Прогноз развития науки и техники в 21-м столетии

Первое десятилетие (2000 - 2010 гг.)

Расшифровка генома десятков людей. Создание общедоступных баз данных генетических текстов человека. Бурное развитие сравнительной генетики человека. Работа по сопоставлению отдельных генов и их групп и кодируемых ими признаков. Определение основных групп генов, отвечающих за синтез важнейших белков человеческого организма. Создание нового класса лекарственных препаратов, направленных на нормализацию генов. Критический анализ человеческого генофонда. Теоретические основы оптимизации генома человека. Компьютерная модель «эталонного» генома человека. Совершенствование генетического оружия. Начало реализации глобальной программы «Белок человека». Первые компьютерные модели эталонных геномов сельскохозяйственных растений. Влияние технологий «компьютерной селекции» на перспективы фермерства в мире. Выращивание эталонных сельскохозяйственных растений и животных. Расцвет комбинаторной химии и применение ее в фармацевтике. Обновление ассортимента лекарственных препаратов. Теоретические основы конструирования молекул с заданными свойствами. Разработка и использование катализаторов специального назначения. Необходимость моделирования химических реакций на квантовом уровне. Использование нанотрубок при создании электронных устройств. Миниатюризация, увеличение мощности персональных и профессиональных компьютеров. Получение первых объемных микросхем при помощи технологий молекулярной сборки. Становление индустрии молекулярных роботов. Увеличение инвестиций в науку и в наукоемкие отрасли промышленности. Первые системы объемной компьютерной визуализации. Перспективы компьютерного моделирования. Начало реализации проекта «единое пространство виртуального моделирования». Начало внедрения робототехники в быт человека. Создание первых образцов носимых электронных переводчиков. Создание и применение первых компьютерных судебных программ.

После своего триумфа на рубеже столетий, впрочем, давно ожидаемого, и как следствие успешной расшифровки человеческого генома, для генетики и многих сопутствующих наук начался золотой век. В первую очередь это выразилось в увеличении финансирования теоретических и прикладных научных исследований со стороны частного капитала, который являлся барометром перспективности новых начинаний в науке, и безошибочно определял время начала их финансирования. Успешная расшифровка генома человека обозначила тенденцию к смещению приоритетов в развитии науки и техники в сторону биотехнологий и конструирования организмов с заданными свойствами. Почувствовав важность текущего момента, когда в считанные месяцы и годы могли быть заложены фундаменты будущих финансовых империй, частный капитал начал массированное движение в перспективную научную нишу. Десятки тысяч различных по уровню развития, специализации и финансовым возможностям компаний с энтузиазмом взялись за финансирование исследований, сулящих сверхприбыль в скором будущем. Сотни тысяч ученых, менеджеров, финансистов, политиков и просто подвижников от бизнеса включились в новое дело.

В короткий срок на взрывное развитие генетики отреагировали другие самостоятельные отрасли науки и производства. Вскоре на мировой рынок были представлены сверхмощные компьютеры, сверхчистые реактивы, специальное программное обеспечение и совершенное лабораторное оборудование. Не остались в стороне также и официальные научные учреждения большинства стран мира. Крупнейшие государства, стремясь сохранить контроль над развитием стратегических направлений науки, техники и производства не скупились на финансирование перспективных разработок. Во многих странах были приняты официальные и тайные программы научных исследований, соответствующие приоритетам государственной политики и экономическому потенциалу. Начинался новый этап технологического отрыва стран с высоким уровнем развития науки от стран, имеющих более слабый научный и промышленный потенциал. Новые технологии порождали новые технологии.

И хотя в большинстве случаев каждая научная и исследовательская группа работала в режиме государственной или коммерческой тайны, все же можно было говорить о коллективной общечеловеческой атаке на тайны эволюции человека, скрытые в наследственной информации. Подобного массированного натиска не могла выдержать ни одна проблема. И проблема начала сдаваться, открывая тайну за тайной.

Первым делом появились результаты расшифровки генома десятков различных людей. При этом объектами исследований становились люди, имеющие замечательные, редкие и аномальные морфологические признаки. Именно понимание механизма реализации аномалий и индивидуальных отличий имело огромную практическую ценность для изучения человеческого генома. Большое внимание уделялось изучению и анализу наследственного материала представителей малочисленных народностей, групп локального либо изолированного проживания, а также индивидуумов, выделяющихся необычными врожденными способностями и признаками. При последующем анализе полученной информации значительное внимание уделялось таким характеристикам как возраст человека, его профессиональный выбор, наличие наследственных заболеваний и многим другим. Год от года все более совершенствующая технология расшифровки генетических тестов человека способствовала постоянному удешевлению исследований человеческого генома, и расширению сферы практического применения новых возможностей. В это же время на серверах ведущих научных центров мира под давлением общественных организаций и отдельных ученых и политиков были созданы общедоступные базы данных, содержащие информацию о генетических текстах человека.

В середине десятилетия из генетики человека органично выделилась и стала отдельной дисциплиной сравнительная генетика человека. Сравнительный анализ и статистическая обработка получаемых данных позволяли делать важные заключения, сопоставляя гены человека и кодируемые ими признаки. Математические методы обработки позволяли с большой точностью сопоставлять отдельные гены и группы генов с определяемыми ими признаками. Используя общедоступную информацию, даже без понимания механизмов реализации кодируемых генами признаков, исключительно на основе корреляций и прямых сопоставлений, учеными разных стран было сделано множество открытий.

Во-первых, в основном были определены гены и группы генов, ответственные за синтез различных белков в человеческом организме. Во-вторых, в основном были определены группы генов, несущие информацию о взаимосвязях во времени синтезируемых белков между собой в процессе развития организма. В-третьих, была определена группа генов с неясными функциями.

Практическим применением полученных данных стали четкие рекомендации для большинства людей, касающиеся занятий профессиональной деятельностью, выбора места проживания и образа жизни. Полученная в результате укрупненного анализа собственного генома информация позволяла конкретному человеку жить дольше, насыщеннее и безопаснее, накладывая на одни жизненные предпочтения жесткие ограничения, и поощряя другие, благоприятные и полезные. Словом появился новый консультант по здоровому образу жизни – собственный геном индивидуума.

Некоторые открытия получили чрезвычайно быстрое распространение и применение. Так создание общедоступных баз данных генетических текстов, ответственных за наличие либо отсутствие наследственных заболеваний, способствовало выявлению сотен новых мишеней в человеческом организме для терапевтического воздействия на генном уровне. Как оказалось, подавляющее большинство наследственных заболеваний могло быть излечено путем нормализации работы отдельного гена или группы генов в функциональных клетках человеческого организма. Общая направленность на нормализацию функций больных генов непосредственно в организме человека могла быть реализована в теории двумя основными способами.

Первый – это возобновление функции дефектного гена путем исправления его, разблокирования, дополнения недостающей частью, либо замены целостным работающим геном, и т.п.

Второй способ лечения генетических заболеваний – это путь ингибирования, угнетения вредной функции больного гена. Этот способ мог быть реализован через разрушение гена, его исправление, дополнение гена нейтрализующей частью, деактивацией другими средствами и т.п.

Расцвет комбинаторной химии, повлекший за собой фармацевтический

взрыв, в совокупности с достижениями генетики привел к созданию более сотни

новых лекарств, позволяющих нормализовать работу дефектных генов и эффективно излечивать многие наследственные заболевания. Параллельно были разработаны новые средства доставки лекарств непосредственно в клетку к определенному участку генома, и даже к конкретному гену. Практический опыт применения первых подобных лекарств позволил заложить фундамент нового класса лекарств, направленных на нормализацию генов. Подобные «нормализаторы генов» планировалось применять в ближайшем будущем не только для исправления генетических врожденных дефектов, но и для исправления дефектов приобретенных, для восстановления функций тканей и органов человеческого организма.

Ставшая к концу десятилетия привычной процедура расшифровки генома человека и практический опыт расшифровки сотни геномов позволили провести критический анализ человеческого генофонда. Несмотря на оставшиеся нерасшифрованными миллиарды индивидуальных генетических последовательностей, возможным являлось вычленить наиболее удачные наработки эволюции, дарящие человеку крепкое здоровье, хорошие способности и активное долголетие. Была внимательно изучена также корреляция генов и наследуемых внешних признаков, к которым относились сбалансированная скелетная и мышечная система, гармоничная внешность, оптимальное функционирование органов и тканей.

Накапливающаяся интенсивно информация не могла не поставить на повестку дня вопрос о пока еще теоретической оптимизации генома человека. Достоверная информация о генах, несущих лучшие признаки, требовала систематизации, упорядочения. Лучше всего такую систематизацию было осуществлять в рамках уже расшифрованного генома человека. Для этих целей вполне подходили компьютерные модели генома человека, созданные в последние годы.

Один из вариантов подобных компьютерных моделей был выбран для проведения компьютерной оптимизации генома человека. Ежедневное и ежечасное обновление этой компьютерной модели выражалось в замене «плохих» генов на «хорошие», кодирующие информацию о благоприятных признаках в более качественном своем воплощении. Таким образом, к концу десятилетия сформировалась компьютерная модель «эталонного» генома человека. Величие этого события можно было сравнить разве что с открытием ДНК шестьдесят лет назад. Но в отличие от той эпохи научно-технический потенциал цивилизации, задействованный в решении проблем генетики, стал мощнее на порядки и в короткое время мог быть нацелен на разрешение любой сопутствующей задачи. Объединенная мощь человеческих знаний превратилась в огромную силу, определяющую дальнейшую эволюцию биосферы. Создание компьютерной модели «эталонного» генома человека навсегда сняло с повестки дня вопрос «Что делать?» для генетики в целом. Отныне перспективы генетики как науки просматривались на десятилетия вперед, и не было еще в мире ни одной науки столь близкой человеку.

Оборотной стороной процесса совершенствования модели «эталонного» генома стало создание компьютерной модели «ущербного» генома, то есть такого набора «плохих» человеческих генов, который позволял развиваться и жить человеческому организму на грани гибели. Подобная компьютерная модель имела огромную ценность для изучения граничных условий выживания человека как вида, и содержала в себе множество открытий, полезных и зачастую неожиданных.

Негативным следствием появления новой информации о геноме человека стало её активное использование для военных целей. Доступность информации о применении «нормализаторов» генов в медицине, а также открытость генетических исследований привели к тому, что в секретных лабораториях было разработано узконаправленное генетическое оружие нового поколения, способное воздействовать как на представителей различных рас, народностей, профессий, социальных групп, так и на конкретного человека. И не появлялось на Земле до этого времени оружия более страшного. Возникла реальная и страшная опасность свободного распространения по всей планете смертельного генетического материала. Первыми забили тревогу учёные. Широкая компания протеста против генетического оружия, принявшая всемирный характер, привлекла внимание мировой политической элиты к данной проблеме и способствовала своевременному принятию профилактических мер. Протест мировой общественности заставил политиков и военных пойти на подписание запрещающих конвенций и соглашений, разработке мер жесткого многостороннего контроля. А земная цивилизация приобрела новый фактор риска – возможность внезапного использования генетического оружия. Единственным, если можно так выразиться, положительным моментом, являлось то, что военные лаборатории, разрабатывающие генетическое оружие, как правило, разрабатывали и способы борьбы с ним, в том числе и защитные средства на генном уровне, что при рассекречивании военной информации было крайне интересным для официальной науки.

Расшифровка генетических текстов человека и других организмов земной биосферы несколько удовлетворила человеческое любопытство. Во всяком случае, стало понятным, какими словами и на каком языке записана в наследственном веществе человека информация о строении и развитии человеческого организма. И даже можно было сказать с уверенностью, что многие из этих слов описывают конкретные признаки и этапы развития человеческого организма. Не более. Вопросы следующего порядка, каким образом трансформируется информация, записанная в геноме человека в живой, осуществляющий обмен веществ, энергии и самовоспроизводящийся организм, остались в большинстве своем без ответа. А ведь только полные и исчерпывающие ответы на эти основополагающие вопросы позволили бы прикладной генетике приступить к реализации следующей задачи – практическому улучшению организма человека.

Осознавая необходимость продвижения вперед в научных дисциплинах, изучающих человека, государственные организации и частные компании большинства развитых стран с небольшим отрывом друг от друга начали самостоятельные исследования, которые вскоре объединились во всепланетную глобальную программу «Белок человека».

Выполнение этой программы, рассчитанной на срок тридцать лет, должно было, как ожидалось, привести к следующим результатам:

• определению пространственной структуры всех белков, синтезируемых в человеческом организме;

• изучению функций всех белков, синтезируемых в человеческом организме, а также чужеродных белков, используемых в метаболических реакциях;

• изучению механизмов формообразования человеческого организма;

• пониманию причинно – следственных связей ген – белок и белок – ген;

• систематизации всех биохимических реакций, осуществляемых в организме человека;

• пониманию механизмов связывания химических веществ с белками, синтезируемыми в организме человека.

Конечным результатом выполнения этой программы виделась трехмерная компьютерная интерактивная модель человеческого организма, вместившая в себя все полученные знания.

Ожидаемые гигантские затраты трудовых и финансовых ресурсов, связанные с выполнением программы «Белок человека» не страшили мировую научную и финансовую элиту. Практический опыт, полученный при расшифровке генома человека, изменил восприятие масштабов возможного для человечества, сделал повседневной и обыденной работу с астрономическим количеством объектов и действий. Миллиарды нуклеотидов, миллиарды пикселов, десятки миллиардов молекул – оперирование такими величинами стало привычным в работе генетиков, программистов, технологов, химиков, компьютерщиков и других специалистов. Человечество со спокойным упорством принялось за решение очередного блока задач.

На общем фоне глобального интереса к генетике человека были менее заметны достижения генетики в других областях. А они были не менее впечатляющими. Например, технологии, используемые при расшифровке генома человека, с успехом были применены для расшифровки генетических текстов сельскохозяйственных растений, животных, грибов и микроорганизмов. Методы сравнительной генетики позволили в короткие сроки создать компьютерные модели эталонных геномов многих растений и животных. В первую очередь это касалось, конечно же, растений. Индустриальные способы расшифровки геномов позволили быстро получать генные тексты десятков сортов одного и того же вида растений и путем сравнения определять участки генома, отвечающие за выдающиеся признаки. К концу десятилетия начался бум «компьютерной селекции». Поскольку затраты на эти технологии были относительно невелики, а результаты предвиделись скорыми и впечатляющими, то инвестировать средства и оборудование в новую индустрию активно стали также представители среднего бизнеса. Свежие силы и дополнительный капитал дали новый мощный импульс развитию технологий «компьютерной селекции». Реальностью стало получение высокоурожайных и сверхустойчивых сортов сельскохозяйственных растений в различных климатических условиях планеты.

Подобная резвость представителей среднего бизнеса серьезно напугала поневоле консервативных фермеров развитых стран. Боязнь остаться без работы, потерять планируемую прибыль, а если называть вещи своими именами, боязнь за будущее своих семей, привели к массовым выступлениям фермеров, созданию агрессивных общественных организаций, лоббированию новых законопроектов. Отдаленными последствиями массового применения технологий «компьютерной селекции» виделись смена приоритетов в выборе выращиваемых сельскохозяйственных культур, повышение уровня безработицы в фермерской среде и укрупнение фермерских хозяйств.

Использование новейших технологий при создании улучшенных сортов и штаммов грибов и микроорганизмов для применения в перерабатывающей и пищевой промышленности, также получило широкое распространение. Подобные разработки, хотя и требовали повышенной осторожности и скрупулезных испытаний, гарантированно приводили к значительному улучшению качества пищевых продуктов, что всегда было первоочередной задачей в приоритетах развития пищевой индустрии.

Что же касается практической сборки «эталонного генома» важнейших сельскохозяйственных животных и последующего выращивания на его основе эталонных животных, то в этом отношении существовали серьезные трудности. Академическое изучение генных текстов и создание компьютерного «эталонного генома», то есть те вещи, к которым общественное мнение относилось терпимо, не могли быстро дать практические результаты по причине невозможности проверить теоретические результаты на практике. Даже при благоприятном отношении к выращиванию эталонных животных со стороны общественности, результаты могли быть получены не очень скоро по причине длительности процесса роста и взросления животных. Однако же в действительности общественное мнение, терпимое к опытам с растениями, крайне негативно относилось к генетическим опытам над животными. Общественность не без оснований усматривала в этом прямую аналогию с экспериментами над человеком.

Первое десятилетие нового века ознаменовалось также расцветом комбинаторной химии, научной отрасли, которая довела до совершенства экстенсивный метод проб и ошибок при создании полезных химических соединений. Традиционному перебору вариантов строения химических соединений были приданы индустриальные масштабы. Синтез химических соединений под заказ стал одним из приоритетных для бизнеса направлений инвестирования в науку и одним из основных направлений деятельности научных учреждений химической направленности. Методы комбинаторной химии позволили повысить производительность труда специалистов химиков, занимающихся синтезом новых соединений в сотни и тысячи раз. Если при использовании традиционных методов синтеза среднестатистическому специалисту требовалось неделя, чтобы найти в первом приближении вещество, обладающее необходимыми свойствами, то технологии комбинаторной химии позволили синтезировать в неделю около тысячи веществ – кандидатов.

Возникшая новая задача, как из синтезируемых веществ – кандидатов отобрать лучшие и наиболее эффективные, решалась столь же масштабно, на основе индустриальных подходов. На биологическую активность (а ведь именно фармацевтика была основным заказчиком и потребителем продуктов комбинаторного синтеза) проверялось не каждое вещество в отдельности как прежде, а одновременно сотни и тысячи полученных веществ – кандидатов. Подобные индустриальные технологии позволили в тысячи раз увеличить количество исследуемых в фармакологии веществ, и как следствие, удешевить поиск новых лекарственных препаратов и повысить эффективность вновь полученных препаратов. И все же отобранные вещества – кандидаты подвергались длительным и скрупулезным испытаниям, прежде чем получали путевку в жизнь. Иными словами, индустриальный подход не работал на конечной стадии испытаний синтезированных химических веществ, при проверке их на биологическую активность. По-прежнему требовались натурные испытания на сложных биологических объектах. Изучение действия нового препарата на живой организм, а также отдаленных последствий его применения, как и ранее, требовало существенных денежных затрат.

Технологии комбинаторной химии положили начало формированию новой науки, занимающейся конструированием химических соединений с заданными свойствами или попросту химического конструирования. Новой науке было изначально гарантировано уважительное и лояльное отношение со стороны общества, хотя бы только потому, что человек сам являлся продуктом химического конструирования в ходе естественной эволюции. Несмотря на присущие ей недостатки, комбинаторная химия внесла значительный вклад в эволюцию химии как всеобъемлющей науки. Актуальным направлением исследований стало компьютерное моделирование процессов взаимодействия нескольких химических соединений. Подобные знания являлись основополагающими и были необходимы как теоретическая основа конструирования химических соединений с заданными свойствами. Постановка учеными перед собой масштабных задач высветила недостаточность существующих знаний о взаимодействии нескольких химических соединений. Без четкого и ясного понимания всех нюансов взаимодействия химических соединений невозможным было получение добротных химических продуктов.

Создание качественных материалов с заданными свойствами должно было кардинальным образом повысить производительность труда в масштабах планеты, решить многие экологические проблемы и создать оптимальные условия и возможности для проживания людей. Заманчивые перспективы породили приток капитала в теоретические исследования взаимодействия нескольких химических соединений, а также в смежные отрасли науки и промышленности. Многие государственные и частные предприятия и научные организации в разных странах сконцентрировали свои усилия на уточнении теоретических представлений о взаимодействии химических соединений и на разработке программного обеспечения.

Пока мировая наука и прогрессивный бизнес осваивали новые наукоемкие экономические ниши, реально работающие технологии комбинаторной химии привели к обновлению ассортимента лекарственных препаратов в мире в течение первого десятилетия нового века более чем на две трети. Новые лекарственные препараты были более эффективными, безопасными и при этом дешевле своих предшественников, зачастую в несколько раз.

Кроме фармакологии достижения комбинаторной химии активно применялись при разработке средств защиты растений, создании препаратов ветеринарии, утилизации химических веществ.

Общие тенденции совершенствования химических технологий требовали

существенного уменьшения энергетических затрат на единицу продукции, повышения чистоты и качества синтезируемых соединений, безотходного производства и экологической безопасности. На практике эти тенденции выражались в необходимости понижения температуры и давления, при которых осуществлялись химические реакции, повышения коэффициента использования исходных материалов и реактивов. Удовлетворить таким многообразным и зачастую противоречивым требованиям можно было, только применяя совершенные узконаправленные катализаторы. Понимание этого со стороны ориентированного на высокие технологии бизнеса привело к притоку капитала в академические и прикладные исследования, касающиеся механизма действия катализаторов.

Необходимость создания совершенных катализаторов потребовала разработки программного обеспечения для компьютерного моделирования процессов взаимодействия двух и более химических соединений. Сложность данной проблемы заключалась в том, что моделирование перспективных каталитических химических реакций при помощи сверхмощных компьютеров, а именно такой подход позволял разработать совершенные катализаторы, тормозилось по ряду объективных причин. Самой главной из них являлась недостаточная мощность существующих суперкомпьютеров, что не позволяло в реальном времени производить необходимые вычисления при решении уравнений квантовой теории столкновений с учетом перераспределения частиц. Были и другие причины, обоснованные неполнотой теоретических представлений во многих сопутствующих научных дисциплинах, а также отсутствием необходимых производственных технологий. Одним словом, дальнейшее движение вперед требовало комплексного подхода к проблеме компьютерного моделирования химических реакций, включающего в себя уточнение теоретических знаний, создание эффективного программного обеспечения и возможность сосредоточения для решения задач достаточных компьютерных мощностей. А пока наука не получила возможностей для точного моделирования химических реакций, на практике применялись методы компьютерного моделирования с той или иной степенью приближения к реальности.

Вопросы моделирования взаимодействия нескольких химических соединений являлись ключевыми для продвижения вперед многих технологий. К их числу относились и нанотехнологии. К средине десятилетия появились первые плоды совместной работы множества научных коллективов. Были изготовлены и опробованы на практике первые объемные электронные схемы, состоящие из активных элементов с размерами, немногим большими, чем размеры единичных молекул. Подобные электронные схемы были построены из тех же химических элементов и их соединений, которые ранее использовались в электронике, то есть с использованием полупроводников и материалов с высокой электропроводностью, новшеством было кардинальное уменьшение размеров активных элементов. При переходе к наномасштабам определяющими факторами стали квантовые свойства вещества и квантовые эффекты. Электрон при этом описывался волновой функцией, а распространение рабочего сигнала в веществе определялось интерференцией, туннельным эффектом через потенциальные барьеры, и квантовыми ограничениями. Объемные электронные схемы позволили довести их рабочие частоты до триллиона Герц.

В это же время во многих лабораториях мира проводились эксперименты по проектированию и изготовлению электронных устройств на основе углеродных нанотрубок. При тщательном рассмотрении углеродные трубки оказались многообещающим и перспективным материалом для электронной промышленности. Зависимость электрических свойств нанотрубок от их геометрических параметров позволила получать активные элементы с металлическими или полупроводниковыми свойствами, а также чередовать участки с металлической и полупроводниковой проводимостью в пределах отдельного активного элемента. Кроме этого важнейшим свойством была возможность использования самих нанотрубок, как соединительных проводов в объемных электронных схемах.

Дальнейшая эволюция компьютера шла по ставшему традиционным за последние полвека пути. Процессоры становились все мощнее, а микросхемы все миниатюрнее. Потребляемая мощность компьютеров уменьшалась, а их быстродействие увеличивалось. Тенденции касались как персональных компьютеров, так и суперкомпьютеров. Целью, к которой стремились разработчики компьютеров, было достижение мощности, сравнимой с мощностью человеческого мозга, и эта цель казалось, была уже близка. С помощью фотолитографических технологий производства интегральных микросхем, доведенных до совершенства, стало возможным производить единичные суперкомпьютеры, выполняющие десять в тринадцатой степени операций в секунду (10 Терафлоп). Учитывая, что человеческий мозг выполняет в секунду десять в шестнадцатой степени - десять в семнадцатой степени операций, казалось, что желанная цель вот-вот будет достигнута. Однако, учитывая, что суперкомпьютеры представляли собой не единичный процессор, с которым можно сравнить человеческий мозг, а сотни и тысячи отдельных процессоров, выполняющих параллельную работу, то реальное отставание единичного процессора от мощности человеческого мозга составляло до десяти миллионов раз.

При таких параметрах мощности компьютеров произошло достижение физического предела технологий фотолитографии, который накладывал ограничения на дальнейшую миниатюризацию планарных микросхем. Для того чтобы приблизиться к структурным решениям, реализованным в человеческом мозге, требовалось повторить в электронных схемах нейронные (объемные) схемы, свойственные мозгу человека. Необходимые схемные решения в металле не могли быть осуществлены по прежней технологии. Существующий уровень знаний оставил для компьютерной эволюции всего один путь – строительство активных элементов и микросхем при помощи нанотехнологий.

Технологические методы, отработанные в лабораторных условиях, позволяли изготавливать активные элементы микросхем размером с молекулу и объединять их в многослойные трехмерные схемы. На практике все это выражалось созданием единичных экземпляров несложных микросхем, мало пригодных для использования в реальных компьютерах, и в основном характеризующих потенциал нанотехнологий. И хотя технологии молекулярной сборки были уже неплохо отработаны в лабораторных условиях, для их промышленного внедрения требовалось преодолеть существенные трудности. Эти трудности носили количественный и временной характер. Необходимо было просто много сделать в плане создания производственной и инструментальной базы, развития сопутствующих отраслей, и все это требовало затрат времени. Для получения конкурентоспособной микросхемы требовалось расположить в строгом порядке десятки миллионов молекул нескольких химических соединений, при этом неправильное расположение всего нескольких молекул могло привести к недопустимому снижению качества изделия. Разумеется, ни один добросовестный и педантичный сотрудник, даже вооруженный микроскопом и приспособлениями для перемещения отдельных молекул, был не в силах собрать с необходимой точностью даже единственную трехмерную микросхему. Чтобы выполнить такой колоссальный объем работы необходимы были механизмы, способные манипулировать отдельными молекулами, бережно перемещать их и устанавливать в нужное место. Учитывая миниатюрные размеры рабочего поля и величину объектов при осуществлении молекулярной сборки, очевидной становилась необходимость применения сборочных механизмов для молекулярной сборки, имеющих размеры, сравнимые с размерами молекул.

Молекулярные роботы, которые являлись необходимым инструментом новых сборочных технологий, также необходимо было еще сконструировать и построить. Требовалось значительное время для подготовки сложной производственной базы по выпуску молекулярных роботов и последующего полноценного их промышленного внедрения. Производство трехмерных микросхем требовало шлифовки большого количества существующих высоких технологий и создание целого ряда новых. В этом и заключалась основная трудность. С другой стороны массированная атака на одну из узловых проблем современности породила множество положительных дополнительных эффектов. Ограниченность сроков, определенных для решения многих второстепенных проблем, привела к оживлению работ по многим узким и специализированным направлениям. Перспективные исследования начали привлекать серьезных инвесторов, что незамедлительно сказалось на увеличении числа открытий, и привело к интенсификации научной деятельности в финансируемых отраслях.

Значительный импульс развития также получило мировое промышленное производство в целом. Производство сверхчистых химических элементов и их соединений, создание систем автоматического управления производством, контроль качества, разработка и производство новых видов промышленного оборудования – далеко не полный перечень производственных отраслей, которые были затронуты процессами реконструкции и переоснащения при переходе к технологиям молекулярной сборки трехмерных микросхем.

Следует заметить, что молекулярные роботы – сборщики являлись по своему функциональному назначению близкими аналогами катализаторов, которые были широко представлены как в химии органического синтеза, так и в природных живых объектах. Природные и искусственные катализаторы можно было назвать молекулярными роботами – сборщиками, поскольку они осуществляли молекулярную сборку сложных органических молекул. А молекулярные роботы – сборщики, которые разрабатывались для целей молекулярной сборки трехмерных микросхем, можно было определить как специализированные катализаторы для сборки специфических молекул. Или иначе, как специализированные катализаторы для производства процессорного вещества. Подобное сходство являлось проявлением глубокого сродства двух наук и отражало единство и универсальность общих законов мироздания. Этот пример характеризовал общую тенденцию к объединению в единую науку таких различных, казалось дисциплин как химия, кибернетика, биология, физика микромира и других. Тенденция эта становилась все более заметной при переходе к технологиям, воздействующим на молекулярный и атомарный уровни строения материи.

Массированный натиск на проблему создания трехмерных микросхем вскоре дал положительные результаты. К концу десятилетия появились первые объемные процессоры на трехмерных микросхемах с рабочей частотой миллиард Герц. Причем микросхемы, вполне годные для массового применения в компьютерах, изготавливались по технологиям молекулярной сборки.

В начале нового десятилетия произошло еще одно замечательное событие, вплотную затрагивающее будущее компьютеров, как впрочем, и будущее всего человечества. Развитие компьютерных технологий, а также достижения в области электронной промышленности позволили известному более пятидесяти лет явлению голографии шагнуть на качественно новый уровень и стать в один ряд с новейшими технологиями, такими как нанотехнологии и генная инженерия.

Как это нередко бывало в истории науки, практически одновременно, в нескольких странах, в научных лабораториях, в основном военных были разработаны компьютерные системы объемной визуализации, использующие принципы голографии. Следует пояснить, что голографическая запись изображения получается при сложении (интерференции) двух лазерных лучей. Причем один из лучей должен быть отраженным от фотографируемого предмета. Тогда второй лазерный луч, складываясь с отраженным лучом, дает интерференционную картину, которая фиксируется на фотопластинке. Сделанный снимок при освещении его лазерным лучом позволяет получить объемное изображение сфотографированного предмета. Это изображение визуально находится за поверхностью пластинки.

Получить объемное изображение предмета, висящее непосредственно в воздухе (неотъемлемый атрибут фантастических фильмов) стало возможным только после появления технологий управления каждым единичным элементом изображения. Единичный элемент изображения, висящий в воздухе (точку), удалось создать в результате сложения двух лазерных лучей, причем один из них являлся опорным, а второй отраженным от жидкокристаллического элемента, который способен был создавать оптические задержки. Подобная схема позволяла получать единичный элемент изображения непосредственно в воздухе, да к тому же и перемещать его в пространстве. Совокупность жидкокристаллических элементов, способных изменять коэффициент преломления под действием электромагнитного поля, позволяла формировать в пространстве равнофазные поверхности или волновые фронты, что визуально воспринималось как поверхности воспроизводимого предмета.

Возможность получения качественных объемных изображений, меняющихся во времени, причем непосредственно в воздухе, породила перспективы применения систем объемной визуализации в самых различных областях науки и техники и стала поистине революционным достижением, затрагивающим все стороны человеческого существования. Реальностью становилось создание в ближайшем будущем объемных компьютерных моделей явлений, процессов, предметов и живых организмов, а на горизонте замаячили перспективы интерактивного компьютерного моделирования. В свою очередь возможность достоверного компьютерного моделирования объектов неживой и живой природы, а также явлений, эффектов, процессов, в том числе сложных и вероятностных, станет венцом человеческого гения и по праву займет место в ряду высоких технологий. Высокий уровень земной науки и техники, характеризующийся существованием множества достоверных компьютерных моделей объектов и явлений, как ожидалось, будет способствовать переходу человеческой цивилизации на более высокий уровень развития. При этом в несколько раз будут снижены трудовые, энергетические и ресурсные затраты, необходимые для оптимального функционирования и развития научных исследований, промышленности, сельского хозяйства, и многого другого.

В первом десятилетии перед человечеством, встало множество серьезных и масштабных задач. К ним можно было отнести конструирование химических веществ с заданными свойствами, оптимизацию генома человека и других организмов, а также долгосрочное экономическое, политическое и социальное прогнозирование. Задачи такого уровня невозможно было эффективно решать без использования достоверных компьютерных моделей. Включающие в себя тысячи и миллионы составляющих, связанных причинно-следственными и временными связями, такие задачи можно было решать только перебором компьютерных вариантов в реальном режиме времени. Опыт использования компьютерных моделей для решения одной выделенной узкой задачи был неприемлем для решения задач высокой степени сложности и новизны. Во-первых, по причине сложности и новизны самих задач. Во-вторых, по причине отсутствия наглядности в процессе получения промежуточных результатов. Третьей причиной являлось то, что компьютерное моделирование в ближайшей перспективе должно было затронуть все стороны жизни человека, и поэтому требовался некий общий фундамент, своеобразный универсальный свод правил для унифицированного моделирования задач в самых разнообразных областях человеческой деятельности. Иными словами сама жизнь требовала создания универсального способа компьютерного моделирования и нового инструментария для реализации такого способа.

Наука и техника первого десятилетия на пределе своих возможностей все же подошли к началу воплощения в жизнь универсального всеобъемлющего способа компьютерного моделирования. Были заложены теоретические основы единого, многоуровневого виртуального пространства, в котором предполагалось осуществлять решение всех задач, связанных с построением достоверных компьютерных моделей. По сути, предполагалось ввести единые стандарты на строительство компьютерных моделей. Такие достижения последних лет как создание систем объемной компьютерной визуализации, сверхмощные компьютеры, совершенное программное обеспечение, все более полные научные знания о принципах строения и функционирования материи, способствовали тому, что в ближайшем будущем технологии компьютерного моделирования займут первое место среди высоких технологий. Как ожидалось, в скором будущем процессы отработки промышленных технологий, конструирование новых веществ, проверка научных теорий и многие другие действия, будут осуществляться путем компьютерного моделирования. Причем процесс этот будет наглядным, представляющим собой ряд меняющихся объемных изображений, подверженных интерактивному корректированию.

Робототехника и производство роботов в течение первого десятилетия нового века также сделали существенный шаг вперед. Ставшее обыденным использование роботов в технологических процессах охватывало все большее число производственных отраслей. Это происходило настолько естественно и бесконфликтно, что оставалось незамеченным широкой общественностью. С каждым годом область применения роботов расширялась, захватывая кроме производства и другие сферы человеческой деятельности. Особенно хорошо роботы зарекомендовали себя в процессах сборки в самых различных отраслях машиностроения. Неутомимые работники и контролеры, практически не совершающие ошибок, они трудились эффективнее, чем люди и обходились для работодателя дешевле, чем наемные работники. Большинство применяемых производственных роботов имели жесткое программное обеспечение, регламентирующее их деятельность в узких пределах. Однако в некоторых технологических процессах начинали применяться роботы с элементами искусственного интеллекта. Соответствующее программное обеспечение позволяло им выполнять сложные функции в многофакторном пространстве ограничений. Роботы с зачатками интеллекта использовались для контроля над производством, особенно при использовании безлюдных технологий, то есть в тех местах, где нельзя было однозначно предусмотреть все возможные негативные ситуации. Например, в химическом производстве такие роботы, основываясь на показаниях приборов и общих знаниях о технологическом процессе, могли предвидеть возможность аварии в том или ином месте, вовремя переключиться на резервные мощности и вызвать специалистов-ремонтников для устранения неисправности.

Появление мощных микропроцессоров, а также создание качественных исполнительных механизмов позволило компаниям, производящим роботов, совершить прорыв в быт человека. Вначале робкие предложения по продаже роботов, выполняющих домашние функции, воспринимались обществом достаточно настороженно и с опаской. Однако год за годом роботы внедрялись в быт человека все больше и интенсивней, и в конечном итоге стали его неотъемлемой составляющей. Особенно хорошо «прижились» в человеческом жилище роботы, выполняющие охранные и контролирующие функции. Такие роботы могли в отсутствие хозяев неделями контролировать состояние жилища и выполнять некоторые ремонтные функции самостоятельно, например, прерывать в случае аварии подачу воды и газа, закрывать окна при непогоде. Непосредственно интеллектуальные функции роботов выражались в их способности принимать правильные решения при изменении температуры в жилище, в случае аварийного состояния электроприборов, неправильного положения входной двери и окон, неадекватного поведения домашних животных. Роботы могли самостоятельно вызвать соответствующие службы в случае возникновения пожара, попытки проникновения в жилище, прорыва воды, газа, и т.п. При этом они могли отличать повышение температуры пола, стен или мебели в освещенных солнцем местах от несущего опасность повышения температуры в местах соединения электрических проводов. Постепенно бытовые роботы становились привычным элементом человеческого быта, занимая место рядом с домашними животными и средствами информационного обеспечения.

К концу первого десятилетия значительные успехи были достигнуты в области разработки программного обеспечения. В частности были созданы универсальные программы для работы со сверхбольшими базами данных, которые можно было одинаково эффективно использовать во многих областях человеческой деятельности. Основной областью применения программного обеспечения являлись научно-исследовательские работы в генетике, биохимии, химии, социологии, а также моделирование испытаний высокоэнергетического оружия. Применение новых разработок в быту, имеющих общественную значимость, проявилось в создании средств компьютерного перевода.

Первые образцы носимых электронных переводчиков представляли собой устройства, состоящие из системы акустического распознавания звуков, произносимых человеком, мощного процессора, и системы воспроизведения звуков, слов и часто используемых предложений. Подобные электронные переводчики позволяли людям, не владеющим языком собеседника, общаться между собой весьма эффективно. Около семидесяти процентов произносимых человеком звуков идентифицировались такими устройствами правильно. Программный корректирующий фильтр исправлял на стадии перевода еще десять – пятнадцать процентов воспринятого звукового материала. Именно благодаря качественному программному обеспечению уже первые модели электронных переводчиков позволяли собеседникам полностью понимать друг друга. В первую очередь это касалось несложного бытового общения. Для профессионального общения использовались электронные переводчики, способные идентифицировать специальные технические и научные термины. Профессиональный перевод пока еще был недостаточно эффективен, правильная идентификация произнесенных терминов составляла не более шестидесяти процентов. Правда, свойственная специалистам привычка обсуждать проблему с разных сторон способствовала хорошему уровню понимания при их общении. К тому же программное обеспечение позволяло осуществлять автоматическую и ручную подстройку при восприятии ключевых слов и понятий, в том числе и сленговых, делать эффективные звуковые сокращения. В общем, несколько специалистов, разговаривающих на разных языках, в конечном итоге после соответствующей настройки своих электронных переводчиков способны были понять друг друга правильно.

Появление носимых электронных переводчиков запустило некоторые социальные процессы. В частности увеличилось количество людей, не владеющих иностранными языками, самостоятельно путешествующих по зарубежным странам. Представители мелкого и среднего бизнеса, студенты, люди искусства более не нуждались в дорогих услугах переводчиков. Чувствуя себя комфортно в разноязычном окружении, они могли заниматься продвижением своей продукции, получением знаний либо изучением культурных достопримечательностей при минимальных затратах. Негативной стороной распространения электронных переводчиков являлась потенциальная ненужность профессии переводчика, позитивной стороной стало оживление международных связей и торговли, оживление мелкого бизнеса, сближение мировосприятия людей разных национальностей. Технологии компьютерного перевода, шагнув за пределы научных лабораторий, распространялись все шире. Очень выгодные в сфере обслуживания, начиная от ресторанов и закусочных и заканчивая стационарными установками в аэропортах и местах культурного паломничества, электронные переводчики выполняли функции справочного бюро, заменяли гидов и официантов, выполняли множество других функций.

Не менее ярким событием десятилетия стало создание и применение первых судебных программ, помогающих судьям вынести решение. Подобные программы в первую очередь использовались в странах, имеющих прецедентное право. Действительно, только при компьютерном анализе и переборе вариантов можно было учесть все тонкости и нюансы десятков миллионов судебных дел, найти наиболее удачные судебные решения прошлых десятилетий и столетий, и вынести на рассмотрение судей варианты возможных судебных решений. Конечно, окончательное решение оставалось за человеком. Но уже первый опыт применения компьютерных судебных программ в США, показал, что более половины рекомендуемых судебных решений принимаются судьями без изменений, как наиболее правильные. Изначально судебные программы применялись при рассмотрении бытовых, административных нарушений и несложных уголовных преступлений. Их применение способствовало интенсивному переводу всех накопленных за сотни лет судебных решений в электронную форму, удобную для обработки средствами программного обеспечения. Широкое применение судебных программ породило в обществе очередные дискуссии на тему, сможет ли компьютер полностью заменить человека при вынесении судебных решений по всем видам нарушений и преступлений. Создание и практическое использование судебных программ также привело к некоторым социальным последствиям, поскольку затрагивало интересы практикующих юристов, юридических учебных заведений и государственных чиновников.

<<<     Первое десятилетие (2000 - 2010 гг.)     >>>