Научные и технологические перспективы первой половины XXI века

Единственное, чему научила меня моя долгая жизнь: что вся наша наука перед лицом реальности выглядит примитивно и по-детски наивно – и всё же это самое ценное, что у нас есть.

А. Эйнштейн

В этом пункте следует разделить технологии и связанные с ними прикладные исследования и фундаментальную науку.

Сложность динамики общества связана с тем, что в его развитии существенную роль играют процессы, разворачивающиеся на разных характерных временах. На глобальные демографические перемены, о которых речь шла выше, накладываются циклы технологического обновления. В начале XX века выдающийся экономист Николай Дмитриевич Кондратьев показал, что хозяйство стран-лидеров развивается длинными волнами продолжительностью 45-50 лет. На основе развитой теории была предсказана Великая депрессия 1929 года, сыгравшая огромную роль в истории XX века.

Развивая эти идеи, академики Д.С. Львов и С.Ю. Глазьев разработали теорию глобальных технологических укладов (ГТУ), дающую новый взгляд на макроэкономику и долгосрочное прогнозирование технологического развития.

При переходе между укладами ключевую роль играют некоторые изобретатели, меняющие облик экономики, а с ней и мира в целом, а также научные достижения, сделавшие эти нововведения возможными. При переходе от первого ко второму укладу — это паровой двигатель и термодинамика, от второго к третьему – электродвигатель и электродинамика, от третьего к четвёртому – атомная энергия и ядерная физика, от четвёртого к пятому – компьютеры и квантовая механика.

Происходящая в настоящее время смена общественно-экономических формаций кардинально меняет и структуру перспективного технологического уклада. Его основу составят фундаментальные исследования, а ядро – технологические секторы, представляющие собой совокупность технологий, ориентированных на приоритеты социально-экономического развития России и базирующихся на результатах фундаментальных исследований (рис. 7).

Заметим, что и ключевое изобретение, и основополагающая научная теория для данного технологического уклада создаётся в ходе развития предыдущего, иногда за 50 лет до того, как они меняют мир.

Ещё Н.Д. Кондратьев считал, что именно переходы между укладами являются причинами финансово-экономических кризисов, войн и революций. Это и есть одна из тех неравномерностей в развитии мировой системы, о которых писали классики марксизма. В самом деле, переход к следующему укладу – это пересдача карт Истории – возможность создать и захватить новые рынки, разработать новые типы оружия, изменить облик войны и конкуренции. И, конечно, геополитические субъекты не упускают шанс поучаствовать в этой «гонке нововведений».

Где же находится мир сейчас? В кризисе, на пути в новый технологический уклад. Локомотивными отраслями последнего, вокруг которых будет строиться вся остальная промышленность, могут стать биотехнологии, нанотехнологии, новое природопользование, новая медицина, робототехника, высокие гуманитарные технологии (позволяющие наиболее эффективно развивать потенциал отдельных людей и коллективов), полномасштабные технологии виртуальной реальности.

Рис. 7.

Мировой финансово-экономический кризис 2008-2009 годов и его последующие волны с системной точки зрения связаны с тем, что отрасли пятого технологического уклада уже не дают прежней отдачи, а отрасли шестого ещё не готовы к вложению гигантских средств, имеющихся в мире.

Технологические прогнозы выполняют роль ориентиров, точек сборки, усилий многих и????организаций. На их основе предприниматели судят о запросах государства, чиновники — о приоритетах развития, военные и инженеры — о будущих возможностях, университеты — о потребностях специалистов. Пример одного из обобщённых прогнозов, составленного несколько лет назад, представлен на рис. 8 [9]. Разумеется, это не значит, что перечисленные достижения будут получены именно в эти сроки, однако в будущее легче двигаться, имея подобный компас, чем без него. К сожалению, сейчас в России подобная работа всерьёз ведётся только отдельными энтузиастами.

2010-2020-е	Около 2012-го	Гибридная электростанция на основе топливных элементов и газовых турбин с КПД свыше 60%
	Около 2015-го	Коммерческие высокотемпературные сверхпроводящие кабели. Телемедицина
	Около 2018-го	Практические методики квантового шифрования
	Ближе к 2020-му	Автомобили без управления человеком
2020-2030-е	2020-2025-е	Квантовые компьютеры Лечение онкологических заболеваний
	2022-й плюс-минус 5 лет	Выращивание и замена искусственных человеческих органов
	Около 2025-го	Эффективные технологии опреснения воды
	2025-2027-е	Массовая коммерческая эксплуатация поездов на магнитной подушке
2030-2040-е	Ближе к 2030-му	Гиперзвуковой самолёт
	2030-й	Достижения положительной энергии на термоядерных установках
	2030-е	Водородные технологии
	Около 2032-го	Лунная колония
	Около 2037-го	Полёт на Марс
	Ближе к 2040-му	Средняя продолжительность жизни больше 120 лет

Рис. 8. Технологический прогноз на первую половину XXI века.

Кроме того, развитие науки и технологий не только прогнозируют в странах-лидерах, его планируют и направляют. Яркий пример – Национальная нанотехнологическая инициатива, обоснованная более чем 150 экспертами и доложенная Конгрессу США нобелевским лауреатом Ричардом Смолли (одним из авторов открытия фуллерена С₆₀).

Эта инициатива была выдвинута президентом Б. Клинтоном и одобрена конгрессом в 2000 г [10]. К сожалению, уровень проработки, организация и полученные результаты реализации аналогичной инициативы в России разительным образом отличаются от полученных в США и ряде других стран [11].

Будучи реалистами, мы можем предположить возможность прорывов именно в тех областях мирового технологического пространства, где наиболее велики заделы и очень быстро происходят изменения. Таких сфер три.

В 1960-е годы один из основателей фирмы Intel Гордон Мур обратил внимание на следующую закономерность в развитии вычислительной техники: каждые два года степень интеграции элементов на кристалле удваивается, а с ней растёт и быстродействие компьютеров. Эта закономерность, получившая название «закона Мура», действует уже более полувека (рис. 9). Нынешние компьютеры считают в 250 миллиардов раз быстрее, чем первые вычислительные машины. Ни одна технология до этого не развивалась в таком темпе.

Рис. 9. Закон Мура.

В технологическом развитии известен эффект, иногда называемый успехом по касательной. Его обычно иллюстрируют примером из истории железных дорог США. Во время железнодорожного бума в этой стране наибольшие выгоды и дивиденды достались не тем, кто производил паровозы, и не тем, кто строил железные дороги, а… фермерам, получившим возможность подвозить зерно из американской глубинки в крупные города. По-видимому, и в современной компьютерной индустрии в обозримом будущем нас ждёт «успех по касательной» и неожиданные приложения, которые могут наполнить нынешнее инновационное движение в этой сфере новым смыслом.

Другая область, в которой происходит технологический прорыв, связана с расшифровкой генома человека. Основной массив фундаментальных знаний, который привёл к взрывному технологическому росту, был получен в ходе выполнения программы «Геном человека» (на которую в США было затрачено 3,8 млрд долларов).

В ходе выполнения этой программы стоимость расшифровки генома уменьшилась в 20 000 раз [12] (рис. 10).

Рис. 10. Стоимость расшифровки генома человека по годам.

Создание отрасли индустрии, выросшей около этого научного и технологического достижения, уже очень существенно повлияло на систему здравоохранения, фармацевтику, сельское хозяйство, оборонный комплекс. В США ежегодно подвергаются аресту 14 миллионов человек, у них берутся пробы ДНК, которые затем вносятся в базу данных. К этой базе потом криминалисты обращаются при поиске преступников...

Достижения, связанные с проектом «Геном человека», стали фактором геоэкономики и геополитики. В феврале 2013 года Барак Обама в обращении к согражданам заявил: «Настало время выйти на новый уровень исследований и разработок, невиданный с момента космической гонки… Сейчас не время потрошить инвестиции в науку и инновации… Каждый доллар, который мы вложили в создание карты человеческого генома, вернул 140 долларов в нашу экономику – каждый доллар!»

Ещё одно поле перспективных технологий и прикладных исследований можно охарактеризовать словами междисциплинарность и самоорганизация. Именно эти два понятия отличают перспективный технологический уклад от предыдущих. До 1970-х годов и наука, и технологии, и организации двигались в основном в сторону все большей специализации (дисциплинарная организация науки, отраслевое управление промышленностью и т.д.).

Однако затем ситуация стала стремительно меняться – одни и те же принципы и технологии оказались универсальными, применимыми для решения огромного количества разных задач. Классический пример – лазер, с помощью которого можно резать сталь и сваривать роговицу глаза. Другой пример технологии, сфера применения которой стремительно растёт, – методы адитивного производства (трёхмерная печать, 3D принтеры). С её помощью сейчас «печатают» пистолеты вместе с патронами, дома, форсажные камеры и даже протезы конечностей [13].

С другой стороны, во многих случаях решения научных и технологических проблем изначально ищутся на стыке нескольких подходов. Так, во всём мире реализуются нанотехнологические инициативы, которые направлены на развитие всего блока наноинфобиокогнитивных (NBIC – NanoBioInfoCognito) технологий. Однако последнее десятилетие показало, что и этого недостаточно, что к этому синтезу надо добавить и социальные технологии (SCBIN – SocioCognitoInfoBioNano). Простейшие примеры – роботизированные биотехнологические лаборатории, в которых анализы и исследования делают роботы (лаборатория работает под лозунгом «Люди должны думать. Машины должны работать»). В телемедицине появилась возможность использовать роботов для хирургических операций и проводить их в ситуации, когда врач находится в тысячах километров от больного.

Философия техники активно развивалась в XX веке [14], однако бурное, во многом парадоксальное развитие технологий во второй половине XX и в XXI веке позволяет говорить об экологии технологий. Последние развиваются, взаимодействуют, поддерживают и вытесняют друг друга, порой «закрывают» прежние способы производства или организации. Наряду с классической дарвиновской эволюцией, в основе которой лежит триада наследственность – изменчивость – отбор, здесь в игру вступают цели развития, социальная и экономическая целесообразность, управление рисками, фундаментальные физические ограничения и пределы способностей самого человека [15].

В XIX веке господствовала иллюзия огромных возможностей организации, как в социальном пространстве, так и в области технологий. Но данные психологии говорят о том, что человек в состоянии следить только за 5-7 величинами, медленно меняющимися во времени. Он может, принимая решение, учитывать только 5-7 факторов. Наконец, активно, творчески он может взаимодействовать лишь с 5-7 людьми (с остальными опосредованно или стереотипно). И это накладывает очень серьёзные ограничения на организации, которые мы можем создавать, и на задачи, которые с их помощью могут решаться.

Главная идея нанотехнологий – как её сформулировал нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1959 году – состоит в том, чтобы делать совершенные материалы, не имеющие дефектов на атомном уровне, что придаёт им удивительные свойства. (Например, углеродные нанотрубки в 6 раз легче и в 100 раз прочнее стали; аэрогели – прекрасные теплоизоляторы – в 500 раз легче воды и всего вдвое тяжелее воздуха.) Сейчас учёные научились манипулировать отдельными атомами (например, можно выложить поздравление атомами ксенона на монокристалле никеля и увидеть его).

Но если речь идёт о создании материалов, то число атомов, которые должны стоять на своих местах, должно быть сравнимо с числом Авогадро . И организовывая их, размещая их «сверху вниз», от макроуровня к микроуровню, сделать это невозможно. (Потребуется больше времени, чем существует вселенная.)

Как же быть? Ответ и главная надежда в обоих случаях одна. Это самоорганизация. Нам нужно научиться двигаться не «сверху вниз», а «снизу вверх», – создавать такие условия, при которых атомы сами займут те положения, в которых мы хотим их видеть. И в некоторых случаях это удаётся сделать!

Однако чтобы следовать эти идеям, надо очень хорошо представлять механизмы самоорганизации и соответствующие модели (чтобы получать именно то, что хотим). Именно поэтому теория самоорганизации, или синергетика (от греческого – «совместное действие»), всё чаще рассматривается как ключ к новым технологиям [16].

В том, что касается фундаментальных исследований, степень неопределённости гораздо выше, чем в пространстве технологий. Однако и здесь можно выделить ряд векторов, определяющих наиболее вероятные области научных прорывов.

Чтобы заглянуть в будущее, представить, чем будут заниматься учёные в ближайшие 20-30 лет, в какие направления будут вкладываться главные усилия, можно посмотреть среднюю цитируемость работ в различных областях знания в настоящее время. Цитируемость статей показывает, насколько большими и активными являются сообщества, работающие в различных научных дисциплинах.

Со школьных времён у большинства остаётся представление, что математика – самый большой и сложный предмет, физика и химия примерно в два раза меньше и проще, а биология в два раза меньше и проще физики и химии.

Однако «взрослая наука» выглядит сегодня совершенно иначе (рис. 11) [17]. Возьмём «наследниц» школьной биологии – молекулярную биологию и генетику (цитируемость 20,48), биологию и биохимию (16,09), микробиологию (14,11), фармацевтику с токсикологией (11,34) – они в 12 раз превосходят физику (8,45), в 8 раз химию (10,16) и в 27 – математику (3,15) или информатику (3,32).

Рис. 11. Научные приоритеты в естественных науках в России и в мире.

Интересно сравнение приоритетов отечественной и мировой науки (Россия / мир). Вероятно, XXI век будет веком человека. Развитие возможностей и способностей людей и коллективов станет магистральным направлением прогресса. С ним будут связаны и главные возможности, и основные угрозы, поэтому весьма показателен перечень «аутсайдеров» научного пространства России, в которых отрыв от мирового уровня по показателю цитируемости статей особенно велик. Это общественные науки (1,02 / 4,23), а также психология и психиатрия (2,54 / 10,23). Здесь мы отстали от мировых показателей вчетверо. И завершают список междисциплинарные исследования, где отставание становится пятикратным.

Многие специалисты, прогнозирующие будущее науки, обращают внимание на крутой поворот, который происходит в развитии научного знания на наших глазах [18]. Можно предположить, что организация цели и идеалы науки XXI века будут очень сильно отличаться и от классических, и от современных (неклассических образцов).

Книга Джонатана Свифта (1667-1745) – писателя, общественного деятеля, мыслителя, работавшего в жанре фантастической сатиры, современника Исаака Ньютона, – «Путешествия в некоторые отдалённые страны света Лемюэля Гулливера, сначала хирурга, а потом капитана нескольких кораблей», – определила два главных направления развития естественных наук. Во-первых, это «путешествие к лилипутам», в мир микромасштабов. На этом пути появились молекулярная и атомная физика, квантовая механика, ядерная физика, теория элементарных частиц. Во-вторых, это «путешествие к великанам», в мир мегамасштабов, в космос, к далёким галактикам, к астрофизике и космологии.

Заметим, что здесь противоположности сходятся – сегодня исследования вещества на сверхмалых и сверхбольших масштабах смыкаются друг с другом.

Действительно, вынесенные в космическое пространство телескопы "Хаббл" и "Кеплер" позволили открыть сотни различных планет, вращающихся вокруг звёзд, находящихся на огромных расстояниях от нас. Эти инструменты показали, что для объяснения наблюдаемой картины эволюции вселенной необходимо вводить представление о тёмной материи и тёмной энергии, на долю которых приходится от 80 до 95% вещества космоса.

Вернёмся к аналогии с Гулливером. Насколько важны для него оказались знания, полученные у лилипутов и великанов? У человечества есть свои характерные размеры, на которых разворачиваются наиболее важные для него процессы. Сверху они ограничены диаметром Солнечной системы, снизу – ядерными масштабами (~10^{-15 см).}

Путь, начавшийся с Демокрита, ведущий вглубь, к анализу всё более мелких составляющих материи, по-видимому, завершается. «Анализ» в переводе с греческого – «дробление, расчленение». И, приступая к нему, исследователи обычно держат в сознании следующую стадию – синтез, выяснение механизмов и результатов взаимодействия между изученными сущностями и, в конечном счете, самоорганизацию, коллективные явления – самопроизвольное возникновение упорядоченности на следующем уровне организации.

Видимо, здесь область нашего незнания особенно близка, а перспективы наиболее впечатляющи.

Двадцать лет назад были, без претензий на полноту, сформулированы три сверхзадачи науки XXI века, которые будут, вероятно, порождать исследовательские программы и представлять, используя терминологию А. Эйнштейна, сочетание «внутреннего совершенства» (следование внутренней логике развития научного знания) и «внешнего оправдания» (социального заказа, ожиданий общества) [19]. Обратим внимание на них.

Теория управления рисками. Важнейшим условием успешного управления является карта угроз для объекта управления. Роль науки здесь огромна. Новейшая история, множество событий XXI века показали, что при высоком темпе социально-экономических и технологических перемен управляющие воздействия приводили к совершенно иным результатам, чем планировалось.

Нейронаука. Одна из главных научных загадок, ответ на которую, вероятно, будет дан в XXI веке, – это понимание тайны сознания и принципов функционирования мозга. В самом деле мозг является загадкой в технологическом смысле – скорость переключения триггера в микросхеме в миллион раз меньше, чем скорость срабатывания нейрона в мозге. Информация в нервной системе передается в миллион раз медленнее, чем в компьютере. Это означает, что принципы работы мозга кардинально отличаются от тех, на основе которых построены существующие вычислительные машины [20].

Чтобы прояснить эти и многие другие вопросы, связанные с нейронаукой, в 2013 году в США был начат большой исследовательский проект «Картирование мозга», рассчитанный на 10 лет с бюджетом более 3 миллиардов долларов. Цель проекта, – используя нанотехнологии, томографы нового поколения, компьютерные реконструкции и модели, — выяснить структуру мозга и динамику протекающих в нём процессов. Аналогичный проект начинается в Европейском сообществе.

Третья задача – построение математической истории, включая модели мировой динамики. Эта исследовательская программа была выдвинута С.П. Капицей, С.П. Курдюмовым и Г.Г. Малинецким в 1996 году. Ее реализация подразумевает следующее:

· полномасштабное математическое моделирование исторических процессов с учётом появившихся компьютерных технологий и больших баз данных, касающихся настоящего и прошлого человечества;

· анализ на этой основе альтернатив исторического развития, подобно тому, как это делается в точных науках, где теории и модели позволяют спрогнозировать ход процессов при различных параметрах, начальных и краевых условиях (при этом у истории появляется сослагательное наклонение);

· построение на основе этих моделей алгоритмов исторического и стратегического прогноза (при этом у истории появляется и повелительное наклонение).

Большинство научных дисциплин прошли последовательность этапов: описание – классификация – концептуальное моделирование и качественный анализ – математическое моделирование и количественный анализ – прогноз. Вероятно, в XXI веке историческая наука (опираясь на свои достижения, результаты других дисциплин и компьютерного моделирования) выйдет на уровень прогноза.

Следуя идеям В.И. Вернадского, прозорливо предвидевшего возможности и угрозы XX века, человечеству с течением времени придётся всё в большей степени брать на себя ответственность за планету и за своё развитие. И здесь без математической истории не обойтись. Это понимание появляется у всё большего количества исследователей [21].