Научные предсказания

Я хотел бы начать с того, что предсказания ученых играют огромную роль в развитии научных знаний и что очень многие замечательные открытия сделаны именно в результате гениальных предвидений и расчетов. Можно привести десятки и даже сотни подобных примеров, но я ограничусь наиболее известными и значительными, сыгравшими ключевую роль в научном прогрессе и формировании нашего понимания мира и Вселенной:

1. Предсказание существования планеты Нептун: в 1843-1845гг. астрономы Ж. Л. Леверье и У. Г. Адамс предсказали существование неизвестной планеты (позже получившей название Нептун), анализируя зарегистрированные аномалии в орбите Урана. Это стимулировало поиск неизвестной планеты и уже в 1846 году Нептун был обнаружен сотрудниками Берлинской обсерватории И. Галле и Г. И. Д’Арре .

2. Радиоактивный распад: экспериментальное открытие радиоактивного распада было сделано случайно в 1896 году Генри Беккерелем. Он обнаружил, что урановые соли, оставленные на фотопластинке, вызывали ее затемнение, что указывало на способность урана испускать какое-то неизвестное излучение. В 1902 году Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди предположили, что радиоактивность может быть результатом необратимого распада атомов. Это стало началом широких исследований и использования явления радиоактивности.

3. Теория относительности Альберта Эйнштейна: в специальной теории относительности (1905 г.) Эйнштейн предсказал, что масса может превращаться в энергию, и вывел знаменитую формулу E=mc^2. Это уравнение стало краеугольным камнем при создании атомных реакторов и атомной бомбы . Экспериментально теоретическое предположение Эйнштейна было подтверждено в 1933 году Ирен и Фредериком Жолио- Кюри во Франции, а также в Кембридже Джоном Кокрофт ом и Эрнестом Томасом Уолтон ом, которые наблюдали выделение энергии при делении атома на две части, суммарная масса которых оказалась меньше, чем масса исходного атома. По другим данным, еще раньше (в 1905-1917 гг.) идею об эквивалентности массы и энергии подтвердили исследования Чарльза Г. Баркла и Стэнли Л. Гладдена. Они занимались измерением изменений массы радиоактивных элементов в процессе испускания радиации.

4. Искривление пространства: искривление пространства вблизи больших масс было сделано Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности, которая была опубликована в 1915 году. Экспериментальное подтверждение искривления пространства вблизи больших масс было экспериментально подтверждено во время солнечного затмения в 1919 году. Британский астроном Артур Эддингтон и его команда организовали экспедицию на остров Принсипе в Атлантическом океане и в Бразилию для наблюдения смещения световых лучей звезды, проходящих вблизи Солнца во время затмения. Было обнаружено, что лучи света от звезды смещаются из-за гравитационного искривления, что соответствовало предсказаниям общей теории относительности.

5. Предсказание существования антиматерии: В 1928 году Пауль Дирак предсказал существование антиматерии в рамках созданной им теории электрона. Экспериментальное подтверждение существованияантиматерии было получено в 1932 году американским физиком Карлом Андерсоном. Он обнаружил в космических лучах частицы антиматерии — позитроны.

6. Обнаружение гравитационных волн: Альберт Эйнштейн в 1916 году предсказал их существование в рамках своей общей теории относительности. Гравитационные волны были экспериментально обнаружены лишь в 2015 году, то есть век спустя после прогноза с помощью ЛИГО (лазерный интерферометр гравитационных волн).

7. Существование реликтового излучения: Георгий Гамов в 1948 году высказал идею, что природа Вселенной должна содержать слабое излучение, оставшееся после Большого Взрыва, и что это излучение ныне должно иметь температуру около 5 градусов Кельвина. Реликтовое излучение было открыто экспериментально в 1965 году американскими астрофизиками Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. Они работали с радиотелескопом в Нью-Джерси и случайно обнаружили фоновое радиоизлучение, которое не исчезало, даже когда устранили все известные источники радиошумов. Они пришли к выводу, что это излучение соответствует предсказанному Гамовым реликтовому излучению, и определили его температуру примерно в 3,5 градуса Кельвина.

8. Структура ДНК: Лайнус Полинг в 1951 году одним из первых предложил модель тройной спирали ДНК. Однако, знаменитую структуру ДНК — двойную спираль — экспериментально открыли Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в 1953 году. Их работа основывалась на данных рентгеноструктурного анализа, выполненного Розалиндой Франклин и Морисом Вилкинсом. Это стало ключом к пониманию механизма наследственности.

9. Существование экзопланет: Первое научное предположение о существовании экзопланет, то есть планет вне Солнечной системы, было сделано в 1584 году итальянским философом и богословом Джордано Бруно. Только в 1995 году Мишель Майор и Дидье Келлоу обнаружили первую экзопланету, вращающуюся вокруг звезды типа Main Sequence.

1. Бозон Хиггса: Предсказанный теоретически в 1964 году бозон Хиггса был обнаружен в 2012 году на Большом адронном коллайдере в Женеве.

1. Эффект сверхпроводимости: явление сверхпроводимости было предсказано и обнаружено одним и тем же ученым, нидерландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом (соответственно в 1911-м и в 1913 гг.) Это открытие привело к новому пониманию свойств материи и к открытию множества интересных и важных явлений в физике, а также — к развитию новых материалов и технологий, таких как магнитно-сверхпроводящие сплавы, обладающие свойствами тех и других. Явление сверхпроводимости позволило создать магнитные резонансные изображения (MРИ) с помощью мощных сверхпроводящих магнитов, необходимых для формирования детальных изображений внутренних органов человека.

2. Нейтронные звезды: теоретически предсказанные в 1934 году Вальтером Бауэром и Фрицем Цвикки нейтронные звезды были впервые обнаружены в 1967 году Джозефом Тейлором и Расселом Халсом. Эти космические объекты являются одними из самых плотных и экзотических во Вселенной. Это открыло новую эру в астрономии и стало ключевым для понимания многих аспектов космических объектов и космологии в целом.

3. Клеточная теория: предположение о том, что живые организмы состоят из клеток, принадлежит Марселю Мальпиги (1628–1694). Роберт Гук подтвердил существование клеток в 1665 году, наблюдая тонкие срезыкоры и листьев под микроскопом. Это открытие заложило основу клеточной теории, которая стала ключевым понятием в биологии.

4. Магнитные поля планет: предсказанное в XIX веке существование магнитных полей у планет было подтверждено позднее множеством наблюдений и исследований, включая миссии к Марсу, Юпитеру и кдругим планетам Солнечной системы.

5. Существование кварков: в1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг предложили концепцию кварков — элементарных частиц, составляющих протоны, нейтроны и другие барионы. Первые непосредственные доказательства существования кварков были получены в конце 20-го века в экспериментах на адронных коллайдерах SLAC в Стэнфорде и Fermilab в Чикаго. В этих опытах приняли участие несколько групп американских ученых, в том числе Ричард Тейлор, Мартин Брюндерли, Джеральд Миллер и др. Постоянная Хаббла: постоянная Хаббла, описывающая расширение Вселенной, была предсказана Эдвином абблом в 1929 году. Первым, кто точно определил величину постоянной Хаббла, был астроном Аллан Рекс Танди. В 1952 году он опубликовал результаты своих наблюдений галактик, основанных на методе измерения красного смещения. Было установлено, что скорость удаления галактик пропорциональна их  расстоянию от Земли. Это открытие стало важным шагом в понимании расширения Вселенной и основой для формулирования так называемого закона Хаббла.

7. Масса и размер атомного ядра: предсказание о существовании атомного ядра было сделано Нильсом Бором в 1911 году. Он предложил модель атома, известную как модель Бора, в которой электроны вращаются по орбитам вокруг ядра. Предположение о существовании атомного ядра было подтверждено в 1919 году Эрнестом Резерфордом, который провел известный эксперимент с рассеянием альфа-частиц, в результате которого было обнаружено, что большая часть массы атома сосредоточена в небольшом, но плотном ядре.

8. Расщепление атомного ядра: В 1931 году Георгий Гамов предложил идею расщепления ядер ускоренными протонами , используя эффект квантового туннелирования (квантовое явление, при котором частица может проникнуть через потенциальный барьер, даже если у нее нет достаточной энергии для преодоления этого барьера в классическом смысле. Это происходит благодаря вероятностным квантовым свойствам частиц). Первые эксперименты по расщеплению ядер лития были осуществлены в 1932 году Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном , а затем группой Александра Лейпунского и Антона Вальтера).

9. Электронный микроскоп: предсказание о возможности создания электронного микроскопа на основе использования электронов вместо света было сделано в 1924 году немецким физиком Лео Глазером,предложившим идею использовать электроны для увеличения разрешающей способности микроскопа. Первый прототип электронного микроскопа был построен в 1931 году Максом Кноллом и Эрнстом Руше. Их микроскоп использовал электронный пучок для создания изображения. Этот микроскоп сыграл ключевую роль в развитии методов изучения микроскопических структур и объектов, позволив увидеть объекты размером до атомов.

1. «Закон Мура»: в 1965 года американский инженер Гордон Мур опубликовал статью о том, что число компонентов в компьютерных платах будет удваиваться ежегодно и имеет тенденцию к росту, в то время как их размеры будут быстро уменьшаться. Позже он пересмотрел выведенную закономерность и предложил срок в 2 года (каждые 2 года число компонентов растет в 2 раза). Правда, пока неясно, будет ли работать «закон Мура» применительно к новым композитным материалам и к таким технологиям, как квантовое туннелирование.
2. Большую роль в развитии человеческого знания, кроме теории и расчета, играет творческая фантазия. Ярким примером сказанного являются многочисленные прогнозы писателя-фантаста Жюля Верна. Можно сказать, что буквально с кончика его пера сошли будущие субмарины, аэростаты, ракеты для космических путешествий, киборги, роботы, автоматические системы управления, идея путешествия на Луну, возможность использование атомной энергии для генерации электричества, подводные кабели связи, даже предвидение искусственного интеллекта…

   Многие другие писатели-фантасты предвидели и описали важные новации в науке и технике, некоторые из которых впоследствии становились реальностью. Вот несколько примеров: Артур Кларк (коммуникационные спутники, космические станции и использование солнечной энергии), Филип Дик (искусственный интеллект, виртуальная реальность), Стэнли Робинсон (терраформинг, колонизация других планет, устойчивые технологии), Уильям Гибсон (киберпанк, Интернет, виртуальная реальность, киберпространство).

   Огромную роль в прогнозировании эволюции науки сыграл выдающийся американский изобретатель и футуролог Рэй Курцвейл, работающий техническим директором Google и учредителем Университета Сингулярности в Кремниевой долине. Именно ему принадлежит идея резкого увеличения темпов развития науки будущего, а также концепция «технологической сингулярности», согласно которой благодаря ускоренному развитию знаний технологии станут настолько продвинутыми, что человечество уже в ближайшем будущем (2045 г.) переживет период революционных или парадигмальных изменений. В это время вся Земля начнет превращаться в один гигантский компьютер, и постепенно этот процесс может распространиться на всю Вселенную. Эта концепция, которую можно назвать «наперегонки со временем» (так, кстати, названа одна из книг о проблемах науки завтрашнего дня), также означает, что в будущем технологический прогресс ускорится настолько, что станет невозможным предсказать события, последующие за «технологической сингулярностью».

   Согласно Р. Курцвейлу, благодаря прорывам в области биотехнологий, нанотехнологий и искусственного интеллекта в ближайшие десятилетия медицинская наука и технологии укрепления здоровья переживут колоссальные изменения. Благодаря регенерации тканей и органов, модификации ДНК и другим прорывным технологиям удастся значительно увеличить продолжительность жизни человека.

   Р. Курцвейл также предвидит наступление времени, когда возможности искусственного интеллекта превысят человеческие, и ИИ начнет самостоятельно создавать новые технологии, перенося науку на новый уровень.

   Перечислю некоторые конкретные прогнозы Рэя Курцвейла:

   1. В 1990 году Рэй Курцвейл утверждал, что компьютер победит чемпиона мира по шахматам в 1998 году. Это на самом деле произошло, правда, годом ранее. В 1997-м суперкомпьютер Deep Blue, разработанный IBM, обыграл Гарри Каспарова.
   2. Персональные компьютеры смогут отвечать на вопросы, имея беспроводной доступ к информации по интернету в 2010 году. Теперь это наша реальность.
   3. В начале 2000-х экзоскелеты позволят инвалидам ходить. Сегодня такие компании, как Ekso Bionics и другие активно создают и тестируют экзоскелеты и бионические протезы.
   4. В 1999 году футуролог предсказал, что люди смогут отдавать компьютеру голосовые команды уже в 2009 году. К 2009 году виртуальные помощники вроде Alexa или Siri только зарождались, но сегодня они встроены в миллионы девайсов.
   5. Предсказания, сделанные в начале нулевых. В течение 10 лет появятся носимые форматы персональных компьютеров — будут доступны умные очки, часы и другие аксессуары.
   6. К 2010-му стоит ожидать появление военных беспилотников. Предсказание оказалось точным — с 2002 по 2008 год количество военных беспилотных самолетов в США увеличилось с 167 до 6000.
   7. К 2010-му появятся виртуальные тренажеры для хирургов, а также решения, которые позволят упростить процесс операции. Прогноз сбылся, хоть и несколько позже, чем ожидал Р. Курцвейл. В 2021-м прошла операция в смешанной реальности. Хирурги из 13 стран использовали очки гибридной реальности Microsoft HoloLens 2.
   8. К концу 2010-х улучшатся технологии перевода в реальном времени: с помощью AR-очков можно будет видеть «субтитры» к иностранной речи собеседника. Курцвейл оказался почти прав, но вместо очков роль мгновенного переводчика выполняют смартфоны.
   9. Создание новых источников энергии, не приводящих к загрязнению окружающей среды.
   1. Создание «виртуальных ассистентов», которые будут помогать людям во многих повседневных делах. В частности, они смогут производить мгновенный перевод иностранной речи. Маленькие компьютеры , связанные с Интернетом , будут всё теснее интегрироваться в повседневную жизнь.
   1. В 2020-х годах в медицинских целях начнут использовать нанороботы, которые смогут доставлять питание к клеткам человека и удалять их отходы. Они также произведут детальное сканирование мозга человека, позволяющее понять детали его работы.
   2. К 2029 году компьютер сможет пройти тест Тьюринга , доказывая наличие у него разума в человеческом понимании слова. Это будет достигнуто путем компьютерной симуляции мозга человека.
   3. В 2030-е годы наномашины будут помещаться прямо в мозг и осуществлять ввод и вывод сигналов из клеток мозга. Это приведет к виртуальной реальности « полного погружения », которая не потребует какого-либо дополнительного оборудования.
   4. Курцвейл развил новую концепцию «постчеловека» или «бессмертия», согласно которой со временем люди будут становиться все более небиологическими существами, пока не дойдут до состояния, когда небиологическая часть станет превалировать, а биологическая потеряет свое нынешнее значение. При этом небиологическая часть, механическая часть, будет настолько мощной, что она сможет полностью моделировать и понимать биологическую часть.

   Всего Рэй Курцвейл сделал более 150 предсказаний, 86% из которых оказались верными. Билл Гейтс заявлял, что он «не знает никого, кто предсказывал бы будущее искусственного интеллекта точнее, чем Курцвейл».

   ***

   В заключение постараюсь перечислить наиболее захватывающие особенности и потенциальные результаты науки будущего:

   1. Ускорение научно-технологического прогресса: будущая наука будет развиваться все более быстрыми темпами благодаря ускоренному развитию научных и технологических инноваций и созданию новых инструментов и методов исследований.
   2. Системный подход: ученые и инженеры будут все больше ориентироваться на системное мышление и комплексный подход к решению проблем, учитывая взаимосвязи и взаимодействия между различными компонентами системы.
   3. Глобальное сотрудничество: С развитием информационных технологий и коммуникаций будущая наука будет все более глобальной, с участием ученых со всего мира, работающих вместе над решением глобальных проблем и новых технологий.
   4. Развитие новых технологий и методов исследований: Будущая наука будет включать в себя разработку новых технологий и методов исследований, таких как нанотехнологии, квантовые вычисления, биоинженерия и др., тем самым расширяя границы нашего знания и наших нынешних возможностей.
   5. Интеграция различных дисциплин: наука будущего должна стать более междисциплинарной, то есть приведет к синтезу различных областей знаний. Например, сочетание биологии, информатики, физики, математики и инженерии может привести к созданию биоинформативных систем, ускоряющих процесс исследований в медицине и биотехнологии. Очень важен синтез знаний в таких областях, как кибернетика и медицина или генетика и математика.

   6. Создание междисциплинарных коллективов ученых: наука одиночек постепенно отходит в прошлое и прогрессу науки и технологии будут способствовать коллективы ученых, представляющих разные дисциплины, возглавляемые самыми продвинутыми специалистами.

   7. Искусственный интеллект (ИИ) и автоматизация: ускоренное развитие исследований в области искусственного интеллекта и продвинутых алгоритмов машинного обучения позволит анализировать огромные объемы данных (big data), что позволит существенно ускорить процессы научных исследований и сделать их более эффективными. Благодаря ИИ будущая наука сможет проводить более точные и глубокие исследования в различных областях и позволит создавать более сложные и адаптивные системы, что потенциально изменит многие аспекты нашей жизни.
   8. Биотехнологии и генная инженерия: продолжающееся поныне ускорение в области биологических наук, включая генную терапию, крипто-биологию, синтетическую биологию и технологии редактирования генома(например, CRISPR), обещает революционизировать медицину, сельское хозяйство и промышленность.
   9. Нанотехнологии и материаловедение: Создание наноматериалов с размером структурных единиц в интервале от 1 до 100 нм позволит резко улучшить их физические, прочностные и иные свойства; такие материалы будут все шире использоваться в промышленности, медицине и энергетике.

   Разработка наноматериалов резко ускорит прогресс в области создания более эффективных и мощных компьютеров, энергетических систем и медицинских устройств. Продвижения в области наноматериалов, наноэлектроники, наномедицины и нанороботов могут привести к созданию новых материалов и устройств с уникальными свойствами и функциональностью.

   1. Квантовые технологии: дальнейшее развитие квантовых компьютеров, квантовой криптографии, квантовой телепортации и других квантовых технологий может принести значительные изменения в области вычислений, коммуникаций и криптографии. Оно также приведет к созданию суперкомпьютеров, способных решать задачи, невыполнимые для современных классических ЭВМ, что позволит значительно ускорить исследования во всех областях науки.
   1. Цифровая революция и цифровые технологии: речь идет о внедрении цифровых технологий в различные сферы жизни. Это включает в себя ускоренное использование компьютеров, Интернета, мобильных устройств, искусственного интеллекта, Big Data, блокчейна и многих других инструментов и технологий для улучшения производительности, эффективности и доступности различных услуг и товаров. Цифровые технологии включают в себя программное обеспечение, аппаратное обеспечение и сетевые технологии, которые используются для сбора, обработки, хранения и передачи данных. Эти технологии оказывают глубокое воздействие на бизнес, образование, здравоохранение, общество в целом и другие сферы, улучшая процессы, расширяя возможности и влияя на способы взаимодействия и обмена информацией.
   2. Пространственные исследования: развитие космической технологии и исследований глубокого космоса может привести к открытию новых космических объектов, поиску жизни в космосе и возможности колонизации других миров.
   3. Синтез биологии и технологии: биоинженерия и технологии будут связаны вместе, что приведет к созданию биогибридных систем, где живые организмы взаимодействуют с искусственными устройствами для решения различных задач.
   4. Возобновляемые источники энергии: развитие технологий хранения энергии, энергетически эффективных материалов и возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, ветровая и приливная энергия, помогут снизить зависимость от ископаемых топлив и сократить выбросы углерода.
   5. Психология и нейронаука: с развитием методов нейроимиджинга, глубокого машинного обучения и понимания мозговых механизмов, психология и нейронаука могут привести к новым методам лечения психических расстройств и улучшению когнитивных способностей.
   6. Сокращение сроков между открытием и его практическим использованием: даже в прошлом веке открытие и его практическое использование нередко разделяли десятилетия. Но уже сегодня любое крупное открытие внедряется через два-три года. И этот процесс ускорения использования будет неуклонно продолжается...
   7. Этика и устойчивость: ученые будут все больше обращать внимание на этические аспекты своих исследований и на их воздействие на окружающую среду и общество в целом, стремясь к устойчивому и ответственному развитию.

   Приоритетными направлениями науки будущего должны также стать генетика, медицина, продление человеческой жизни, охрана природы, безотходные технологии, кибернетика, клонирование, биоинжиниринг, имплантация различных механизмов в живое тело — все эти инструменты уже сегодня позволяют человеку жить лучше и дольше. Следовательно, спрос на подобные процедуры модификации будет только расти, а значит, и инвестиции в такие проекты будут только увеличиваться.