобы повысить чувствительность аппарата, А.С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую приемную антенну для беспроволочной связи. Заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура , что увеличивает дальность приема . Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник А.С. Попова, основные принципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.

7мая 1895г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С .Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио. Ныне он ежегодно отмечается в нашей стране.

• А. С. Попов продолжал настойчиво совершенствовать приемную аппаратуру. Он ставил своей непосредственной задачей построить прибор для передачи сигналов на большие расстояния.

Вначале радиосвязь была установлена на расстоянии 250 м. Неустанно работая над своим изобретением, Попов вскоре добился дальности связи более 600 м. Затем на маневрах Черноморского флота в 1899г. ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20км, а в 1901г. дальность радиосвязи была уже 150км. Важную роль в этом сыграла новая конструкция передатчика. Искровой промежуток был размещен в колебательном контуре, индуктивно связанном с передающей антенной и настроенном с ней в резонанс.. Существенно изменились и способы регистрации сигнала. Параллельно звонку был включен телеграфный аппарат, позволивший вести автоматическую запись сигналов. В 1899г. была обнаружена возможность приема сигналов с помощью телефона. В начале 1900г. радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финляндском заливе. При участии А. С. Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.

Кибернетика. Развитие кибернетики как науки было подготовлено многочисленными работами ученых в области математики, механики, автоматического управления, вычислительной техники, физиологии высшей нервной деятельности.

Основы теории автоматического регулирования и теории устойчивости систем регулирования содержались в трудах выдающегося русского математика и механика Ивана Алексеевича Вышнеградского (1831—1895 гг.), обобщившего опыт эксплуатации и разработавшего теорию и методы расчета автоматических регуляторов паровых машин.

Общие задачи устойчивости движения, являющиеся фундаментом современной теории автоматического управления, были решены одним из крупнейших математиков своего времени Александром Михайловичем Ляпуновым (1857—1918 гг.), многочисленные труды которого сыграли огромную роль в разработке теоретических вопросов технической кибернетики.

Работы по теории колебаний, выполненные коллективом ученых под руководством известного советского физика и математика Александра Александровича Андронова (1901—1952 гг.), послужили основой для решения впоследствии ряда нелинейных задач теории автоматического регулирования. А. А. Андронов ввел в теорию автоматического управления понятия и методы фазового пространства, сыгравшие важную роль в решении задач оптимального управления.

Исследование процессов управления в живых организмах связывается прежде всего с именами великих русских физиологов - Ивана Михайловича Сеченова (1829—1905 гг.) и Ивана Петровича Павлова (1849—1936 гг.). И. М. Сеченов еще во второй половине прошлого столетия заложил основы рефлекторной теории и высказал весьма смелое для своего времени положение, что мысль о машинности мозга — клад для физиолога, коренным образом противоречащее господствовавшей тогда доктрине о духовном начале человеческого мышления и психики.

Блестящие работы И. П. Павлова обогатили физиологию высшей нервной деятельности учением об условных рефлексах и формулировкой принципа обратной афферентации, являющегося аналогом принципа обратной связи в теории автоматического регулирования. Труды И. П. Павлова стали основой и отправным пунктом для ряда исследований в области кибернетики, и биологической кибернетики в частности.

Материальной базой реализации управления с использованием методов кибернетики является электронная вычислительная техника. При этом «кибернетическая эра» вычислительной техники характеризуется появлением машин с «внутренним программированием» и «памятью», т. е. таких машин, которые в отличие от логарифмической линейки, арифмометров и простых клавишных машин могут работать автономно, без участия человека, после того как человек разработал и ввел в их память программу решения сколь угодно сложной задачи. Это позволяет машине реализовать скорости вычислений, определяемые их организацией, элементами и схемами, не ожидая подсказки «что дальше делать» со стороны человека-оператора, не способного выполнять отдельные функции чаще одного-двух раз в секунду. Именно это и позволило достичь в настоящее время быстродействия ЭВМ, характеризующегося сотнями тысяч, миллионами, а в уникальных образцах — сотням миллионов арифметических операций в секунду.

Медицина. Благодаря тому, что современная медицина опирается в своем развитии на другие отрасли естествознания и, в частности, на биологию, физиологию, биохимию, генетику, физику, электронику и инженерное дело, она с каждым годом делается все могущественнее и постепенно обретает полную власть над человеческим организмом.

В этом содружестве медицины с другими отраслями знания и состоит важнейшая сторона современного этапа ее развития. Медицинская наука так разрослась, она настолько раздвинула свои возможности, что теперь ни одна отрасль промышленности, сельского хозяйства, строительства, транспорта, связи, космических исследований, воспитания детей и многое другое не может обходиться без ее советов и непосредственного участия.

У хирургии сердца своя большая история, в которую вплетены имена выдающихся врачей разных стран - Норвегии, ГДР, ФРГ, СССР, Англии, Италии, Франции, Швеции, Дании и других.

Хирургия сердца обязана многими своими успехами советским ученым. На зовем имена академика А. Н. Бакулева, профессоров А. А. Вишневского, П. А. Куприянова, Б. В. Петровского, Е. Н. Мещалкина, достигших значительных успехов в этой области.

• А. Н. Бакулев еще в 1948 году, когда операции на сердце только начинались, впервые в СССР произвел хирургическое вмешательство при врожденном пороке сердца, а потом и при пороке клапанов сердца. Он внедрил в широкую практику операции на сердце и явился создателем Института по хирургии сердца и сосудов - одного из крупнейших учреждений подобного типа в мире.

• А. А. Вишневский сумел настолько разработать технику местного обезболивания, что провел, используя этот метод, операцию на сердце. Еще в 1957 году он впервые в СССР сделал операцию с помощью аппарата "искусственное сердце и легкие", созданного советскими инженерами. Им и его учеником Донецким разработан метод соединения сосудов при операции на сердце с помощью специальных колец с кривыми шипами, что дает возможность быстро сшивать сосуды без игл и нитей.

Хирургу Е. Н. Мешалкину впервые удалось произвести разработанную по предложению академика А. Н. Бакулева в Институте хирургии доктором Н. К. Галанкиным операцию соединения верхней полой вены с легочной артерией, что применяется при тяжелом врожденном пороке сердца у детей, так называемой "синей" болезни. Хотя эта операция не устраняет полностью порока, но улучшает кровообращение, дает возможность крови обогащаться кислородом в легких (что затруднено при этом заболевании) и тем значительно облегчает состояние ребенка, который начинает более или менее нормально развиваться.

П. А. Куприянов был одним из первых, кто вскоре после окончания второй мировой войны стал заниматься хирургией сердца. Он впервые применил охлаждение организма при операциях на сердце.

Из англичан следует упомянуть Суттара, который много лет назад, в 1925 году, сделал попытку оперировать клапан сердца. Профессора Дрю, У. Клилапд, Д. Мелроуз - ведущие в этой стране специалисты в хирургии сердца. В ФРГ- большие специалисты профессора Ценкер в Мюнхене и Е. Дерра в Дюссельдорфе, в ГДР - профессор М. Гербст.

Во всем мире широко известны имена выдающихся сердечных хирургов итальянцев П. Вальдони и А. Доглиотти, французов Д'Аллена и Ч. Дюбоста, шведов Е. Краффорда и В. Бьёрка, датчанина Е. Хусфельда и многих других. Все они внесли неоценимый вклад в развитие науки - хирургии сердца, и все они - русские, французы, англичане, итальянцы, шведы, датчане, немцы и другие - все они герои медицины.

Но все эти хирурги знают, как они далеки, несмотря на достигнутые результаты, от окончательного разрешения проблемы хирургии сердца и как много еще предстоит поработать, чтобы излечивать любые болезни сердца или заменять его. Но они - оптимисты, они верят в конечный успех. Они учат своих помощников, растят новых специалистов, которые понесут вперед знамя науки и разовьют успех учителей.

В середине XX века шведскими учеными был изобретен электрический стимулятор сердца, который мог поддерживать жизнь умирающему сердцу.

В этом маленьком аппарате было расположено в ряд несколько батарей с долгим сроком службы. Такой набор батарей обеспечивает работу по меньшей мере в течение трех лет. А что потом, по истечении этих трех лет? Это не трудная проблема, так как аппарат пришивается под кожей и необходимо лишь небольшое вмешательство, чтобы извлечь стимулятор из его ложа и заменить новым, который будет работать столько же, а возможно и дольше, так как за это время электротехника, несомненно, сделает успехи.

Первая операция по внедрению электростимулятора под кожу больного была проведена в декабре 1961 года.

Химия. Великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев открыл так называемый периодический закон химических элементов, согласно которому все химические элементы определённым образом связаны между собой. Это было величайшее открытие одного из основных законов естествознания.

Французский химик Шанкуртуа искал закономерность, расположив элементы по винтовой нарезке, нанесенной на стоящий цилиндр. Все напрасно.

Менделеев смотрел в самую суть явлений и не пытался искать какую-то внешнюю связь, объединяющую все элементы в фундаменте мироздания. Он пытался понять - что их связывает и что определяет их свойства. Менделеев расположил элементы по возрастанию их атомного веса и стал нащупывать закономерность между атомным весом и другими химическими свойствами элементов. Он пытался понять способность элементов присоединять к себе атомы сородичей или отдавать свои.

Он вооружился ворохом визитных карточек и написал на одной стороне название элемента, а на другой - его атомный вес и формулы его некоторых важнейших соединений. Он снова и снова перекладывал эти карточки, укладывая их по свойствам элементов. И в его сознании всплывали какие-то новые закономерности, и он со знакомым волнением, предшествующим открытию, осторожно продвигался дальше и дальше. Часами он сидел, склонившись над своим столом, снова и снова вглядываясь в записи, и ощущал, как начинала кружиться от напряжения голова и как глаза застилала дрожащая пелена...

Говорят, что во сне к нему пришло озарение и что ночью ему привиделось, как, в каком порядке надо разложить те карточки, чтобы все легло по своим местам по закону природы. Может быть. Мозг человека всегда бодрствует. Но шел-то Менделеев к этому прозрению годами! Он продвигался осмысленно, заранее намечая и рассчитывая каждый свой очередной шаг. Может, и было то озарение, но его нельзя назвать случайным.

Менделеев нашел связь даже между самыми непохожими элементами. Он обнаружил, что свойства элементов, если их разместить в порядке возрастания атомных весов, через правильные промежутки повторяются.

Менделеев понимал: случайностью это быть не могло. Тогда он сделал последний - решающий шаг: расположил все элементы еще и по группам, объединив в отдельные семьи ближайших родственников. Он настолько ясно видел стройность созданной им системы, что, заметив отсутствие элемента между алюминием и титаном, оставил ему свободное место. Таких пустых клеток пришлось оставить еще две. Система Менделеева позволяла ему предвидеть открытие.

Первое из них последовало через четыре года. Элемент, для которого Менделеев оставил место и свойства, атомный вес которого он предсказал, вдруг объявился! Его звали Лекок де Буабодран.

Мы познакомились только с некоторыми вершинами науки. К началу XX века относятся первые попытки государств координировать и регулировать научные исследования, исходя из своих задач. Эти общества и ассоциации играли большую роль в национальной консолидации научных сил и развитии информационных связей между коллективами исследователей. Образовались первые постоянно действующие международные научные организации.