Современное естествознание и его роль в развитии цивилизации

Общие положения. Естествознание – это совокупность знаний о природных объектах и процессах. Такие знания получают в естественных науках – физике, химии, биологии, геологии, астрономии и т.д.

Достижения современного естествознания огромны: люди научились расщеплять атомные ядра и получать при этом огромную энергию, достигли Луны, открыли законы наследственности в живой природе, научились лечить многие болезни и т.д. На естественнонаучных открытиях основаны все передовые технологии. Однако современная наука определяет и пределы прогресса. Она свидетельствует о том, что:

- первые люди появились на Земле более 2,5 млн. лет назад;

- население планеты достигнет 10 -12 млрд. человек к середине этого века и вероятнее всего больше увеличиваться не будет;

- доступного ископаемого органического топлива (нефти, газа, угля) на Земле осталось максимум на 200-300 лет;

- при продолжении нещадной эксплуатации земных недр и загрязнении окружающей среды в том же темпе уже в этом веке Земля может стать непригодной для жизни;

- Земля может прокормить и обогреть максимум 12 млрд. человек;

- после создания в ХХ в. ядерного оружия возникла опасность радиоактивного заражения обширных территорий и т.д.

Существуют два взгляда на дальнейшее развитие общества:

1. наша цивилизация погибнет, не успев в полной мере воспользоваться своими достижениями и открытиями;
2. наша цивилизация, переосмыслив ошибки прошлого, сможет просуществовать еще много тысяч и миллионов лет, даже если погаснет Солнце.

 

Решить глобальные проблемы на Земле можно только, развивая науку и создаваемые на ее основе передовые технологии, которые не разрушают среду обитания людей и всего живого на нашей планете.

Обновление технологий и подъемы в экономике. В 20-х годах ХХ века были открыты технологические циклы развития мировой экономики. Это открытие сделал отечественный экономист Н.Д.Кондратьев (1892-1938) на основе анализа развития экономики в мире с начала ХVIII века. Им были изучены данные об изменении цен, заработной платы, объема внешней торговли, производства основных видов промышленной продукции и сведения о нововведениях в промышленности и сельском хозяйстве в экономически развитых государствах. Продолжительность технологических циклов – около 50 лет; они начинаются с роста производства и деловой активности в мире и заканчиваются их спадом.

Каждому из наблюдавшихся подъемов в мировой экономике предшествовали крупные изменения в социально-экономической жизни общества: создание новой техники и разработка новых технологий, вовлечение в мировые экономические связи новых государств, изменение добычи ресурсов, денежного обращения и т.д.

Анализ исторического развития мировой экономической системы показывает, что необходимым условием для экономического роста является появление новых производственных технологий и новой производственной техники, которые позволяют снизить производственные затраты и сделать товары и услуги доступными для широких слоев населения. 50-летние экономические циклы названы технологическими потому, что они связаны с исчерпанием возможностей старых производственных технологий.

В ХVIII-ХIХ веках резко возросла роль научных открытий при разработке новой техники и технологий. В античное и средневековое время техника и технологии создавались путем стихийного изобретательства.

Так, например, на рубеже ХVII - ХVIII веков появилась возможность рассчитывать строительные конструкции с помощью уравнений классической механики, разработанной И.Ньютоном (1643-1727). Использование научных расчетов в строительстве повышало качество и уменьшало сроки строительных работ, т.е. способствовало росту их эффективности. Все это, безусловно, не могло не сказаться на темпах развития экономики в мире в то время: появление новых строительных технологий наряду с другими новыми технологиями той эпохи создало предпосылки для мирового экономического подъема в первой половине ХVIII века.

Самые распространенные двигатели ХХ и ХХI веков – электрические – были созданы на основе применения закона А.Ампера (1775-1836), согласно которому в магнитном поле проводник с электрическим током начинает двигаться (первые образцы электродвигателей сконструировал американец Дж.Генри (1797-1878) в 30-х годах ХIX века). Широкое внедрение электрических двигателей в различные сферы человеческой деятельности оказало огромное воздействие на развитие экономики во второй половине ХIX века и в ХХ веке.

Научные открытия были использованы при разработке технологий производства синтетических материалов (первые образцы таких материалов появились во второй половине ХIX века), при создании и усовершенствовании двигателей внутреннего сгорания (2-я половина ХIX века), при разработке радиотехнологий и средств связи (конец ХIX века и ХХ век), электронных и информационных технологий (ХХ век), технологий лечения наследственных болезней (конец ХХ века) и многого другого. Начиная с ХХ века, техника и технологии создаются только на основе применения научных открытий. Поэтому они и называются наукоемкими.

Таким образом, для того чтобы экономика (мира в целом, отдельной страны или отдельной отрасли) развивалась, необходимо периодическое обновление производственной техники и технологий. В настоящее время для этого необходим достаточно большой запас научных открытий в естественных и технических науках. И если эти области деятельности человека будут и дальше оставаться непопулярными, как сейчас, экономика будет получать все меньше и меньше технологических стимулов для своего развития.

Сейчас мы являемся свидетелями глобального экономического кризиса. В различных средствах массовой информации, на форумах и конференциях продолжают обсуждать его причины. Но, к сожалению, очень редко указывают исчерпание технологий.

Одной из самых доходных отраслей нашего времени является финансовый сектор, в котором огромные средства все чаще зарабатывают на различных финансовых спекуляциях. Почему? Наиболее простой, быстрый и «надежный» способ, который, однако, как показало недавнее прошлое, может «иногда» давать крупные сбои в мировом масштабе. А ведь в здоровой экономической системе деньги должны делать деньги через производство товаров и услуг. Но если производственный сектор перестает приносить инвесторам желаемые прибыли (а это, как правило, происходит при исчерпании возможностей старой технологической базы) приходится зарабатывать на ростовщичестве и замыкать финансовую сферу саму на себя.

Известный экономист ХХ века Й.Шумпетер (1883-1950) отметил, что развитие рыночной экономики основано на стремлении предпринимателей-одиночек регулярно вводить инновации. В начале выхода из кризиса нововведения осуществляют наиболее смелые предприниматели. Т.к. их мало и у них практически нет конкурентов, эффективность их вложений очень высокая. Постепенно их успех заставляет других предпринимателей вводить аналогичные нововведения, а это способствует возрастанию конкуренции, снижению прибыли и приводит в итоге к перепроизводству, превышению предложения над спросом – т.е. к новому кризису.

Среди различных типов нововведений главным в экономике является обновление производственных технологий. У предпринимателей, желающих ввести инновации, должен быть выбор возможных технологий развития производства. Разумеется, каждый предприниматель-инвестор хочет вытянуть лотерейный билет. Но если их не покупать, то и выигрыша не будет. А еще надо знать, что покупать и где. Следовательно, необходима популяризация научно-технических знаний, которую нужно осуществлять прежде всего на государственном уровне, начиная со школы. Поэтому, если страна хочет обеспечить свою национальную безопасность, динамичное развитие экономики и повышение уровня жизни своих граждан, следует одним из приоритетных направлений государственной политики сделать развитие науки и техники.

Американский физик Дж.Хюбнер из исследовательского центра Пентагона рассчитал, что к 2025 г. отношение числа технологических нововведений к численности населения в мире снизится до средневекового уровня. Он показал, что пик технологического развития наблюдался в обществе на рубеже ХIX-XX веков. Параметр, на основе которого он сделал такой вывод, - отношение значимых научных открытий и технологических новинок к численности населения в мире в различные эпохи.

Какими бы мрачными не казались прогнозы Хюбнера, наука и техника не перестали развиваться. Развитые страны мира продолжают вкладывать в научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки несколько процентов от объема ВВП. Мировой экономический кризис уменьшит абсолютные значения таких вложений, т.к. наблюдается заметное снижение валового внутреннего продукта во многих странах. Какие же новые технологии может ожидать общество в ближайшие годы? С какими из них может быть связан очередной подъем в мировой экономике?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, отметим ряд технологий, разработка которых больше других повлияла на развитие мировой экономики во второй половине ХХ века.

Наше время принято называть веком информационных технологий. Стремительное развитие информационных средств и электроники, обеспечивающей их функционирование, произошло благодаря изобретению в 1947 г. транзистора - полупроводникового устройства для управления электрическими сигналами. Изобретателями транзистора стали американцы У.Браттейн (1902-1987), Дж.Бардин (1908-1991) и У.Шокли (1910-1989). В первой половине ХХ века электроника развивалась на ламповой основе. Основными функциональными элементами первых радиоприемников, телевизоров и другой электронной техники были электронные лампы – диоды и триоды. После изобретения транзистора (полупроводникового аналога электронных ламп) в электронике начался переход на новую элементную базу. Эффективная и миниатюрная полупроводниковая электроника (микроэлектроника) стала вытеснять менее эффективную и громоздкую ламповую, что обеспечило интенсивное развитие не только электронных, но и связанных с электроникой информационных технологий и привело к изобретению компьютеров (1979-1988 гг., К.Синклер (род. 1940)). Основным материалом для изготовления транзисторов и микросхем, состоящих из большого количества транзисторов, стал кремний. Поэтому наш век можно назвать кремниевым по аналогии с тем, как были названы эпохи, во время которых господствующими были технологии обработки камня или металла (каменный и бронзовый века).

Примерно пятую часть вырабатываемой в мире электроэнергии сейчас производят атомные электростанции. А первые АЭС появились в мире в 50-х годах ХХ века – вначале в СССР в 1954 г. в Обнинске, затем в других государствах. Разработке промышленных и военных ядерных технологий прежде всего способствовали открытия радиоактивности (1896 г., А.Беккерель (1852-1908)), атомного ядра (1911 г., Э.Резерфорд (1871-1937)) и цепной реакции деления тяжелых ядер (1938 г., Л.Мейтнер (1878-1968), О.Ган (1879-1968), Ф.Штрассман (1902-1980)). Ядерные реакторы сейчас преимущественно используются для производства электроэнергии. Однако развивается и использование тепловой энергии, вырабатываемой на АЭС, для теплоснабжения, опреснения воды и для других целей. К энергокомпаниям с наибольшей установленной мощностью ядерных энергоблоков относятся французская фирма ЕDF (более 60000 МВт), российский «Росатом» (около 20000 МВт) и японская компания ТЕРКО (примерно 20000 МВт). В настоящее время мировой рынок атомного оборудования оценивается в 45 млрд. долларов в год. Россия контролирует примерно 30% этого рынка и может рассчитывать на его увеличение в связи с интенсивным развитием ядерной энергетики в странах Азии и Азиатско-Тихоокеанского региона, в некоторых странах Европы, а также в странах СНГ. Стоимость одного блока АЭС в среднем составляет 1 млрд. долларов. Гарантийный срок службы промышленных ядерных реакторов 40-60 лет, а окупаются они за 10 лет.

В 1960-х годах началось развитие генных технологий, с помощью которых можно изменять гены в живых организмах и, следовательно, придавать организмам новые признаки. Генные технологи используют в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, медицине и в других областях. Объем рынка лекарств, полученных такими способами (инсулин, интерферон, гормон роста и др.), сейчас составляет десятки миллиардов долларов США в год (объем всего мирового фармацевтического рынка - более 250 млрд. $ в год). Идет разработка методов лечения наследственных и ненаследственных заболеваний путем изменения генных дефектов в клетках больных людей. Объем продаж генетически модифицированной (трансгенной) продукции, которую производят в сельском хозяйстве и пищевой промышленности, составил в мире в 1995 г. – 75 млн. $, в 1996 г. – 235 млн. $, в 1997 г. – 670 млн. $, в 2000 г. – 3 млрд. $, в 2005 г. - около 8 млрд. $, в 2010 г. он может возрасти до 25 млрд. $. Разработке генных технологий способствовали открытия строения молекулы ДНК – вещества наследственности в живой природе на Земле, состоящего из генов (1953 г., Дж.Уотсон (род. 1928), Ф.Крик (1916-2004), Р.Франклин (1920-1958)), и расшифровка генетического кода (1966 г., М.У.Ниренберг, Р.У.Холли, Х.Г.Корана, С.Очоа, Ф.Крик), устанавливающего соответствие между генами ДНК и кодируемыми ими белками.

В настоящее время, как и в предыдущие эпохи, обществу необходимы технологии производства дешевых и эффективных материалов для различных устройств и процессов. Такие проблемы возникают при разработке практически всех новых технологий. Например, в каменный и бронзовый века технологический уровень развития общества определялся возможностями обработки камня и металла, а во второй половине XX века – возможностями получения кремния (основного материала электроники) и управления его электронными свойствами.

Одной из наиболее перспективных областей междисциплинарных исследований сейчас является создание и исследование свойств органических проводящих материалов - углеводородных проводящих полимеров и наноматериалов на их основе, углеродных фуллеренов и нанотрубок, графена. Эта область обещает в недалеком будущем переход различных технологий на новую элементную базу, основанную на недорогих и доступных органических материалах, способных проводить электрический ток. Органические соединения, как правило, не содержат редких химических элементов и высокотехнологичны. Поэтому они могут стоить намного дешевле неорганических материалов (например, кремния).

На основе проводящей органики могут быть созданы дисплеи, лазеры, транзисторы, оптическая память и многое другое. Крупные производители электроники Philips, Siemens и другие компании уже приступили к разработке электронных устройств из указанных материалов. Такие устройства можно изготавливать на гибких органических подложках и стоить они могут значительно меньше, чем аналогичная техника из неорганических полупроводников.

Проводящие органические материалы можно использовать для преобразования оптической энергии в электрическую, что позволяет создавать на их основе недорогие солнечные батареи для гелиоэнергетики.

О возможности органических материалов проводить электрический ток ученые впервые узнали в начале 70-х годов ХХ века, когда японский химик Х.Ширакава синтезировал первые полимерные пленки с металлическими свойствами (в серии опытов по получению полиацетилена в одном из полученных образцов он обнаружил металлический блеск и способность проводить электричество).

Энтузиасты области проводящих органических материалов предполагают, что уже в этом веке появятся компьютеры на основе проводящей органики, которые будут выглядеть как гибкий лист формата A4, на котором методами пленочных технологий будут размещаться процессор, дисплей, устройства ввода и вывода информации, память.

Основной проблемой области проводящих органических материалов является их недолговечность из-за разрушительного воздействия кислорода и паров воды. Для защиты устройств из проводящей органики от воздействий окружающей среды необходимо наносить на них специальные покрытия, а это может приводить к их удорожанию. Поэтому продолжается поиск более устойчивых материалов на органической основе, а также способов защиты проводящих органических материалов.

Развитие области проводящей органики возможно только на основе тесного сотрудничества химиков, физиков, материаловедов и технологов. Если задача получения стабильных проводящих органических материалов будет решена, электронные, информационные и гелиоэнергетические технологии обеспечат будущее развитие мировой экономики на новой технологической основе.

Большие перспективы развития в ХХI веке имеет также водородная энергетика. По одному из сценариев развития мирового топливно-энергетического комплекса (ТЭК), выработанному аналитиками компании Shell, мировая энергетика в этом веке будет основана преимущественно на газе (метане, а затем на водороде) и электричестве.

Водородная энергетика производит тепловую и электрическую энергию из водорода путем соединения его с кислородом с образованием воды. Такой способ получения энергии практически не загрязняет окружающую среду и может обладать достаточно высоким КПД (до 85-90%). Водород – самое калорийное из известных в настоящее время видов топлива, используемых в тепловой энергетике (удельная теплота сгорания водорода 116 МДж/кг, а бензина, например, - только 46 МДж/кг). К настоящему времени разработаны два типа устройств, преобразующих энергию, накопленную в химических связях водорода. Это – двигатели внутреннего сгорания (ДВС) (аналогичные ДВС, в которых сгорает бензин или природный газ) и водородно-кислородные топливные элементы, производящие электрическую и тепловую энергию химическим способом без горения за счет окисления водорода кислородом. Ведущие автомобильные компании мира уже выпускают автотранспортные средства с водородными ДВС и топливными элементами.

К основным проблемам современной водородной энергетики относятся эффективное получение, транспортировка и хранение водородного топлива. До сих пор производство свободного водорода обходится слишком дорого – в 2-4 раза дороже, чем производство эквивалентного ему по количеству энергии бензина (несколько долларов США за 1 кг водорода). Водород в настоящее время промышленно получают из природного газа, при газификации угля, разложении воды, из биомассы. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость водородного топлива сравняется со стоимостью бензина к 2015 г.

Снижение стоимости водорода возможно при строительстве инфраструктуры по его доставке и хранению. В настоящее время в США функционируют около 1000 км, а в Европе более 1500 км водородных трубопроводных систем. После незначительных доработок водород можно передавать по действующим газопроводам для природного газа.

Водород – самый легкий химический элемент, поэтому в определенном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива (при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении водород занимает примерно в 3000 раз больший объем, чем количество бензина с эквивалентной энергией). Из-за этого водородное топливо содержат или в сжатом газообразном виде в баллонах под давлением 300-350 атмосфер (что может привести к взрыву), или в жидком виде при низком давлении и температурах около -250⁰С (что требует значительных энергетических затрат и мощной теплоизоляции), или хранят в виде гидридов различных элементов (что обеспечивает самую высокую безопасность хранения и самую высокую плотность его упаковки, но пока не освоено в промышленных масштабах).

Россия до середины 90-х годов ХХ века была одним из мировых лидеров в области водородной энергетики. В стране были созданы самолет-лаборатория ТУ-155, экспериментальные автомобили на водородном топливе, плазмохимические установки по производству водорода. Но из-за резкого сокращения в 1990-х годах финансирования всех научных исследований и опытно-конструкторских разработок водородная энергетика почти не развивалась в РФ в течение 10 лет. В рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки приоритетных направлений науки и техники на 2002-2006 годы» работы по водородной энергетике в России были возрождены. В 2003 г. был организован «Водородный проект» до 2050 г., осуществляемый совместно Российской академией наук и компанией «Норильский никель».

Крупные национальные программы по развитию водородной энергетики реализуются в странах ЕЭС, США, Японии, Китае. Государственная поддержка таких программ до наступления глобального экономического кризиса исчислялась в сотнях миллионов долларов.

Стоимость водородного топлива сильно уменьшится, если водород можно будет добывать из недр Земли. Исследования геологов показали, что на глубинах 5-6 км недра Земли могут содержать бескислородные сплавы и соединения на основе кремния, магния и железа, которые при реакции с водой способны выделять водород и тепло. Такие месторождения на суше могут находиться на территории РФ в районе Байкала, в Исландии, Израиле, Канаде, США. Для добычи горячего водорода из земных недр потребуются две скважины, в одну из которых будет поступать вода, а из другой будет выходить нагретый водород.

Если главные проблемы водородной энергетики удастся решить, водород может стать для мировой экономики тем, чем в определенный момент для нее стал уголь, а потом - нефть.