В-третьих,
физика XX в. показала, что по мере углубления
наших знаний происходит постепенное
стирание граней, разрушение перегородок.
Так, стирается грань между корпускулярным
и волновым движениями, между веществом
и полем. Оказалось, что как вещество, так
и поле состоят из элементарных частиц
и, более того, пустота — это вовсе не пустота
в обычном понимании, а физический вакуум,
«наполненный» частицами. Нормой поведения
для частиц, рассматриваемых в современной
физике, являются взаимопревращения, поэтому
мир предстает перед нами как единое целое.
В этом мире понятие полностью изолированного
объекта по сути дела отсутствует.
В-четвертых,
современная физика подарила нам принцип
соответствия. Он возник в квантовой механике
на этапе ее начального развития, но затем
превратился в общий методологический
принцип, отражающий диалектику процесса
познания мира. Он демонстрирует важное
положение диалектики: процесс познания
— это процесс постепенного и бесконечного
приближения к абсолютной истине через
последовательность относительных истин.
Принцип соответствия показывает, как
именно в физике реализуется указанный
процесс приближения к истине. Это не механическое
добавление новых фактов к уже известным,
а процесс последовательного обобщения,
когда новое отрицает старое, но отрицает
не просто, а с удержанием всего того положительного,
что было накоплено в старом. Изучение
физики дает возможность показать, что
все физические представления и теории
отражают объективную реальность лишь
приближенно, что наши представления о
мире непрерывно углубляются и расширяются,
что процесс познания материального мира
бесконечен.
2. Нанотехнологии.
Одним из направлений современной физики
является развитие нанотехнологий («нано»
обозначает миллиардную долю чего-либо).
Нанотехнологии - это способы создания
наноразмерных структур, которые придают
материалам и устройствам полезные, а
иногда необыкновенные свойства. Нанометр
(нм) – это ничтожно малая величина, составляющая
одну миллиардную часть метра.
Впервые, еще в 400 г. д.н.э., задумался
о самых малых частицах, из
которых состоит вещество, греческий
философ Демокрит. Именно он ввел
понятие атом, что означает нераскалываемый.
В 1905 году великий Эйнштейн высказал
предположение, что размер молекулы
сахара составляет 1 нанометр. В 1931 году
немецкие физики создали электронный
микроскоп, который наконец-то позволил
увидеть человеку нанообъекты. В
1974 году японский физик Норио
Танигучи предлагает назвать
механизмы размером менее одного
микрона, словом нанотехнологии. В 1981
году германские физики создали
микроскоп, с помощью которого
удалось рассмотреть отдельные
атомы. В 1986 году футуролог Эрк
Дрекслер публикует книгу, в которой
предсказывает огромное будущее
нанотехнологиям. С тех пор нанотехногии
получили широкую общественную
огласку. В 1998 году голландский физик
Сеез Деккер находит уже практическое
применение нанообъектам. Он создает
транзистор на основе нанотехнологий.
Как наука нанотехнологии развиваются
очень стремительно. Трудно даже
предположить какие перспективы
открываются перед человечеством
благодаря нанотехнологиям. Например,
нанотехнология позволяет поместить частицу
лекарства в нанокапсулу и точно нацелить
её на поражённую болезнью клетку, не повредив
соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными
нанометровыми каналами, которые пропускают
воду, но слишком тесны для примесей и
микробов, – тоже продукт нанотехнологий.
В лабораториях нанотехнологов испытываются
суперматериалы – волокна из нанотрубок,
которые в тысячи раз прочнее стали. В
современном мобильном телефоне немало
материалов и устройств, созданных с помощью
нанотехнологий. Эти материалы отталкивают
грязь, воду и масло, позволяют создать
новые миниатюрные зарядные устройства
и т. д.
Нанотехнологии открывают большие перспективы
при разработке новых материалов, совершенствовании
связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники,
энергетики и вооружений. Среди наиболее
вероятных научных прорывов эксперты
называют увеличение производительности
компьютеров (фото), восстановление человеческих
органов с использованием вновь воссозданной
ткани, получение новых материалов напрямую
из заданных атомов и молекул и появление
новых открытий в химии и физике, способных
оказать революционное воздействие на
развитие цивилизации.
Нанотехнологии привлекают специалистов-оборонщиков,
которые стремятся найти им применение
в военном деле. Военные рассчитывают,
что созданные на основе нанотехнологий
боевая техника и вооружения коренным
образом изменят характер ведения боевых
действий. Одним из направлений применения
нанотехнологий в военном деле является
разработка так называемой «мягкой брони»,
которая может быть применена для изготовления
экипировки солдата будущего (рис.). Такая
броня сможет принять неограниченное
количество пуль, в то время как современные
бронежилеты после попадания определенного
количества пуль приходят в негодность.
Рис. Костюм
солдата будущего
Для того
чтобы сделать костюм толщиной в несколько
миллиметров достаточно прочным, в нем
предполагается использовать решение,
подсмотренное в живой природе, а именно
структуру паутины. В настоящее время
созданы нановолокна из полиуретана диаметром
около 100 нм, которые структурно похожи
на обычную паутину, только гибче, легче
и жестче настоящей. Жесткость костюму
будут обеспечивать наночастицы, присоединяющиеся
к определенным участкам волокон, соединяя
их между собой.
Костюм
солдата будущего будет настоящим произведением
технической мысли: все жизненно важные
параметры солдата (пульс, кровяное давление,
энцефалограмма, температура тела и др.)
будут измеряться встроенными в костюм
датчиками. Состояние солдата будет выведено
как на проектор на шлеме, так и на медицинский
компьютер. Ряд полимерных линейных приводов
(актюаторов), из которых будет состоять
костюм, по сигналу от «медицинского»
компьютера будет делать определенные
его участки жестче или мягче. Если, например,
солдат сломает ногу, местный экзоскелет
позволит захватить ее в искусственные
шины, сформированные тканью костюма.
По словам конструкторов, специально сконструированные
наномашины-усилители, входящие в состав
экзоскелета брони, смогут увеличить силу
солдата на 300%.
Костюм
будет способен распознавать химическую
или биологическую атаку. Для этого уже
создан чип, на котором содержится около
1,5 миллиона живых клеток человеческой
печени, чувствительной, как известно,
к различным вирусам и ядам. Чип представляет
собой две ультратонкие пластины из кремния,
разделенные рядом микроканалов и расположенные
специальным образом на костюме. Как только
к клеткам поступят вещества, вредные
для человека, они выработают определенный
химический ответ, который будет интерпретирован
«медицинским» компьютером, и солдат получит
сообщение об опасности. Это позволит
ему защититься от химической или биологической
атаки раньше, чем она станет смертоносной.
В 2008 году
Джон Баркер, профессор Центра исследований
в области наноэлектроники в Глазго, заявил,
что вместе с коллегами ему удалось создать
математическую модель собирания кибернетических
микроустройств в стаи. Большинство частиц
могут «разговаривать» только с ближайшими
соседями, но, когда их много, они могут
«общаться» на больших расстояниях, Собранные
в одном месте тысячи роботов образуют
ударную группу, готовую действовать по
воле человека. По мнению американских
военных, ее можно применять, например,
для поражения танков противника: «облако»
микророботов, несущих заряд, окутывает
бронированную машину и взрывается. Такое
«облако» может использоваться и в интересах
разведки. Сценарий здесь может быть таким.
Распыленное в окрестностях важного объекта
«облако» незаметно перемещается в его
сторону. Попутно выбираются оптимальные
места для размещения «субоблачков». «Облако»
видеонаблюдения, каждая «пылинка» которого
представляет собой отдельный пиксель
матрицы с интерфейсом связи с соседями,
стремится занять лучшую позицию для большего
обзора пространства. «Жучки» или, возможно,
«мошки» устанавливают контроль за звуками.
Самая сложная часть – передача информации
в штаб разведки – в ближайшее время вряд
ли сможет обойтись без засылки агента
с устройством (рис.).
Рис. Оружие
будущих войн
Перспективным
направлением применения нанотехнологии
в военном деле считается создание новых
материалов для боевой техники и оружия.
Например, военные машины предполагают
оснастить специальной «электромеханической
краской», которая позволит менять им
цвет, а также предотвратит коррозию и
сможет «затягивать» мелкие повреждения
на корпусе машины. «Краска» будет состоять
из большого количества наномеханизмов,
которые позволят выполнять все вышеперечисленные
функции. Также с помощью системы оптических
матриц, которые будут отдельными наномашинами
в «краске», исследователи хотят добиться
эффекта невидимости машины или самолета. Таким образом,
на сегодняшний день основные усилия военных
нанотехнологов направлены на поиск новых
материалов, улучшение систем управления
боевой техникой, создание самовосстанавливающихся
систем, обеспечение связи и разработку
защиты от бактериологического и химического
оружия.
Использование нанотехнологий позволит
в будущем решить ряд наиболее значимых
для человечества проблем. Одна из них
– обеспечение мировых энергетических
потребностей. Согласно прогнозам, спрос
на электроэнергию к 2025 году вырастет
на 50%. Использование ископаемого топлива
растёт и может удвоиться в ближайшее
время. С учётом имеющихся запасов природного
топлива эта проблема будет с каждым годом
только усугубляться. Предполагается,
что нанотехнологии позволят решить энергетические
проблемы посредством применения более
эффективного освещения, топливных элементов,
водородных аккумуляторов, солнечных
элементов, распределения источников
энергии и децентрализации производства
и хранения энергии за счёт качественного
обновления электроэнергетической системы,
так сказать, «на нано-уровне».
Некоторые интересных
факты о нанотехнологиях:
1. Нанотехнологии остаются определенной
загадкой, мы их не видим и, следовательно,
не ощущаем. Ученые говорят, что медицина
будущего будет полностью построена на
их основе, но как-то странно думать о том,
что нанометры непонятно чего спасут человеку
жизнь.
Нанотехнологии нашли свое
место в потребительском секторе, в лекарствах,
в еде и других сферах. Становится все
труднее отслеживать нелегальное использование
нанотехнологий. И по правде говоря, их
потенциал еще далек от желаемого уровня.
В лабораториях и на бумаге — сплошные
прорывы, но на рынок попадают только очень
немногие формы нанотехнологий.
Медицина представляет собой
самую захватывающую область для применения
нанотехнологий. Многие методы лечения
рака, которые разрабатываются в данный
момент, построены на борьбе с опухолью
на клеточном уровне. Исследователи показывают
весьма многообещающие результаты использования
наночастиц золота в лечении разных типов
рака. Частицы отправляются прямиком в
раковые клетки и нагреваются с помощью
инфракрасного луча.
Доставка наночастиц представляет
собой самую большую проблему, связанную
с применением их в медицине. Нужно доставить
наночастицы в пораженные клетки, не повредив
здоровые. Как только система доставки
определится (что уже нелегко само по себе),
частицы должны помочь создать ряд новых
неинвазивных методов лечения, которые
справляются с опухолью без хирургической
травмы.
Одним из решений доставки наночастиц
могут быть крошечные золотые звезды,
которые разрабатываются в Северо-западном
университете. Звездчатые частицы покрываются
препаратом под названием ДНК-аптамер
(молекула ДНК, которая может прикрепляться
к нужным молекулярным мишеням). Нанозвезды
ориентируются на протеины в раковых клетках.
Протеины услужливо доставляют звездочки
к ядру, и как только они прикрепляются
к цели, выстрел из лазера высвобождает
лекарство из нанозвезды, и оно начинает
свое лечение ядра. У клетки не остается
шансов.
Каким бы ни был механизм доставки,
нанотехнологии могут позволить докторам
остановить рак мозга без физического
вмешательства в череп пациента, или излечить
рак легких без необходимости вскрывать
чью-либо грудную клетку.
2. Вне зависимости от того, какой
тип компьютера или устройства вы используете
для чтения этой статьи, вероятнее всего
вы имеете дело с нанотехнологиями. Процессоры
и компоненты памяти сделаны с использованием
наноматериалов, которых полно на рынке,
а на клавиатурах и мышках можно найти
антимикробное покрытие.
В ближайшем будущем мы вполне
можем увидеть фотонные кристаллы, которые
облегчат нам чтение с экранов планшетов
в дневное время, изменяя цвет отраженного
солнечного света, а не полагаясь на свет,
излучаемый устройством. Органические
светоизлучающие диоды уже стоят в очереди,
чтобы наверняка заменить ЖК-дисплеи
в качестве универсального стандарта
экранов смартфонов. Кроме того, тонкий
слой наночастиц будет простым решением
по защите смартфона от смерти от случайного
падения в воду.
Совсем скоро электроника будет
работать в три раза дольше на одном заряде
только потому, что крошечные волоски
в виде нитевидных нанокристаллов будут
встроены в батареи. Графеновые батареи
вполне решат проблему зарядки смартфонов, а ведь
графен — это прямое следствие исследования
нанотехнологий.
3. С начала 2000 годов индустрия
моды заинтересовалась нанотехнологиями.
И несмотря на то, что общественность не
особо заинтересовалась возможностью
зарядки смартфонов прямо от футболок,
это направление тоже развивается. Идея
пьезоэлектрических генераторов не лишена
смысла. Представьте себе палатку, которая
могла бы генерировать электричество
из малейших дуновений ветра, чтобы можно
было зарядить свой фонарик. А как насчет
лодки, которая получала бы электричество
из каждого лоскутка своего паруса? Нанотехнологии,
вшитые в ткань, обретают смысл.
Тем не менее, не все идеи использования
нанотехнологий были хорошо приняты. Много
вопросов и негодования породили предложения
использовать наночастицы для уничтожения
бактерий, вызывающих неприятный запах
одежды. Дизайнеры спортивной одежды поспешили
с внедрением этого метода, как вдруг обнаружили,
что частицы наносеребра убивают не только
вредные, но и полезные бактерии (а потому
не могут быть использованы при очищении
воды, например), а также вызывает врожденные
дефекты у рыб и других организмов.
В конце 2011 года Агентство по
охране окружающей среды США (EPA) разрешило
использовать продукты с наносеребром,
только если их безопасность не вызывает
сомнений — решение, которое стало следствием
направленного возмущения общественности.
3. На протяжении многих лет
текстильная промышленность пыталась
разработать водонепроницаемые ткани.
Но получилось это только тогда, когда
они стали использовать нитевидные кристаллы.
Если вы когда-либо видели, как капли дождя
стекают по цветку лотоса — это работа
природных нитевидных кристаллов. Лист
покрыт нановолосками, которые поддерживают
капли воды, не позволяя им впитываться
или смачивать поверхность листка. Добавив
нанотрубки в волокна одежды, производители
могут создавать коттон, шерсть или синтетическую
ткань, которая не впитывает воду.
Изучая пальцы гекконов, исследователи
выяснили, что каждый палец существа покрыт
нановолосками, которые настолько малы
и многочисленны, что используют силу
Ван-дер-Ваальса (межмолекулярного сцепления),
чтобы удерживаться на гладкой поверхности.
Биолог Р.Фулл вместе с другими инженерами
воспроизвели механизм пальцев геккона
в виде лапок, которые позволили альпинисту
лазать по зданиям.
Важным уроком здесь выступает
то, что мы только-только приступили к
изучению нанотехнологий, которые давно
используются в живой природе. Теперь
нужно научиться делать продукты, которые
дополняют живой мир, а не повреждают его.