Системные открытия в науке: Какие системные открытия в науке сделали коперник , линней, вернадский

лекции и учебные пособия. «Теория систем и системный анализ» (Ю. П. Сурмин)

Ю. П. Сурмин

1.2. Возникновение и развитие системных идей

Основные этапы развития системных идей

Формирование системных идей происходило очень медленно в процессе становления человеческого общества и культуры. Системные идеи, как и любое явление природы и общества, прошли несколько важнейших этапов.

Первый этап начался в глубокой древности и завершился к началу ХХ ст. Это этап возникновения и развития системных идей, которые складывались в практической и познавательной деятельности людей, шлифовались философией, носили разрозненный характер. Возникали и оформлялись отдельные идеи и понятия. Нередко они представляли собой нечаянные интуитивные открытия тех или иных выдающихся ученых, философов и мыслителей.

Второй этап развертывается с начала прошлого века до его середины, когда происходит теоретизация системных идей, формирование первых системных теорий, широкое распространение системности во все отрасли знания, освоение их системными идеями. Системность превращается в научное знание о системах, оформляется как инструмент познавательной деятельности.

Третий этап характеризуется тем, что происходит превращение системности в метод научных исследований, аналитической деятельности. Он развертывается со второй половины 50-х годов и совпадает с началом научно-технической революции, которая максимально использовала системный метод для научных открытий, осуществления технологических разработок. Системность к концу ХХ ст. становится всеобщим мировоззрением, которое используют специалисты всех отраслей.

Становление философских основ системного подхода представляет собой длительный процесс. Слово «система» появилось в Древней Греции 2000-2500 тыс. лет назад. Однако зачатки системных идей возникли в еще более глубокой древности. В ее первооснове лежит целостное мифологическое восприятие людьми всего сущего. Системность как видение мира в виде целостности взаимосвязанных элементов складывалась в процессе эволюции человеческой практики и мышления. Ее становление происходило благодаря нескольким факторам:

1. проникновению человека в ходе познания окружающего мира во внутреннее устройство вещей и явлений, где всякий раз обнаруживались многообразные взаимосвязи и иные атрибуты системности;
2. вследствие мыслительной деятельности, когда постоянно происходило разложение целого на части и, наоборот, соединение его составляющих;
3. в ходе практической деятельности по созданию целого из нескольких частей, а также делению целого на части. Разбивая, дробя, ломая, человек всякий раз улавливал потерю целого.

Отсюда следует, что в качестве источников системных идей выступали:

• практическая деятельность людей, которая постоянно обнаруживала структуры, целостность объектов и явлений, взаимосвязи между ними. Целое и части всегда присутствовали в хозяйственной деятельности, торговле, военном деле, строительстве и т.д.;
• философия, которая осмысливала, обтачивала основные понятия системности, отрывала от реальной действительности и поднимала в облака абстрактности;
• естественные знания и науки, которые формировали системность видения природы;
• социальные науки, науки о человеке, которые вырабатывали системный подход к обществу.

Рассмотрим подробнее этот великий исторический процесс накопления сокровищ системности.

Практической жизни людей, несомненно, принадлежит ведущая роль в формировании массовых системных представлений. Человек либо сталкивался с системами, либо созидал их, либо подвергал нещадным разрушениям. Знаменитые египетские пирамиды, ирригационные системы Древнего Китая, как правило, открывают огромные списки сложнейших сооружений древности. Принципы целостности и соразмерности, учета влияния на рукотворный объект многообразных факторов окружающей среды широко применялись в строительстве, торговле, военном деле и других областях. Практика постоянно требовала соблюдения этих принципов. Классическим примером недооценки внешних факторов, действующих на систему, является одно из семи чудес света — 35-40-метровая статуя бога солнца Гелиоса, сооруженная на входе в гавань острова Родос, т. н. Колосс Родосский. Она простояла 50 лет (некоторые исследователи называют более точную цифру — 66 лет) и рухнула во время землетрясения в 225 г. до н.э. Самым уязвимым местом оказались колени — выше колен статуя согнулась таким образом, что голова и плечи уперлись в землю. Обломки почти 1000 лет лежали на берегу бухты уроком нарушения принципа системности, закрепив в сознании людей сентенцию «Колосс на глиняных ногах».

Важнейшие факторы практической жизни, которые влияли на формирование системного отношения к действительности:

• усложнение и нарастание многообразия человеческой деятельности и ее продуктов. Все более сложные и взаимосвязанные орудия и результаты труда, его организация заставляли задумываться о целом и частях, гармонии взаимодействий между ними. Переход от простой орудийной деятельности к машинному производству, а от него — к системно-техническому развитию наращивал практический эффект от системности;
• проникновение системных идей во все виды профессиональной деятельности. Каждая профессия начинает оперировать определенной системой знаний, умений и навыков, которые периодически обновляются в зависимости от происходящих в обществе научных, технических и производственных революций;
• нарастание системности в образовании людей. Образование в древних обществах предполагало обучение человека всему своду знаний. По мере роста и дифференциации знаний образование стало в той или иной мере разрешать противоречие между системами имеющихся профессиональных знаний. В современном образовании системность выступает не только характеристикой целостности и достаточности знаний, но и методом их получения.

Идеи системности в методологическом контексте встречаются уже в древних обществах. Гениальны догадки античных философов о системности мира. Так, Анаксагор (ок. 500-428 до н.э.) широко использовал два постулата: «все во всем» и «из всего — все», которые в зачаточном виде улавливают системные законы, которые будут открыты лишь в ХХ ст. Демокрит из Абдер (ок. 470 или 460 — ок. 360 до н. э.) выдвинул идею атомного строения, взаимосвязи.

Чаще всего в древней философии использовался термин «целое». Древнеримский философ и оратор Марк Туллий Цицерон (106-43 до н. э.) неоднократно подчеркивал, что мировой организм есть неразрывное целое и все элементы мироздания гармонично связаны между собой. В трактате «О природе богов» писал: «…достойно восхищения больше всего то, что мир так устойчив и представляет собой неразрывное целое, настолько приспособленное к сохранению своего существования, что более приспособленного невозможно и вообразить себе» [37, с. 139].

Однако системные идеи в древнем мире носили эпизодический характер. Понятие «система» употреблялось нечасто. Так, Эпикур (341-270 до н.э.) применял его для характеристики системы знаний. Чаще всего это понятие использовалось для обозначения космоса, мирового порядка, всеобщей организованности Вселенной. При этом вселенский порядок рассматривался как божественный порядок, т.е. заданный богами, или как естественный порядок, присущий изначально всему. Позже под системой стали понимать сложную философскую систему, которая объясняет все сущее. Такой вклад в системность внес великий философ древности Аристотель (384-322 до н. э.). Он создал первую философскую систему, в которой систематизировал знания античного мира. Важнейшей составляющей мировоззрения Аристотеля является учение о космосе, который воспринимался им как «порядок», «гармония», «закономерная Вселенная». Основную свою заслугу в понимании космоса он видел в том, что первым перестал «порождать Вселенную», изменил акцент ее толкования с генетического подхода на структурный.

В формировании основных категорий философии системного видения мира немаловажную роль сыграла средневековая философия, которая проделала огромную интеллектуальную работу в выработке категорий «целостность», «часть» и «целое». Изнурительные схоластические споры средневековых философов и теологов, их стремление систематизировать христианское учение в немалой степени способствовали открытиям ряда философских категорий, гносеологическому осмыслению целостности.

Идеи системности получают особенно интенсивное развитие в эпоху Возрождения, когда начинает возрождаться на новой основе мировоззрение целостного восприятия человеком действительности. Единство и целостность природы — основополагающий тезис философских доктрин этой удивительной эпохи. Нависающие над миром жизнелюбивые фигуры людей на фоне идеально проработанных пейзажей вселенского типа на портретах мастеров этой эпохи — это существенный признак усиления системного видения мира, подчиненного человеческим интересам. Бернардино Телезио (1509-1588) вплотную приближается к постижению принципа самодвижения, который реализуется в пассивной, как бы мертвой материи, за обладание которой борются активные начала.

В философских работах нового времени делается попытка придания понятию «система» четкости и привязки его к определенной области знания. Под системой тогда понимали чаще всего систему знания. Иммануил Кант (1724-1804) этим понятием пользуется довольно свободно. Его можно по праву считать создателем двух систем: философской и космологической. В работе «Всеобщая естественная история и теория неба» он применяет это понятие к космическим образованиям и тем самым онтологизирует его. Вместе с тем он употребляет это понятие и в гносеологическом смысле, понимая под системой единство многообразных знаний, связанных общей идеей.

Выдающийся немецкий философ, представитель классического идеализма Иоганн Готлиб Фихте (1762-1814) предпосылкой практической философии считал научно разработанную теоретическую систему, науку о науке, развил систему категорий бытия и мышления, в качестве метода познания видел субъективную интеллектуальную интуицию. Он разработал проект устройства немецкого буржуазного общества в форме «замкнутого торгового государства». Признавал системность научного знания, но сводил ее к системности формы, а не содержания.

Обогащению категории «система» в немалой степени способствовал Георг Гегель (1770-1831). Система как философская категория не была у него предметом рассмотрения. Но зато всякий предмет, к которому он обращается, раскрывается им как органическая целостность, которая развивается и проходит некоторые этапы жизни. При этом объективный идеализм Гегеля наложил отпечаток и на системность, которая выступала у него как некоторое свойство движущейся идеи. Как пишет Л. А. Петрушенко, определенность, целостность и замкнутость, способность к диалектическому развитию как саморефлексии и рефлексии вовне, способность быть дискретным и непрерывным, частью и целым — это, с точки зрения Гегеля, такие особенности абсолютного духа, которые на уровне природы, материи отражаются как системность и иерархичность (стадийность), обладающие историческим характером [20, с. 131]. По сути дела системность у Гегеля обрела методологический характер. Но это не методология действующего субъекта, а способ существования идеи. Вместе с тем Гегель довольно четко понимал систему как развивающуюся внутри себя целостность, связывал системность с самодвижением, применял эту категорию к объектам природы, общества и к знанию.

Несомненный вклад в понимание природы систем, особенно социальных, внесли великие утописты-социалисты: Франсуа Мари Шарль Фурье (1772-1837) обосновал идею взаимосвязанности и гармонии социальных систем; Клод Анри Сен-Симон (1760-1825) развилл идеи интеграции социальных систем, выступил основоположником европейской интеграции; Роберт Оуэн (1771-1858) —выдающийся организатор и рационализатор производства, предпринял попытку организации и проведения эксперимента по проверке общества, построенного на принципах социальной справедливости. Все утописты, начиная с Платона, обосновывали идеи проектирования и конструирования социальных систем.

Заслуга Карла Маркса (1818-1883) в развитии идей системности заключалась в том, что, благодаря ему, системность начали рассматривать с позиций материализма. Система стала полноценным явлением окружающей природы, общества и человеческого мышления. Маркс был первым философом, который создал целостную систему знаний об обществе, где системность становится системным подходом, методом научного познания. Однако К. Маркс специально не исследовал системность. Будучи противником построения абстрактных систем, он чаще пользовался термином «организм», широко использовал основные понятия системного подхода. Идеи системности были распространены К. Марксом на общество и его подсистемы.

Идея развития систем получила основательное обоснование в работах Фридриха Энгельса (1820-1895) » Анти-Дюринг», «Диалектика природы», «Людвиг Фейербах и конец классической немецкой философии». Энгельс сформулировал важнейшие положения системного мировоззрения. Наиболее важные:

• представление об объективном мире как бесконечно большой, вечной, неоднородной и саморазвивающейся системе;
• наличие всеобщей объективной взаимосвязи и взаимообусловленности в природе;
• обоснование идеи организации как на уровне природы, так и общества;
• рассмотрение взаимодействия между элементами на базе механизма притяжения и отталкивания;
• круговорот материи как форма всеобщего взаимодействия и направленного развития;
• положение о критических точках, в которых происходит перестройка объектов и переход их от одного качества к другому.

Не анализируя системные идеи в философии ХХ ст., которые требуют специального осмысления, рассмотрим сначала еще одно русло системных идей — естественнонаучное знание. При этом в самих естественных науках можно выделить несколько важнейших русел, по которым текли ручьи системности, образуя в последующем целые реки.

На первом плане, несомненно, стоит космология. Уже в глубокой древности сложились первые космологические взгляды. Они заключались в том, что Земля неподвижно покоится в центре Вселенной, а Солнце и другие планеты вращаются вокруг нее. Сформировавшаяся на основе опыта тысячелетий человечества и просуществовавшая почти 1400 лет система Клавдия Птолемея (ок. 90 — ок. 160), изложенная в его труде «Альмагест», была заменена космологической системой Николая Коперника (1473-1543), изложенной им в работе «Об обращениях небесных сфер» и опубликованной после смерти. На основании данных астрономических наблюдений Н. Коперник пришел к выводу, что геоцентрическая система Птолемея неверна и должна быть заменена гелиоцентрической.

В развитии нового системного видения Вселенной значительные роли сыграли немецкий ученый Иоганн Кеплер (1571-1630), установивший законы движения планет вокруг Солнца; итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642), открывший спутники Юпитера и выступивший как мученик науки, защищавший перед инквизицией истину — вращение Земли. Одна из его самых знаменитых книг называлась весьма показательно: «Беседы о двух системах мира — птолемеевой и коперниковой».

Значителен вклад в системность обвиненного в ереси и сожженного на костре инквизиции Джордано Бруно (1548-1600). Космологически мир по Бруно — это система систем. Благодаря ему стала утверждаться концепция бесконечности Вселенной и бесчисленного множества миров.

Пьер Симон Лаплас (1749-1827) в своих трактатах «Наложение системы мира» и «Трактате о небесной механике» разработал основы небесной механики, обосновал возникновение Солнечной системы из первичной туманности, состоявшей из раскаленного газа и простиравшейся далеко за пределы самой дальней планеты. Солнечная система формировалась в процессе сплющивания туманности и возникновения в ней центробежной силы, под влиянием которой от туманности по ее краю отделялись кольца газовой материи. Из них потом формировались комки, давшие начало планетам и их спутникам. Таким образом, космологическая система перестала быть некоторой божественной и единственной данностью, она обрела свое прошлое, настоящее и будущее.

В последующие столетия и десятилетия были созданы интересные концепции, дополняющие и развивающие представления о космосе. Наиболее революционна концепция расширяющейся Вселенной, созданной американским астрономом Эдвином Хабболом (1889-1953), который сформулировал ее, сопоставляя скорости движения галактик.

Не менее важную роль в становлении системных идей сыграло развитие теорий строения вещества, которые обосновали существование микромира систем.

У древних греков мир состоит из нескольких первооснов, стихий (огонь, воздух, земля, вода), затем появляются идеи строения всего сущего из атомов древнегреческих атомистов Левкиппа (ок. 500-440 до н.э.) и Демокрита из Абдер (ок. 470 или 460 — примерно 360 до н.э.). В основе мира согласно Демокриту лежат два начала — атомы и пустота. «Атомос» в переводе с греческого означает «неделимое». Атомы он считал мельчайшими, неделимыми частицами, которые носятся в пустоте и отличаются друг от друга лишь формой, размерами, порядком и положением. Сталкиваясь и сцепляясь один с другим, они образуют тела и вещи, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. Демокрит, однако, не объяснял, почему атомы соединяются так, а не иначе. С позиций атомизма объяснял он и духовные явления. Душа, согласно Демокриту, построена из наиболее подвижных шарообразных атомов, из которых состоит и огонь. Он обращал внимание также на такие свойства сущего, как гармония, симметрия и естественные причины явлений.

Революционным прорывом в области строения вещества явилось открытие в 1869 г. периодической системы элементов Д. И. Менделеевым (1834-1907). В работе «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве» ученый заложил принципиально новый подход к пониманию системности как всеобщего и основополагающего принципа материи. Дальнейшее развитие науки привело к построению модели атома как системы, а также так называемых элементарных частиц, которые сами оказались довольно сложными системами.

Понимание атома стало системным благодаря Эрнесту Резерфорду (1871-1937). Он предложил концепцию планетарного строения атома, когда вокруг позитивно заряженного ядра вращаются негативно заряженные электроны. Концепция получила уточнения в работах датского физика Нильса Бора (1885-1962), который обнаружил дуализм электрона, выступавшего в виде частицы и волны. А позже Вернером Карлом Гейзенбергом (1901-1976) была заложена целая наука — квантовая механика, объяснявшая движение электрона в атоме.

Продвигали вперед идеи системности и биологические науки. Более полутора тысяч лет господствовали взгляды Клавдия Галена (ок. 130 — ок. 200) о том, что артериальная и венозная кровь — это разные жидкости. Первая «разносит движение, тепло и жизнь», а вторая призвана «питать органы». Систему кровообращения именно как систему в 1616 г. описал Вильям Гарвей (1578-1657). Антони Ван Левенгук (1632-1723) посредством наблюдений через усовершенствованный им микроскоп обнаружил мир микроорганизмов, что, несомненно, внесло важный вклад в понимание среды системы. Идея о микробиологических системах, микробиологической среде, что называется, «повисла в воздухе». Карл Линней (1707-1778) систематизировал весь растительный и животный мир Земли. Он не сделал выдающихся открытий ни в ботанике, ни в зоологии, но предложил систему научного наименования растений и животных. Показательно название одного из его трудов — «Система природы». Системность К. Линнея — это системность не столько природы, сколько способа ее видения, т.е. его системность носит методологический характер. Жан Батис Ламарк (1744-1829) аргументировал изменения растений и низших животных под воздействием окружающей среды, которые приобретают ту или иную форму и свойства.

Выдающийся английский ученый Чарлз Дарвин (1809-1882) на основе разнообразных фактов создал концепцию, которая объяснила происхождение видов благодаря естественному отбору, согласно которому выживают и оставляют потомство наиболее приспособленные к существующим условиям особи. В своей книге «Происхождение видов» он осмысливает влияние среды на организмы, процессы естественного отбора, адаптации и эволюции.

Изложение всех ступеней на длинной лестнице восхождения к системному пониманию явлений природы требует специальных исследований. Не имея возможности изложить эволюцию системных идей, отметим, что многие достижения в науке и технике обусловлены системными представлениями, которые всякий раз, когда свершается новое открытие, подтверждают свои творческие потенции. Системный подход очень плодотворен. Он становится мощным генератором научных идей.

Возникновение и развитие науки о системах

Методология научного познания немыслима без системного подхода, ставшего особенно популярным во второй половине ХХ ст. Хотя системные представления существовали издавна, поскольку одной из важнейших извечных категорий философии является категория «целое», первый вариант общей теории систем был предложен в 1912 г. А. А. Богдановым (псевдоним; настоящая фамилия Малиновский; 1873-1928) в виде учения о тектологии.

A. А. Богданов — это философ (основоположник раскритикованной B. И. Лениным концепции эмпириомонизма, а также создатель тектологии), политический деятель (занимал видное место в российском социал-демократическом движении), писатель (автор нескольких утопических романов), врач и один из организаторов системы здравоохранения в СССР.

А. А. Богданов отличался оригинальными философскими взглядами, характеризовался нестандартностью мышления. Уважая В. И. Ленина как революционера (даже признавая себя его учеником в политике), был непреклонен в философских разногласиях с ним, активно возражал против его установок, осуждал крайности в политике. Он писал, что нельзя быть последователем учителя, не идя дальше него и не расставаясь с ним. Застывшие догмы порождают авторитарные нравы. Самые мертвые из мертвецов те, которые приковали себя к чужой могиле (в науке, философии). А. А. Богданов очень противоречивая натура. Его постоянно заносило в крайности — от субъективного идеализма до народопоклонничества, доходило до попыток замены философии «организационной наукой». Но в целом это был правдоискатель с обостренным чувством нового, демократ-просветитель, деятельный человек. Его тектологические размышления предвосхитили современные теории самоорганизации и общих систем. Разочаровавшись в политике, испытывая постоянные обвинения в еретизме, он отошел от нее, самоотверженно увлекся наукой, основал первый в мире институт переливания крови и погиб, проводя на себе рискованный опыт. По всей видимости, если бы не трагическая смерть, то жизнь его не была бы долгой и счастливой. При жизни он не принял Великую Октябрьскую социалистическую революцию, дистанцировался от правящей партии, хотя сотрудничал с большевиками. Он резко осуждался компартійними функционерами за неортодоксальность и даже не избежал кратковременного ареста. В 30-е годы ему бы припомнили разногласия с Лениным, в качестве документального подтверждения его преступления вспомнили бы критику его Лениным на страницах «Материализма и эмпириокритицизма». Так что А. А. Богданов был бы наверняка репрессирован.

«Всеобщую организационную науку, — отмечает А. А. Богданов, — мы будем называть «тектологией»[8], что в переводе с греческого означает «учение о строительстве». Термин «строительство» является синонимом для современного понятия «организация». Тек-тология Богданова — это общая теория организации и дезорганизации, наука об универсальных типах и закономерностях структурного преобразования любых систем. Несомненно, что А. А. Богданову удалось заложить основы новой синтетической науки, хотя и не получавшей признания длительное время.

Основная идея тектологии состоит в тождественности организации систем разных уровней: от микромира — до биологических и социальных систем. Относительно социальных процессов А. А. Богданов считал, что всякая человеческая деятельность объективно является организующей или дезорганизующей. Он полагал, что дезорганизация частный случай организации. Во всем мире происходит борьба организационных форм, и в ней побеждают более организованные формы (неважно, идет ли речь об экономике, политике, культуре или идеологии). Это происходит из-за того, что организационная система всегда больше, чем сумма ее составляющих элементов, а дезорганизационная — всегда меньше суммы своих частей. Поэтому главная задача тектологии заключается в лучшей организации вещей (техники), людей (экономики) и идей.

А. А. Богданов считал, что всякую деятельность человека можно рассматривать как некоторый материал организационного опыта и исследовать с организационной точки зрения. Это положение — ключевая позиция современного менеджмента. Богданов внес заметный вклад в становление и развитие науки управления. Он выступает представителем организационно-технологического подхода к управлению. Отмечал, всякая задача может и должна рассматриваться как организационная.

А. А. Богданов одним из первых в мире ввел понятие системности. Состояние системы определяется равновесием противоположностей. В результате непрерывного взаимодействия формируются три вида систем, которые он подразделяет на организованные, неорганизованные и нейтральные.

Ученый разработал идею о структурной устойчивости системы и ее условиях. В самой системе одним из первых увидел два вида закономерностей:

1. формирующие, т.е. закономерности развития, приводящие к переходу системы в другое качество;
2. регулирующие, т.е. закономерности функционирования, способствующие стабилизации нынешнего качества системы.

Он ввел также ряд интересных понятий, характеризующих этапы развития различных систем. Так, термин «комплексия» употреблялся им для обозначения ситуации, когда система представляет собой чисто механическое объединение элементов, между которыми еще не начались процессы взаимодействия. Это характерно для случаев, когда, скажем, предприниматель начинает создавать организацию (набрал кадры, закупил технику, нанял помещение и т.д.), но она еще не функционирует.

Термин «конъюгация» (по Богданову) означает уже такой этап развития системы, когда начинается сотрудничество между ее отдельными элементами системы (например, работники установили между собой формальные и неформальные отношения).

Термин «ингрессия» выражает этап перехода системы к новому качеству (например, рост сплоченности, взаимопонимания, сработанности коллектива), а понятие «дезингрессия», наоборот, означает процесс деградации системы, ее распада как целостного объединения.

В Берлине А. А. Богданов опубликовал свои идеи. С ними ознакомился австрийский биолог и философ Людвиг фон Берталанфи (1901-1972), который создал второй вариант общей теории систем. В 30-40-е годы Берталанфи, работая в Вене, заложил основы концепции организмического подхода к организованным динамическим системам, обладающим свойством эквифинальности, т.е. способностью достигать цели независимо от нарушений на начальных этапах развития. Он обобщил принципы целостности, организации и изоморфизма в единую концепцию. Сначала применил идею открытых систем к объяснению ряда проблем биологии и генетики, но потом пришел к выводу, что методология системного подхода является более широкой и может быть применима в различных областях науки. Так возникла идея общей теории систем.

Л. Берталанфи достаточно четко сформулировал проблему построения общей теории систем. Для этого необходимо: во-первых, сформулировать общие принципы и законы поведения систем безотносительно к их специальному виду и природе составляющих их элементов и строгим законам в нефизических областях знания; во-вторых, заложить основы для синтеза научного знания в результате выявления изоморфизма законов, относящихся к различным сферам деятельности. Идеи Берталанфи привлекли внимание международной научной общественности, а идеи Богданова оказались невостребованным потенциалом науки. Это тот, почти библейский случай, когда идеи, как зерна: одни упали на неподготовленную почву, а другие — на благодатную.

Л. Берталанфи сыграл огромную роль в становлении и популяризации системного подхода. В 50-е и 70-е годы ХХ ст. он работал в США и Канаде. Судьбоносной для системных идей стала его работа в Чикагском университете — мировом центре методологии. Там же складывалась школа выдающихся социологов. Поэтому неудивительно, что системный подход сразу же вошел в социологическую науку и как теория, и как принцип, и как знание, и как метод исследования. Л. Берталанфи — основоположник целого научного направления, связанного с созданием общей теории систем. Он первым поставил саму задачу построения этой теории. Общая теория систем мыслилась им как фундаментальная наука, исследующая проблемы систем различной природы.

Существенный недостаток в понимании Л. Берталанфи общей теории систем состоял в том, что он объявил ее заменяющей философию, что вызвало справедливые возражения философов. Если обратить внимание на содержание общей теории систем, то в нее входят в основном формализованные науки, которые хорошо применимы к относительно простым системам. Потребность исследования сложных систем заставляет использовать качественный анализ, которым владеют философские науки. Но философии систем в общей теории систем места не нашлось. Поэтому произошло раздвоение общей теории систем (ОТС) на ОТС в широком смысле и на ОТС в узком (рис. 3).

Рис. 3 — Схема общей теории систем в представлении Л. Берталанфи

Сама ОТС в узком смысле также в значительной мере осталась количественно-формальной наукой.

Последующее развитие системных знаний привело к тому, что возникло несколько вариантов общей теории систем в узком смысле слова, сформировалось знание, которое отражало отдельные стороны систем, появились значительные наработки о системах различной природы: физических, химических, биологических, психических и социальных.

В качестве особого и главного популяризатора системных идей выступила научно-техническая революция, которая обеспечила бурное развитие системного подхода. На Западе идеи теории систем развивали такие ученые, как Р. Акофф, О. Ланге, Р. Мертон, М. Ме-сарович, Т. Парсонс, У. Росс Эшби и др. В СССР в 60-70-е годы проблемы системологии, создания общей теории систем были также очень популярными. Исследованиями здесь занимались В. Г. Афанасьев, В. М. Глушков, В. П. Кузьмин, Ю. Г. Марков, И. Б. Новик, Л. А. Петрушенко, В. Н. Садовский, М. И. Сетров, В. С. Тюхтин, А. И. Уемов, Э. Г. Юдин и другие ученые.

Системный подход широко распространился в экономике, социологии, психологии и др. В социологии большой вклад в развитие системных представлений об обществе внесли В. Г. Афанасьев, Р. Мертон, Т. Парсонс, П. А. Сорокина и др. Значительно развиты в социологии целые течения теорий, получившие название функционализм, структурализм и структурный функционализм.

Торжество системного подхода в экономической науке связано с лауреатом Нобелевской премии 1973 г. Василием Леонтьевым, который исследовал структуру экономики, разработал метод экономических расчетов «затраты — выпуск», «методом межотраслевого баланса». Политологическое применение системного подхода обеспечено трудами М. Вебера. Системность в психологии предопределена исследованиями П. А. Анохина, А. А. Леонтьева, А. Р. Лурии. Проникновение системных идей в управление подготовлено исследованиями Р. Акоффа, В. Г. Афанасьева, В. М. Глушкова.

К настоящему времени в мире насчитываются десятки тысяч публикаций по проблемам системного подхода, теории систем и системного анализа. Можно говорить о существенном обновлении системных идей, которое связано с работами В. А. Карташова, С. А. Кузьмина, И. И. Пригожина, В. Н. Спицнаделя, Г. Хагена и др.

лекции и учебные пособия. «Теория систем и системный анализ» (Ю. П. Сурмин)

Ю. П. Сурмин

Глава 12, Роль системного подхода в науке и практике

12.1. Функции системности в науке

Основные направления системности в науке

Системная методология включает в себя системный подход как принцип познания и практики, метод деятельности, теорию. Обладая исключительно большим потенциалом, она находит широкое применение в современной науке (естественные, технические, общественные науки, науки о человеке).

В настоящее время происходит интенсивная интеграция наук, изучающих объекты различной природы, но использующих общие методологические подходы, методы и даже методические приемы. Это подчеркивает В. П. Кохановский: «Один из важнейших путей взаимодействия наук — это взаимообмен методами и приемами исследования, т.е. применения методов одних наук в других« [15, с. 96].

Системный подход — специфическая реакция на бурный и длительный процесс дифференциации в науке, который привел к возникновению огромного количества непохожих одна на другую наук. Это то, что объединяет отдельные науки в единую науку, форма методологической интеграции современной науки. Происходящие в нем открытия в рамках конкретных наук довольно быстро становятся достоянием всей науки. Системный подход — единство методологической интеграции и дифференциации при доминировании тенденции объединения, собирания методологического комплекса.

При этом он выполняет самые многообразные функции в науке. Наиболее важными среди них выступают мировоззренческая, эвристическая, объясняющая, методологическая и прогностическая функции (табл. 40).

Таблица 40 — Функции системной методологии в науке

Ныне невозможно представить ни одного ученого, который не отличался бы системным мировоззрением. Системное мировоззрение обеспечивает интеллектуальные и социально-психологические предпосылки для познания. Удивительно, но уже до познавательного акта ученый благодаря своему мировоззрению изначально обеспечивает себе успех в постижении истинности объекта, ибо он подходит к нему как к системе.

Перечислим наиболее важные проблемы системного мировоззрения современных специалистов:

• недостаточная глубина системных взглядов, которая выражается в том, что специалист владеет даже не научным, а обыденным детерминистским пониманием природы систем;
• низкая эрудиция в сфере системных идей, незнание достижений системности в своей отрасли и науке вообще;
• неметодологичность системного мировоззрения, когда системные знания специалист не может применить в качестве метода познавательной и практической деятельности. В практике научных исследований системный подход ценен не только парадигмальностью, но и методологичностью, т.е. использованием его не столько как способа представления мира, а как метода его познания. В этом и заключается его методологическая функция, когда системность в познавательном процессе работает как принцип, метод и теория;
• разрыв между философским, общетеоретическим и математико-кибернетическим пониманием систем.
  Как правило, специалист, знающий философию систем, не владеет по причине своей гуманитарной подготовки кибернетикой и математикой систем, а специалисты технического профиля не поднимаются до уровня общесистемных идей.

Следует подчеркнуть, что в практике научных исследований наблюдается быстрый рост культуры системных исследований, включающий в себя не только знания из общей теории систем, но и инструментальное владение системным подходом, системным анализом. Если еще несколько лет назад упоминание в статье слова «система« и трактовка его в смысле комплексности делало публикацию системной, то ныне довольно широко используются структурный, функциональный, структурно-функциональный, системно-логический и другие подходы, вырабатывается специфика применения системных идей в различных сферах практической деятельности: бизнесе, государственном управлении, социальной защите, культуре и т. д.

Важное предназначение системного подхода заключается в познании, в получении истины, т.е. знания, которое соответствует своему предмету, совпадает с ним. Особенность ее в системном исследовании заключается в представлении целостной, универсальной и многомерной картины действительности.

Эвристика представляет собой сферу научного знания, цель которой — открытие нового в науке, технике и других сферах жизни; облегчает и упрощает решение познавательных, конструкторских, практических задач. Она опирается на методы теории познания, синтеза знания и исследование бессознательного: вдохновения, инсайта, озарения, медитации, «мозгового штурма«, соприкасается с творчеством, исследует его механизмы, побуждения в реальной деятельности.

Рассмотрим эвристическую функцию системного подхода. Прежде всего, отметим, что он выступает межотраслевым эвристическим методом, т.е. широко применяется во всех отраслях науки и практической деятельности. Для метода свойственна высокая гибкость и способность приспосабливаться к накопленному в той или иной науке знанию и исследовательской традиции. К тому же он является рациональным эвристическим методом, который не только способствует озарению, инсайту, но и позволяет построить технологию получения нового знания и представить его в наиболее удобной системной форме. Эвристическая роль системного подхода нередко заключается в том, что он дает возможность усматривать пробелы в знаниях о данном объекте, обнаруживать их неполноту, определять задачи научных исследований, в отдельных случаях (путем интерполяции и экстраполяции) предсказывать свойства отсутствующих частей описания [7]. Так, если исследователь определил системные характеристики какого-то объекта, то далее системный подход от него требует анализа структуры и функций системы. Стоит только исследователю взять на вооружение системный подход и применить какую-либо его составляющую, как неизбежно начинает развертываться его целостная и разнообразная логика, возникают вопросы к объекту как к системе, которые нельзя оставить без ответа.

Системное мышление выступает мощным источником гипотез — предположений о тех или иных сторонах, свойствах, связях объектов. Само гипотетическое знание о системах является очень многообразным. Исследователь может выдвинуть относительно простые гипотезы о границах, составе, структуре, организации, функциях, особенностях развития системы. Уместны и более сложные составные гипотезы, предполагающие наличие связи между структурой и функциями, организацией и свойствами и т.п. Поток системных гипотез создает благоприятные возможности для объяснения объектов и процессов.

Объясняющая функция системной методологии заключается в том, что она позволяет обнаруживать устойчивые, сущностные и неслучайные зависимости, т. е. закономерности. Нередко объяснение сводят к выявлению причин. Системное объяснение, на наш взгляд, представляет собой особый вид объяснения, который строится не на причинно-следственных связях, а на системных закономерностях. При этом оно может реализовываться как по индуктивной, так и по дедуктивной моделям. При этом гипотетико-дедуктивное объяснение строится на выдвижении научно обоснованных гипотез и их эмпирической проверке. А индуктивное объяснение сводится к сбору эмпирической информации о системе и ее обобщению. Каждая из этих моделей характеризуется тем, что имеет совокупность феноменов, подлежащих объяснению, — объясняемое, и совокупность предложений теории, т.е. законов и гипотез, служащих основанием объяснения. В той и другой модели объяснение опирается на системные представления и закономерности.

Прогностическая функция системности отличается от функции объяснения тем, что здесь нет знания-результата, которое при прогнозировании надо получить. Она реализуется несколькими путями. Во-первых, благодаря теории эволюции систем, проходящих общие этапы развития, удается собрать информацию о феноменах, которые не существуют в данный момент, но возникнут благодаря пространственно-временному развитию системы. Во-вторых, системные идеи довольно широко применяют для предсказания будущего систем, их воздействий на окружающую среду на основе модели волновой и циклической динамики. Например, довольно эффективной для прогнозирования экономической конъюнктуры является теория волн выдающегося русского экономиста Н. Д. Кондратьева (1892-1938), создавшего в начале 20-х годов теорию длинных волн с периодом 45-55 лет, которые обусловлены внедрением технических изобретений, развитием новых отраслей промышленности. Волновые и циклические процессы свойственны для всех разновидностей систем. Поиск, обоснование и расчет длины волны или длительности цикла позволяет предвидеть будущее системы.

Системные законы и их роль в познании

Роль системной ментальности, системной методологии будет, несомненно, возрастать в жизнедеятельности человека ХХІ ст. Процесс обусловлен быстрым ростом потенциала системности, накоплением значительных объемов знания о системах, оттачивание тонкого и эффективного инструментария исследований. Конечно, каждая эпоха будет приводить к актуализации тех или иных положений теории систем, обеспечивать ревизию и интеграцию системного знания, как это происходит ныне, когда обновляются системные идеи в свете постклассической и постнеклассической методологий.

Роль системности в методологии науки трудно переоценить. Практически все значительные достижения наук со второй половины ХХ ст. в большей или меньшей степени связаны с системной методологией. Системный подход ценен прежде всего тем, что он формулирует общесистемные законы, которые улавливают зависимости между отдельными сторонами и свойствами систем. Подчеркнем, что системные законы носят общесистемный характер, т.е. они свойственны для систем любой природы. Среди них выделяются:

• Закон соотношения целого и части — система как целое больше суммы составляющих ее частей. Этот закон восходит к утверждению древних мыслителей о том, что целое больше его частей.
• Закон совокупных свойств системы, или закон эмерджентности — свойства системы не сводятся к свойствам ее элементов, а являются результатом их интеграции.
• Закон зависимости свойств системы не только от свойств составляющих элементов, но и взаимосвязей между ними. Другая трактовка этого закона такова: две системы, содержащие тождественные элементы, могут быть несхожими по свойствам благодаря различию в характере и архитектонике связей.
• Закон взаимосвязи структуры и функции, заключающийся в констатации взаимообусловленности структуры и функций системы.
• Закон функциональной целостности системы, констатирующий функциональную интеграцию элементов в функции системы.
• Закон простоты и сложности системы, согласно которому, чем проще система, чем из меньшего числа элементов и связей она состоит, тем меньше проявляет она системное качество и чем сложнее система, тем более непохожим является ее системный эффект по сравнению со свойствами каждого элемента.
• Закон ограничения разнообразия системы У. Р. Эшби, который говорит о том, что организованные системы отличаются ограничением разнообразия.
• Закон закрытых систем — закрытые системы подчиняются второму закону термодинамики и стремятся к максимальной неупорядоченности.
• Закон открытых систем — открытые системы благодаря вводу негоэнтропии могут сохранять высокий уровень организованности и развиваться в направлении увеличения порядка и сложности.
• Закон взаимосвязи сложности системы и ее устойчивости, который говорит о том, что усложнение систем ведет к обретению системой дополнительной устойчивости. Чем сложнее система, тем менее она устойчива. Но для того чтобы не разрушиться, система вынуждена находить дополнительные источники устойчивости.
• Закон равновесия системы, констатирующий, что только тогда система находится в равновесии, когда каждый ее элемент находится в состоянии равновесия, определяемом другими элементами.
• Закон многообразия (плюрализма) системных представлений, согласно которому целостность системы никогда не может быть сведена только к одной ее модели. При дополнительных поисках обязательно найдется такая модель системы, которая будет непохожей на предыдущую.
• Закон адаптации систем, утверждающий, что чем выше адаптивность системы, тем она имеет большую вероятность потерять свою идентичность.
• Закон развития системы, согласно которому развитие системы осуществляется не благодаря укреплению элементов и связей, а посредством возникновения зон неупорядоченности, хаоса, которые формируют точки бифуркации, переход через которые выводит систему на новый уровень упорядоченности.
• Закон продуктивности хаоса, полагающий, что любая объективная неупорядоченность, любой реальный хаос содержат в себе элементы и даже очаги самоорганизации.

Названный список законов нельзя считать исчерпывающим. По всей видимости, обоснование системных законов представляет собой процесс, который только набирает силу в современной науке и будет идти по нескольким направлениям: обоснование общесистемных законов, объясняющих системы независимо от их природы; формулирование законов систем определенной природы и осмысление в свете системности имеющихся; поиск закономерностей системного мышления, анализа, познания.

Карта сайта

В свете свечения.

Биолюминесценция выявила системные проблемы мегагрантов. — Поиск

Три года для фундаментального исследования не срок. А у первых 40 вузов, получивших мегагрант на создание лабораторий под руководством ведущих ученых (согласно Постановлению Правительства РФ №220), времени на работу было и того меньше, так как финансирование поступило лишь в октябре. Поэтому по результатам фактически двухлетней работы лабораторий было принято решение о продлении финансирования еще на два года. На продление поступило 37 заявок, из которых были удовлетворены 24. Теперь аналогичное решение предстоит принять и по 39 лабораториям “второй волны”, у которых заканчивается последний год проекта.
Лаборатория биолюминесцентных биотехнологий Института фундаментальной биологии и биотехнологии Сибирского федерального университета – одна из них.
Все необходимые показатели за первый год участниками этого проекта были выполнены, за исключением одного: ее руководитель нобелевский лауреат Осаму Шимомура (ему недавно исполнилось 85) не находился в Красноярске положенные четыре месяца. “Поиск” уже писал, как в аналогичной ситуации другой вуз и другой приглашенный ученый, наш соотечественник, фальсифицировали показатели в отчете, и проект был признан выполненным (“Невозможно отказать?”, “Поиск” №12, 2013). В случае, о котором мы пишем сегодня, цифры отчета соответствовали реальности.
И… финансирование второго года проекта оказалось под большим вопросом. Только в июле – после того, как специальная комиссия побывала в лаборатории с “сайт-визитом”, ознакомилась с ее работой и доложила о своих выводах Совету по грантам, поддержку проекта продолжили.
Накануне нового учебного года Осаму Шимомура снова приезжал в Красноярск. Он провел в лаборатории биолюминесцентных биотехнологий серию семинаров и неформальных встреч, обсуждая с учеными, аспирантами, студентами достигнутые научные результаты. На некоторых из них присутствовал корреспондент “Поиска”.
Знакомство с работой лаборатории и ее руководителем стало поводом задуматься о принципах поддержки фундаментальной науки.
Руководитель
“Когда б вы знали, из какого сора растут стихи, не ведая стыда…” Научные открытия и потрясающие применения их на пользу человечеству тоже подчас начинаются с изучения таких, казалось бы, бесполезных вещей!
На фотографии 60-х годов прошлого века – группа молодых веселых людей на фоне океанского залива, в руках – сачки. Это Осаму Шимомура в окружении своих аспирантов. Тут же его неизменная спутница жизни, жена и ассистент Акеми Шимомура, и двое маленьких детей, они тоже с сачками. Когда молодой химик мобилизовал все свое семейство на ловлю медуз Aequorea victoria, контуры которых в темноте мерцали зеленоватым цветом, кто бы мог подумать, что это путь к поистине революционной методологии исследования процессов, происходящих в живой клетке, и… к Нобелевской премии?
Медуз требовалось очень много. Светящиеся кольца вырезали ножницами. Потом, поскольку вручную уже не успевали обрабатывать такую массу биоматериала, изобрели специальный станок. И все для того, чтобы понять, почему же они светятся. Известное к тому времени объяснение – в результате взаимодействия двух составляющих, люциферина и люциферазы (так “работает” биолюминесцентная система светлячков) – не подходило: как ни бились, выделить подходящие под эту схему вещества из медузьей массы не удавалось. Осаму Шимомура предположил, что причина свечения медуз – в каком-то другом светоносном веществе и механизм свечения отличается от уже известного.
Хотя его научный руководитель не поддерживал эту идею, Шимомура не отступился. И в конце концов достиг цели: в процессе очистки белка медузы эквореи – экворина, который ярко светился голубым светом при взаимодействии с ионами кальция, был обнаружен еще один белок, светящийся светом зеленым. Он получил название GFP (green fluorescent protein), зеленый флуоресцентный белок. На открытие, изучение, синтез GFP Осаму Шимомура потратил почти 20 лет.
GFP “переизлучает” энергию, получаемую от обычной биолюминесцентной системы медузы. Но его можно “возбудить” и светом. Именно это обстоятельство и создало ему всемирную популярность спустя десятилетия, когда GFP научились использовать в качестве “биологической метки”. Уже другие ученые обнаружили, что, клонировав ген GFP, его можно включать в ген другого белка и наблюдать за процессами, происходящими в клетке. “Пометив” GFP клетки раковой опухоли и вживив их мыши, по распространению свечения, наблюдаемого с помощью флуоресцентного стереомикроскопа, можно видеть, как развивается болезнь и как действуют на ее течение различные виды лекарств. Сейчас ученые научились синтезировать флуоресцентные белки разного цвета и маркировать ими различные биологические процессы.
Нобелевскую премию по химии Осаму Шимомура получил в 2008 году, то есть спустя 40 с лишним лет после того дня, запечатленного на старой фотографии, – вместе с Мартином Челфи и Роджером Тсиеном, за “открытие и развитие использования GFP”.
Сам Шимомура подчеркивает, что к прикладным исследованиям равнодушен – его всегда интересовали чисто фундаментальные результаты. И поскольку до сих пор остается непознанным механизм свечения грибов и червей, он очень увлечен этой проблемой. Выйдя на пенсию в 2001 году, ученый вместе со своей спутницей жизни продолжал исследования в домашней лаборатории. Почему согласился участвовать в проекте по мегагранту? Красноярск, считает он, уникальное место. “Еще лет двадцать назад биолюминесценцию изучали очень многие ученые в мире, – говорит Осаму Шимомура. – Сегодня исследования физико-химического механизма биолюминесценции идут только здесь. Хотя в мире есть люди, которые занимаются ее применением в биологии, но не химией биолюминесценции или биохимией грибов, но не их биолюминесценцией”.
Лаборатория
Мегагрант на создание лаборатории под руководством Осаму Шимомуры получил Сибирский федеральный университет, но, по сути, вместе с нобелевским лауреатом его выиграли ученые двух организаций: СФУ (кафедра биофизики) и Института биофизики (ИБФ) СО РАН, в котором исследованием природы биолюминесценции занимаются еще с 1960-х годов. В частности, ими на основе многолетних морских экспедиций дано первое обобщенное описание биолюминесцентного поля Мирового океана.
Тут стоит упомянуть об исторически сложившейся очень эффективной системе взаимодействия академического института с классическим университетом. Красноярский госуниверситет (КГУ), на основе которого потом вырос СФУ, был создан в конце шестидесятых на базе филиала и по модели Новосибирского госуниверситета. Но всерьез научная работа в области биофизики и экологии в КГУ начала набирать обороты в 1999 году, когда университет и ИБФ получили грант по российско-американской программе “Фундаментальные исследования и высшее образование”, организованной Минобразования РФ и Американским фондом гражданских исследований и развития (CRDF), и создали НОЦ “Енисей”. После этого постоянно были другие программы, другие гранты, публикации в российских и международных изданиях. К слову, на международных конференциях по биолюминесценции в иной раз добрая половина докладчиков – из России.
Сейчас на кафедре биофизики СФУ практически нет штатных университетских профессоров: здесь читают лекции совместители, доктора наук, представляющие все лаборатории ИБФ СО РАН. Заведует кафедрой ведущий научный сотрудник этого академического института профессор Валентина Кратасюк – ИБФ “командировал” ее на эту должность в том же 1999-м.
Возглавить лабораторию по мегагранту Осаму Шимомуре предложил академик Иосиф Гительзон, бывший директор, а сейчас советник РАН в ИБФ и научный руководитель Института фундаментальной биологии и биотехнологии СФУ, инициатор биолюминесцентного направления в Красноярске.
Нобелевский лауреат хорошо знал сибиряков по их работам, и, хотя, надо признать, с самого начала сомневался, позволит ли его здоровье выполнить жесткое требование четырехмесячного присутствия в лаборатории, предложение все же решился принять. Возможность разгадать тайну светящихся живых организмов притягивала. И, конечно же, работа в домашней лаборатории не открывала таких перспектив, как исследования на самом современном оборудовании вместе с сильным научным коллективом.
Задача этого проекта, как сформулировано в заявке, – проведение широкомасштабных мультидисциплинарных исследований по направлению “Биолюминесцентные биотехнологии”: изучение молекулярно-клеточной организации биолюминесцентных систем различных организмов, разработка и применение высокоэффективных способов аналитического использования явления биолюминесценции для биологии, медицинской диагностики и при мониторинге состояния внешней среды. А еще – создание образовательных программ на основе явления биолюминесценции.
К выполнению проекта были привлечены и другие признанные в этой области ученые, например группа академика Сергея Лукьянова из Института биоорганической химии (Москва). В феврале с визитом в СФУ приезжал почетный профессор Департамента биохимии и молекулярной биологии Университета штата Джорджия (США) Джон Ли. Он прочел открытые лекции по механизмам и применению биолюминесценции, принял участие в экспедиции по поиску новых светящихся организмов. С группой ученых из ИБФ СО РАН Джон Ли, по его словам, “активно и очень продуктивно” сотрудничает уже лет двадцать и высоко оценивает “научные стандарты” этого сотрудничества и исследовательские компетенции красноярских ученых (об этом он написал в письме, отвечая на вопрос корреспондента “Поиска”).
Лаборатория сегодня – это четыре большие, по последнему слову научной техники оборудованные комнаты в СФУ. Кроме того, университет занимает площади в ИБФ, где также установлено уникальное оборудование, закупленное по мегагранту. “Если раньше для проведения некоторых исследований нашим ученым приходилось ездить в Москву или за рубеж, то теперь едут к нам”, – не без гордости говорит профессор Валентина Кратасюк.
Созданы новые рабочие места. Всего в лаборатории около 80 человек, среди которых много студентов и аспирантов.
– Когда приезжала летом комиссия, нам задавали вопрос: зачем вам Осаму Шимомура, вы и так сильная команда? На самом деле значение того, что лабораторию возглавил нобелевский лауреат, исследователь биолюминесценции, для нас трудно переоценить, – подчеркивает В.Кратасюк. – Но особенно это важно для молодых – он приезжает, читает лекции, разговаривает буквально с каждым сотрудником лаборатории, внимательно разбирается в деталях, выдает идеи. Молодежь начинает понимать, что мы работаем на мировом уровне. Они в это не очень верят, пока не начнут по миру ездить. А теперь процесс быстрее пошел. Ускорение – ключевое слово. Потому что мы все равно всего добились бы – мы упорные!
Результаты
Число совместных публикаций с Осаму Шимомурой, подготовленных за первый год выполнения проекта, соответствует необходимому минимуму – их две. Ученые объясняют: невозможно начать исследования почти с нуля и за два года провести эксперименты и выдать результат, которого другие ученые, в чьей квалификации не приходится сомневаться, не могли добиться в течение сотни лет. И не просто выдать, но и описать их в статьях, и опубликовать эти статьи в рейтинговых изданиях. А сделано, на самом деле, немало. Например, удалось расшифровать механизм биолюминесценции сибирских почвенных олигохет двух видов. Эти светящиеся черви были, можно сказать, случайно обнаружены одним из красноярских ученых – профессором Л.Левиным на своем огороде и оказались не похожи на всех изученных ранее. Заметим, что он обратил внимание на олигохет благодаря своему опыту изучения биолюминесценции в морях. Еще один пример того, как совершенно непреднамеренно начинается порой путь к новым научным открытиям. К первому десятку расшифрованных ранее совокупным и многолетним трудом многих исследователей биолюминесцентных систем добавились еще две.
Другая группа ученых лаборатории продвинулась по пути познания механизма свечения грибов. Биолюминесцентные системы этих живых организмов наиболее трудно поддаются расшифровке.
– Открыть новую биолюминесцентную систему – значит понять структуру субстрата (люциферина) и фермента, катализирующего реакцию окисления, в результате которой происходит свечение, – объяснила Людмила Франк, заведующая лабораторией биолюминесцентных технологий, ведущий научный сотрудник ИБФ СО РАН и профессор базовой кафедры биотехнологии СФУ. – Как правило, люциферин – низкомолекулярное соединение, структуру которого надо установить. Объединяет все биолюминесцентные системы только одно – они излучают свет. Все остальное может быть разным.
В ходе этого проекта ученым удалось впервые выделить in vitro субстрат грибов, отвечающий за их свечение, что открыло дорогу к определению его химических компонентов. “Претендентами” на роль люциферина выступают более 120 видов белковых молекул. Теперь нужно время, чтобы все их идентифицировать, проверить и выбрать одну “виновницу” свечения. Хотя вполне возможно, что механизм свечения грибов окажется каким-то принципиально иным, как это было в случае с медузами Aequorea victoria. И так же, как тогда, сразу невозможно сказать, зачем человечеству может понадобиться знание “механизма” свечения грибов и червей.
В лаборатории занимаются и прикладными вещами. Фундаментальные результаты, полученные в прежние годы, нашли практическое применение сейчас. В частности, разработаны и патентуются биолюминесцентные методы и реагенты для применения в медицинской диагностике, где они могут во многом заменить радиоизотопный анализ и использоваться в экологическом контроле.
Кроме того, биолюминесценция – хороший образовательный инструмент: ее видно! И ученые научились использовать ее для визуализации многих биологических процессов, в помощь преподавателям биологии в университете (пока только СФУ) и школах. Созданные в лаборатории методы были с исключительной эффективностью опробованы в школах Красноярска. В рамках проекта разработан “Школьный биолюминесцентный практикум” с использованием универсального реагента, соединившего в себе многие компоненты разных биолюминесцентных систем (ноу-хау красноярцев). Это маленькая сухая чешуйка, которая начинает светиться, если опустить ее в воду. Причем яркость света зависит от степени загрязненности воды.
У детей, рассказывают, особым успехом пользуется лабораторная работа “Осторожно, газировка!”: прибор размером с сигаретную пачку позволяет быстро выявить и наглядно показать токсичные вещества в составе жидкости. Зимой школьники по всему городу собирали снег и строили карты загрязнения Красноярска. Портативную аналитическую лабораторию разработали и своими руками собрали аспиранты. В рамках выполнения проекта по мегагранту создано малое предприятие “Прикладные биосистемы”, в котором налажен выпуск этих приборов. Стоимость вполне демократичная, школы проявляют большой интерес, делают заказы.
На очереди – воплощение новых идей применения метода. Например, биосенсор, который всегда можно носить с собой в кармане как авторучку. Достаточно поплевать на него (в буквальном смысле), чтобы увидеть, стоит ли продолжать спортивные тренировки или пора уже и отдохнуть (степень утомленности анализатор определит по уровню токсинов в слюне). Подобным образом можно предупреждать переутомление и от умственной нагрузки у школьников.
Государственный подход
Напомним, из-за невыполнения требования о четырехмесячном пребывании приглашенного исследователя в возглавляемой им лаборатории финансирование второго года исследований оказалось под вопросом. На продление гранта, видимо, тоже рассчитывать не приходится?
Мы задали этот вопрос Григорию Гольцману, члену Совета по грантам и одному из группы экспертов, приезжавших в СФУ с сайт-визитом. Он поделился своим мнением о лаборатории и сложившейся ситуации:
– Я провел там почти целый день, после чего выступал на заседании совета. После обсуждения члены совета с небольшим перевесом проголосовали за продление финансирования. Голосующих против было довольно много. Дело в том, что эти четыре месяца заложены в постановлении правительства с самого начала и совет в принципе не может что-то изменить. Мы были вправе только отложить часть невыполненных визитов на следующий год.
У меня сложилось самое положительное мнение о квалификации этих ученых, о молодых участниках, об их желании работать, об оборудовании, о ходе исследований. Единственное, что, на мой взгляд, было сделано неправильно (кстати, это встречается и в некоторых других “мегагрантных” проектах, когда приезжает ученый, нероссиянин по происхождению), – приглашенному руководителю не объяснили достаточно настойчиво, что в России, к сожалению, все еще надо работать по-другому, не так, как привыкли в западных университетах. По условиям конкурса надо уже в первый год отчитываться статьями. Но такая возможность, в принципе, есть. Просто за рубежом этого никто не требует. А люди, хорошо представляющие нашу реальность, кроме больших перспективных задач пытаются решить более мелкие, по которым можно сразу начать работать, быстро получить результат, написать статью. На мой взгляд, у красноярцев мало статей в соавторстве с Осаму Шимомурой именно из-за того, что он редко и ненадолго приезжал, а также из-за того, что ему не интересны мелкие задачи. Я согласен со всеми объяснениями, которые приводят красноярцы, но другие лаборатории работают в таких же условиях. А ситуация там иная: кроме выдающихся работ есть другие и публикации по ним, причем достаточно много, до нескольких десятков.
– А если человек не мог приезжать по состоянию здоровья?
– Был случай гораздо более печальный. Мы продлили финансирование одной лаборатории, которая хорошо работала, но чуть ли не в день заседания совета ее руководитель, приглашенный ученый, умер. И решение о продлении финансирования было отменено.
Чтобы обойти требование о продолжительности пребывания ученого в его российской лаборатории, необходимо новое решение правительства. Добиться его – путь, наверное, возможный, но крайне трудный, к тому же с непредсказуемым концом. Мотивации к этому у членов совета пока нет. Эта программа – с огромным конкурсом. Количество мест невелико, заявок очень много, и поэтому проходят проекты, исключительно хорошие со всех точек зрения. Конечно, четыре месяца – срок большой, и из-за этого некоторые ученые отказываются участвовать в конкурсе. Но и тех, кто не отказывается, более чем достаточно. Если заявок будет еще больше, качество экспертизы и результат могут даже ухудшиться.
Взгляд со стороны
Осаму Шимомура на вопрос о трудностях, с которыми пришлось столкнуться при выполнении проекта, ответил, что с большим запозданием поступали деньги по гранту и это мешало использовать их более эффективно. Он отметил также, что в России очень сложный и инерционный механизм приобретения оборудования – на получение нужных приборов уходили месяцы, если не годы, в то время как западный ученый получает их за дни и недели.
Что же касается пресловутого срока пребывания в лаборатории, нобелевский лауреат припомнил, как ему рассказывали, что в позапрошлом веке путешествие из Москвы в Красноярск занимало четыре месяца. А сегодня – четыре часа. Потому что вместо лошадей стали использовать самолеты. На его взгляд, Россия недооценивает современные возможности дистанционного общения, которое позволяет совместно работать не то что четыре, а все двенадцать месяцев в году, практически не ощущая расстояния.
Собственно, так он и работал с красноярцами в перерыве между приездами.
Продолжение следует
В конце августа Осаму Шимомура наряду с остальными учеными-мегагрантчиками получил предложение от Минобрнауки РФ подать вместе с СФУ документы для продления гранта еще на два года. Среди условий – все то же четырехмесячное пребывание в России. Сейчас уже ясно, что выполнить его нобелевский лауреат не сможет, поскольку должен находиться под наблюдением своих американских врачей. Но делать все, что в его силах, для продолжения исследований он готов: современные дистанционные технологии действительно это позволяют. Осаму Шимомура очень хочет вместе с сибирскими биофизиками все же найти разгадку тайны и понять биохимическую природу свечения грибов и червей. Поэтому свой гонорар по мегагранту он отдал на развитие лаборатории, тем самым создав, похоже, прецедент.
– Эти средства переданы в эндаумент СФУ. На их основе будет создан фонд Осаму Шимомуры. На проценты от вклада собираемся выплачивать стипендии наиболее отличившимся в исследованиях студентам и аспирантам, – рассказала Валентина Кратасюк. – Уже несколько человек из нашей лаборатории решили внести в этот фонд деньги в размере месячной зарплаты. Таким образом, мы хотим увековечить в истории университета имя Осаму Шимомуры, который так много сделал для изучения биолюминесценции в мире в целом и в Сибирском федеральном университете в частности.
А исследования, начатые в лаборатории Шимомуры, что бы там ни было, продолжатся. Сейчас ее российские руководители готовят заявку на новый мегагрант с другим приглашенным исследователем, который занимается сходными проблемами.
На ближайшем, 18-м Международном симпозиуме по био- и хемилюминесценции Осаму Шимомура намерен выйти с предложением провести следующий такой симпозиум в Красноярске, на базе СФУ. Ректор университета Евгений Ваганов идею поддержал. Впервые ученые со всего мира, работающие в этой области, соберутся в России, и молодые сотрудники лаборатории биолюминесцентных биотехнологий СФУ смогут поучаствовать в международном научном общении высокого уровня.
Резюме
Наше государство не доверяет ученым, требуя от них ежегодного отчета, хотя заведомо известно, что для достижения результата нужны годы (иначе бы не был получен мегагрант). Показатели отчетности выбраны по критерию “легкопроверяемости”. Видимо, поэтому и появился показатель “сроки пребывания приглашенного руководителя” и неведомо кем, неведомо почему установленная норма в четыре месяца (почему не три или не пять?). Дистанционное сотрудничество может дать порой даже больше, чем физическое пребывание ученого в лаборатории, но продолжительность интернет-общения не измерить. И его не учитывают.
Отчет становится важнее самого исследования: ведь не отчитаешься – не получишь средств на дальнейшую работу. Формальность показателей приводит к отказу ведущих зарубежных ученых участвовать в проекте, к концентрации сотрудников лаборатории на мелких проблемах, вместо сосредоточения на главном, и даже к подмене данных в отчете о сроке пребывания приглашенного ученого (об этом говорят многие, пре-дупреждая, что “не для печати”).
Между тем, как показывает история, результаты фундаментальных исследований и особенно то, как их можно будет использовать потом, зачастую невозможно запланировать заранее. Доверие ученым, их репутации и опыту должно, по идее, весить больше, чем показатели за год – если, конечно, считать главной ценностью новые открытия, а не отчет. Недоверие к ученым – наша системная проблема. Подтверждение тому – недавние события вокруг РАН.
…Наука интернациональна, однако в каждой стране свои принципы организации научной деятельности. Ученому с мировым именем, который никогда не жил и не работал в России, конечно, непросто привыкнуть к нашим реалиям. Опыт, о котором мы рассказали, рождает вопрос: надо ли привыкать?

Наталия БУЛГАКОВА
Фото автора

Масштабирование в системных исследованиях: ИТ в науке | Открытые системы. СУБД

Создание инфраструктуры для проведения системных исследований, объединяющих данные о составных частях сложной системы, приходящих из разных источников, для получения информации о системе в целом, — приобретает все большую важность. Порой требуются героические усилия, чтобы заставить что-то работать, однако понимание того, как это работает, повышение уровня абстракции при одновременном упрощении дают ключ для перехода к новому качеству.

Старый дом Карла Кессельмана в Санта-Монике (штат Калифорния) серьезно пострадал от землетрясения в Нортридже, случившегося в 1994 году. Насколько вероятно, что новый дом, расположенный всего в пяти кварталах от старого, будет разрушен в результате очередного землетрясения? Удивительно, но этот вопрос оказывается не таким уж неразрешимым. Ключевым в прогнозировании землетрясений является понимание сразу нескольких моментов, а именно: как зарождается разлом, как он создает сейсмические волны в земной коре, как эти волны приводят в движение поверхность земли и, наконец, каким образом здание реагирует на это движение.

Специалисты, изучающие подобные вопросы, проводят системные исследования, объединяя данные о составных частях сложной системы, полученные из различных источников, для выяснения и понимания свойств системы в целом. Такой системный подход приобретает важность во все большем числе областей, от астрономии до зоологии, стремительно порождает все новые знания и, как следствие, новые направления науки.

ПРИМЕНЕНИЕ ИТ

Эти тенденции привлекательны с точки зрения науки, однако в значительной мере требуют использования информационных технологий, поскольку системные исследования объединяют не только различные дисциплины, но и, как правило, программное обеспечение, данные, вычислительные ресурсы и людей. Системные исследования — это работа для целой команды. Данные приходят из разных источников, модели отдельных компонентов создаются разными группами, члены команды обладают знаниями в разных областях, и существенные ресурсы, требуемые для достижения успеха, часто разнородны и географически распределены. Таким образом, системный метод исследования сам по себе требует создания системы определенного типа, которая позволит сочетать множество различных технических и людских ресурсов. Все это означает, что объединение людей, компонентов инфраструктуры, программного обеспечения и способов постановки сложной системной задачи само по себе может представлять задачу, требующую отдельного решения. В действительности даже сегодня, несмотря на значительное число полезных инструментов, для достижения успеха часто необходимы существенные усилия программистов. Важность и сложность этой проблемы заставляет специалистов в компьютерной области спросить себя: а что мы можем сделать для того, чтобы облегчить процесс создания научных групп и разработку программного обеспечения для выполнения системных исследований? Что можно сделать для облегчения масштабирования при проведении системных исследований с учетом количества привлеченных ресурсов, числа участников и круга решаемых ими задач? Ответ на эти вопросы требует изучения природы системного метода исследований, его проблем, а также архитектурных конструкций и технологий, знание которых могут быть полезными для постановки задачи. Непрерывность задачи системных исследований требует отказа от традиционного способа создания специальных программ для научных исследований и приводит к реализации всех исследовательских возможностей в виде отдельных сервисных компонентов, которые ученые смогут затем объединять для проведения более масштабных работ.

ПОЧЕМУ СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД?

Термин «системные исследования» означает метод исследования, при котором не предполагается глубокое погружение в отдельные физические явления, а подразумевается общее понимание поведения сложных физических систем, состоящих из множества отдельных явлений, и изучение связей и взаимодействия между компонентами таких систем. Характерная цель такой работы — добиться единого понимания изначально сложных процессов, состоящих из множества явлений, объяснение которых требует привлечения многих научных дисциплин. Эти системные исследования сами по себе могут и не быть исследованием системы, т.е. изучением систем, состоящих из многих частей. Ученый, практикующий системный метод, заинтересован в понимании одной системы — например, Земли как системы, в то время как тот, кто изучает науку о системах, или сложные системы, ищет принципы, применимые ко всем этим системам.

Прогнозирование землетрясений

Пример решения проблемы предсказания землетрясений позволяет заглянуть в самую суть системного метода исследования. Чтобы понять, как может двигаться земная поверхность в определенной точке, необходимо смоделировать текущее напряжение, детали исследуемой системы разломов, динамику потенциальных разломов, распространение ударных волн и отклик поверхности на удар. Затем ученые должны сложить этот предсказанный отклик поверхности с откликом здания, учитывая структурные свойства использованного в нем бетона, стали и дерева. Возможно, им также придется учесть влияние соседних построек на интересующее их здание. На рис. 1 показаны те области науки, которые могут внести свой вклад в понимание ожидаемого движения земной поверхности (сейсмического риска) в Южной Калифорнии. В каждой из этих областей есть свое научное сообщество, большое количество специальной литературы, а в некоторых — значительные объемы собранных данных или расчетные модели.

Интеграция различных областей для достижения системного понимания проблемы, как правило, требует проведения значительной работы на разных уровнях: исследователи ставят вопросы системного уровня и затем проецируют их на соответствующие специальные вопросы, решаемые в конкретной области. Эта работа включает в себя как активные исследования и дискуссии, помогающие понять текущие достижения науки в каждой области (результаты исследований, предположения и ограничения), так и разработку теоретических основ, методов анализа и компьютерных моделей процессов, чтобы связать данные, модели и трактовку результатов исследований в различных областях. На рис. 2 показано, как исследователи из Центра изучения землетрясений Южной Калифорнии (SCEC) комбинируют модели различных процессов таких, как динамика возникновения разлома или распространение упругих волн с источниками данных, например, с использованием единого структурного представления данных при расчете динамических характеристик зданий после землетрясения [1].

Поскольку каждый элемент такой модели может быть объектом глубокого исследования, научные открытия все чаще делаются благодаря объединению этих элементов в непрерывную систему, как это было сделано при расчете общей динамической характеристики здания, разрушенного ударной волной от разлома, который Том Джордан, один из сотрудников SCEC, назвал «разломом до стропил». На рис. 2 также показано, как исследователи могут комбинировать модели различными способами, в зависимости от природы поставленной задачи. При проведении системных исследований ученые всегда задают новые вопросы, каждый из которых, в свою очередь, может потребовать новых комбинаций данных и программного обеспечения, а также огромных вычислений и объемов данных. Например, в ходе недавно проведенного моделирования процесса распространения упругих волн с высоким разрешением потребовалось четыре дня вычислений с помощью 240-процессорного суперкомпьютера, выполняющего 1,6 трлн. операций в секунду, находящегося в суперкомпьютерном центре Сан-Диего, и было произведено 10 Тбайт данных. Такие модели дали новое понимание мощных движений, подобных землетрясениям в Южной Калифорнии.

Проблемы вычислений

Описываемые вычисления выходят за рамки возможностей и ресурсов, обычно используемых учеными, занятыми в отдельных областях, — они требуют громадных вычислительных мощностей. Но будет ошибкой рассматривать системный метод в науке только как проблему высокопроизводительных вычислений. Это задача системного уровня. Системный метод в науке — не сегодняшнее изобретение: объединенные модели уже применялись для моделирования климата [2] и иногда — для оптимизации в воздухоплавании.

ВЛИЯНИЕ ИТ НА ПРОЦЕСС ИССЛЕДОВАНИЯ

Сложная природа системных исследований влияет на процесс проведения научных исследований, что, свою очередь, предъявляет серьезные требования к инфраструктуре, необходимой для поддержки исследовательского процесса.

Командно-ориентированные исследования

Как правило, сложность этих исследований такова, что единственно жизнеспособный подход к их проведению — это сотрудничество распределенных команд, специализирующихся в различных областях знаний. Например, SCEC объединяет более 600 ученых из 55 институтов. Поскольку ни одна организация не в состоянии предоставить все интеллектуальные, вычислительные ресурсы и все данные, выход задачи за границы отдела, лаборатории или страны становится важной частью процесса исследования. Применительно к таким сообществам часто используется термин «виртуальные организации» — чтобы подчеркнуть то, что они должны поддерживать понятие членства, роли и распределение обязанностей участников процесса.

Совместное использование ресурсов. Одна из важнейших особенностей командно-ориентированных исследований — необходимость совместного использования ресурсов. Даже в рамках одного научного направления высокая стоимость и сложность вычислительных аспектов работы все чаще приводят к созданию и использованию общих моделей и баз данных. Поскольку каждый человек может участвовать более чем в одном направлении исследований и одновременно быть членом сразу нескольких команд, необходимо наладить совместное использование программ и разработать модели, которые были бы применимы в различных условиях.

Разнородность ресурсов и способы их консолидации. Поскольку команда, созданная для системных исследований, использует знания и ресурсы различных научных дисциплин и организаций, она неизбежно сталкивается с существенной разнородностью оборудования, разнообразием развернутого программного обеспечения и различиями в образе действий. Это может стать серьезным препятствием для сбора воедино компонентов инфраструктуры, необходимых для решения насущной задачи. Но понимание проблемы в целом требует интеграции всех типов ресурсов и компонентов.

Динамичность. Ресурсы, используемые командой ученых при проведении системных исследований, как правило, динамично меняются в ходе научной работы. Члены команды могут присоединяться к ней и выходить из нее, может появиться новое оборудование и программное обеспечение, может измениться сама природа исследуемых вопросов, могут возникнуть и новые вопросы. Изменения могут происходить в разные периоды — конечно, начальный этап сложных исследований может занять несколько месяцев, но изменения могут появиться гораздо быстрее.

Различные уровни участия. Масштаб проблемы, в сочетании с многоплановостью вопросов, на которые отвечают исследователи, означает возможность существования различных уровней участия в ее решении. Это подтверждают и результаты наблюдений разработчиков Sloan Digital Sky Survey за распределением частоты доступа пользователей к вычислительным ресурсам. Проведенные наблюдения показали, что немногие пользователи получают доступ часто, тысячам пользователей доступ требуется умеренное число раз, а большинству (около миллиона) доступ требуется редко. Полученные результаты могут относиться к количеству астрономов, занимающихся расчетами, прочих астрономов и астрономов-любителей соответственно.

Подобной смены масштаба можно ожидать и в других научных областях, и в других размерах, в зависимости от объема вычислений. Следствием разделения уровней участия является то, что системные исследования могут приобрести глобальный масштаб и потребовать, например, сбора любых данных или доступа к суперкомпьютеру самого передового класса. Тем не менее может оказаться необходимым использовать вклад маленькой группы и даже одного исследователя. Как создать комбинацию данных, программного обеспечения и вычислительных ресурсов на всех уровнях — вот проблема, с которой придется столкнуться. Эти факторы оказывают влияние на исследования не только в области геофизики, но и во многих других научных дисциплинах, в том числе в астрофизике (например, в проекте лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, LIGO), физике элементарных частиц (на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН), океанографии (в проекте единой системы мониторинга океана, LOOKING), науке об окружающей среде (национальная сеть экологического мониторинга, NEON) и астрономии (виртуальные обсерватории).

Поддержка виртуальных организаций

Термин «виртуальные организации» означает сообщество людей, организаций и ресурсов, объединенных общим интересом или общей задачей [3]. Понятие виртуальной организации возникло как выражение популярного, часто полезного принципа организации распределенных систем и командно-ориентированных научных проектов, дающих основу для создания и проведения в жизнь методов совместного использования ресурсов и доступа к ним, а также для решения вопросов управления. На практике структурирование коллектива ученых как виртуальной организации означает идентификацию людей, сервисов и возможностей; создание и развертывание новых возможностей и выделение атрибутов, ролей и политик, применяемых к участникам организации.

МАСШТАБИРОВАНИЕ: ОТ МОНОЛИТНОЙ СИСТЕМЫ К МОДУЛЬНЫМ СЕРВИСАМ

Мы описали проблемы применения ИТ к системным исследованиям в решении крупных и злободневных научных задач, а как обстоят дела во множестве других областей? Объединение людей, инфраструктуры, программного обеспечения и тактических приемов для решения комплексных проблем само по себе остается трудной задачей, и в некоторых ее аспектах ИТ мало чем могут помочь.

Так называемый монолитный подход к системным исследованиям, когда небольшая команда, работающая в одной лаборатории, создает программное обеспечение на одном компьютере, на котором также хранятся данные из различных источников и модели процессов, был характерен для ранних работ с объединенными моделями климата и симуляторами процессов, изучаемых на стыке разных дисциплин. Этот подход не обязательно плох — в действительности он может быть высокоэффективным, если люди, данные и компьютерные ресурсы, необходимые для решения проблемы, имеются в наличии и могут быть собраны в одном месте. Однако он может породить существенные проблемы, если хотя бы один элемент нуждается в масштабировании:

• трудность технической поддержки единой и монолитной системы программного обеспечения растет пропорционально числу источников данных или программных компонентов;
• трудности, присущие импорту программных компонентов и источников данных из других мест, растут по мере включения в проект все большего числа организаций;
• с ростом потребности в вычислениях ограниченные возможности локальной вычислительной системы могут стать значительным препятствием для прогресса в исследованиях;
• по мере возникновения все большего числа разнообразных вопросов снова и снова требуется реорганизация компонентов и связей между ними;
• с ростом числа пользователей—членов сообщества возрастает сложность модели и расходы на ее разработку и сопровождение.

Любой профессионал в компьютерной области понимает, что решение комплекса этих разнообразных задач состоит в том, чтобы рассматривать каждую из них по отдельности. Например, ученые могут независимо друг от друга разработать разные компоненты, ставить разные вопросы путем динамического сочетания этих компонентов, выделять специальные вычислительные мощности для отдельных компонентов (как для целых моделей) и т.д. Однако, несмотря на то что принцип ясен, применительно к системным исследованиям он не обязательно реализуется напрямую, а определяется масштабом научных проблем.

Компоненты как сервисы

С точки зрения разработчиков программного обеспечения исследователи слишком долго не понимали преимуществ модульного программирования и технологии COM [4]. Несмотря на то что создатели научно-исследовательских программ в некоторой степени уже начинают применять принципы модульности, давление постоянно растущих требований к точности системы в сочетании с необходимостью наращивания числа компонентов и пользователей делает их еще более важными в будущем. Разделение комплексной задачи системного уровня по функциональному принципу является предпосылкой для независимой разработки, следствием которой становится объединение исследований различных природных явлений в рамках единой комплексной модели системы. Возможность повторного использования и выбора решения из числа лучших говорит о том, что метод разделения должен быть сосредоточен скорее на четко определенных требованиях к интерфейсу, чем на реализации.

Важно и то, что распределенные научные сообщества, заинтересованные в решении проблемы в целом, часто испытывают необходимость удаленного доступа к специальным функциям. Следовательно, механизмы объединения должны обеспечить интеграцию функций по всей сети. Такие технологии, как Web-сервисы, предъявляют свои требования: функции должны выполняться исключительно с помощью строго определенного интерфейса и соответствующих сетевых протоколов. Если ученым удастся успешно применить сервис-ориентированные архитектуры (Service-Oriented Architecture, SOA), они смогут, в принципе, распределить монолитное приложение в сети таким образом, чтобы разработка и операции над компонентами выполнялись разными группами.

Могут ли децентрализованные подходы работать на практике? SOA дали хорошие результаты при проведении виртуальных наблюдений [6]. Использовав стремительный рост возможностей кремниевых детекторов, астрономы проводят все больше «цифровых наблюдений неба», в ходе каждого из которых создаются цифровые изображения реальных областей небесной сферы на особой длине волны. На данный момент проведено более 100 таких наблюдений, их результаты в общей сложности занимают сотню терабайтов. В ближайшем будущем совокупный объем данных достигнет многих петабайтов.

Недостаточно просто накапливать данные: лаборатории мира завалены данными, которые хранятся на ленточных носителях и практически не используются. Чтобы приносить пользу, данные должны быть легкодоступны, поэтому сообщество виртуальных обсерваторий определило стандартные протоколы доступа и форматы данных широкого применения, так что астрономы могут со своих компьютеров задавать вопросы, ответ на которые в другом случае потребовал бы нескольких месяцев наблюдений или был практически невозможен. Например, они могли бы спросить: какие объекты можно увидеть в инфракрасном диапазоне, но нельзя — в видимом спектре? Ответ: новый класс астрономических объектов, коричневые карлики.

Астрономы действительно считают, что такой обмен данными ускорил исследования и дал дополнительный импульс «вторичному производству» — разработке систем анализа данных. Регистры сервисов предоставляют все больше возможностей по созданию клиентских приложений, объединяющих данные из различных источников и позволяющих решать вопросы системного уровня, например о крупномасштабной структуре Вселенной. Астрономия — это область, где SOA реализуются особенно легко. Все ее данные в некотором смысле относятся к одному и тому же — к небесной сфере; они не представляют коммерческой ценности; к тому же в астрономии по традиции развиваются технологии коллективной работы.

Однако при работе с SOA могут возникнуть некоторые трудности.

• Пользователи сервиса должны уметь определять, являются ли получаемые данные и программы полезными для их целей. Этот вопрос ставит задачи, относящиеся к синтаксису, семантике, достоверности и происхождению данных.
• В ситуации, когда исследователи задают интересующие их вопросы при помощи сочетаний сервисов и получают ответы из имеющихся массивов данных, наверное, не всегда удается эффективно реализовать эти сочетания, особенно если сервисы, используемые для формирования запроса, географически распределены.
• При устойчивой работе сервисов все больше запросов приходит от программ, а не от пользователей, работающих в интерактивном режиме. Это может привести к стремительному нарастанию нагрузки и, следовательно, к необходимости распределения запросов по приоритетам или наращивания ресурсов, предоставляемых каждому сервису для выполнения запроса.

От аутсорсинга к инсорсингу

Идея разложения проблемы на составные части по функциональному принципу средствами SOA применима в любом научном исследовании системного уровня, так как позволяет справиться со сложностью, распределенностью и многообразием научного сообщества. Однако насколько данный сервис отвечает запросам растущего сообщества пользователей и требованиям к вычислениям и хранению данных, предъявляемым нашими моделями [7]? Эта проблема обусловлена потребностями системной науки, которая объединяет элементы различного происхождения, относящиеся к разным дисциплинам. Конечные пользователи могут легко создать новые сервисы, которые будут передавать часть нагрузки другим сервисам или сами потребуют значительных возможностей для вычислений и хранения данных.

Системы не будут поддаваться масштабированию, если для этого каждый исследователь должен стать экспертом в построении и запуске сервисов. Благодаря применению технологий SOA можно разделять задачи реализации исследовательских возможностей и детали их размещения. В зависимости от условий, мы можем разместить все ресурсы на одном компьютере или, напротив, получить доступ к ресурсам национального масштаба. Динамическая природа запроса и расхождение в требованиях к различным ресурсам приводят к необходимости применения смешанной стратегии — от выделения ресурсов для отдельных исследовательских операций до доступа к разделяемым вычислительным ресурсам новейшего суперкомпьютера, который ученые смогут получать время от времени, по мере необходимости.

В прошлом, для того чтобы вычислительные ресурсы соответствовали требованиям пользователей, достаточно было объединить эти ресурсы в одном вычислительном центре. Задачи, которые ставились научными сообществами, должны были выполняться с соблюдением установленных правил оптимального использования ресурсов центра. Однако эта связь в некоторых случаях тормозит процесс: не пользователь присылает исполняемый код, а вычислительный центр предоставляет сервисные компоненты, которые научное сообщество использует так, как требуется. Такой подход представляет собой инсорсинг для научного сообщества, а не аутсорсинг для вычислительного центра. Сегодня все более привлекательной становится новая модель, в которой поставщики ресурсов размещают у себя исследовательские программы, написанные самими учеными. В этой модели новые сервисные компоненты предоставляются по требованию вместе с необходимыми ресурсами и могут меняться со временем, чтобы сохранять актуальность. Такое разделение поставщиков сервисов и ресурсов не сильно отличается от нынешней модели. Однако новое здесь — это предоставление места размещения сервисов и связанных с этим гарантий качества.

Тот же сервис-ориентированный подход, который используется учеными при построении системных моделей из разрозненных компонентов, можно применить и для определения способа взаимодействия между поставщиками ресурсов и их клиентами, поставляющими научным сообществам сервисные компоненты. Поставщик ресурсов реализует интерфейсы, позволяющие клиентам формировать и посылать запросы на предоставление сервисов; поставщики сервисов затем могут использовать эти интерфейсы для заключения соглашений о предоставлении нужных компонентов. Уже имеется опыт применения этих технологий в различных условиях, полученный при использовании программного обеспечения Globus. Например, с помощью GRAM (сервисный компонент Globus для управления ресурсами) были предоставлены вычислительные ресурсы TeraGrid для эксклюзивного использования виртуальной организации и для развертывания узкоспециализированной программы для данного сообщества, при этом сервисные программные компоненты динамически размещались на выделенных ресурсах. На рис. 3 показано, как эти технологии применялись для масштабирования при выполнении вычислений сейсмического риска. Последние достижения в технологии виртуализации указывают на растущую мощь и гибкость механизмов динамического размещения сервисных компонентов и последующей их интеграции в виртуальные организации [8].

Роль киберинфраструктуры

Довольно причудливый термин «киберинфраструктура» употребляется для обозначения независимой от отрасли вычислительной инфраструктуры, созданной для нужд науки [9]. Экспоненциальный рост производительности компьютеров, возможностей для хранения данных и эффективности сетей безгранично расширяют возможности науки. Однако роль вычислительной инфраструктуры еще более возрастет с предоставлением отдельным ученым высокотехнологичных ресурсов, если этому будет дан резкий импульс. С появлением системных исследований особенно необходима вычислительная инфраструктура, способная поддержать работу научных сообществ. Эти сообщества нуждаются в сервисных компонентах для поддержки членства их участников, в регистрах сервисов, каталогах данных, репозитариях программ и пространстве для совместной работы. Третья сторона может пользоваться многими из этих сервисов, подобно тому как SourceForge поддерживает совместную разработку программ с открытым кодом. К тому же изменчивая и распределенная природа системных исследований подразумевает, что эти сообщества могут с выгодой использовать инфраструктуру, построенную специально для размещения сервисных компонентов научно-исследовательских программ и для поддержки инсорсинга на всем непрерывно меняющемся диапазоне уровней участия и требований программного обеспечения.

Эти тенденции уже начинают находить отражение в текущей инфраструктуре. При поддержке Национального научного фонда США работает проект TeraGrid, в рамках которого создан эффективный программный шлюз, обеспечивающий использование общенациональных вычислительных ресурсов для размещения сервисных компонентов научно-исследовательских программ. И проект Евросоюза по развертыванию сетевой инфраструктуры для науки EGEE, и американский проект открытой научной сети в еще большей степени используют модель виртуальной организации и динамическое развертывание сервисных компонентов в качестве основных организационных принципов. В таких условиях поставщики ресурсов в действительности взаимодействуют больше с виртуальными организациями, чем с отдельными пользователями.

Практические работы

Тенденции к системному подходу, наблюдаемому в научных сообществах, можно проиллюстрировать на ряде примеров. Так, система поддержки принятия решений ViroLab основана на сетевых вычислениях и помогает исследователям в области биологии и медицины. Эта система может быть использована для изучения болезней на всех уровнях, начиная от генетической информации о той или иной болезни и заканчивая практическими медицинскими рекомендациями. Преодолевая географические и организационные границы, эта система дает общий доступ к процессам, данным, информации и знаниям.

В том же духе выполнен проект Physiome, целью которого было создание рабочей среды для многомасштабного моделирования человеческого тела на основе анатомических и биофизических данных — невероятно сложная задача, требующая огромных вычислений. Кроме разработки стандартов специфического языка разметки и репозитариев моделей, проект Physiome обладает инновациями в управлении документооборотом в науке, объединении информации и формировании запросов, кластерных и сетевых расчетах и окружении для международного сотрудничества.

Наступило время, когда можно использовать системный метод в повседневной работе постоянно действующих инфраструктур, однако мы по-прежнему тяготеем к ручной настройке, развертыванию и управлению такими системами. Отклик системы и ее производительность все еще остаются непредсказуемыми в том смысле, что поддержка критичных ко времени исследований до сих пор затруднена, поэтому проекты будущего должны прежде всего обладать динамичностью и адаптивностью, которые обеспечат быстрое предоставление новых сервисов и расширение их возможностей. Два таких проекта — CASA и LEAD — иллюстрируют попытку создания гибкой киберинфраструктуры для многомасштабного прогнозирования погоды в реальном времени. Оба проекта нацелены на повышение скорости и точности прогнозирования бурь. В рамках проекта совместного адаптивного зондирования атмосферы, который проводится в Массачусетском университете, создается распределенная сеть радаров низкой мощности и высокого разрешения. Проект университета Оклахомы «Связанное оборудование для атмосферных открытий» предоставляет динамическое обслуживание документооборота и управление данными в среде Web для поддержки адаптивных систем, выполняющих операции по запросу и действующих в реальном времени. Вместе эти два проекта могут служить примером реализации системного подхода и призваны осуществить переход от статической модели предсказания бурь к адаптивной модели погоды.

Литература

1. T. Jordan, P. Maechling, and SCEC/CME Collaboration. The SCEC Community Modeling Environment: An Information Infrastructure for System-Level Earthquake Science. Seismological Res. Letters, vol. 74, no. 3, 2003.
2. J. Kiehl, P. Gent, Community Climate System Model, Version 2. J. Climate, vol. 17, 2003.
3. I. Foster, C. Kesselman, S. Tuecke, The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations. Int’l J. High-Performance Computing Applications, vol. 15, no. 3, 2001.
4. N. Wirth, The Module: A System Structuring Facility in High-Level Programming Languages. Language Design and Programming Methodology, 1979.
5. R. Armstrong et al., Toward a Common Component Architecture for High-Performance Scientific Computing. Proc. 8th IEEE Int’l Symp. High-Performance Distributed Computing, IEEE CS Press, 1999.
6. A. Szalay, J. Gray, The World-Wide Telescope. Science, vol. 293, 2001.
7. I. Foster, Service-Oriented Science. Science, vol. 308, 2004.
8. R. Figueiredo, P. Dinda, and J.A.B. Fortes, A Case for Grid Computing on Virtual Machines. Proc. 23rd Int’l Conf. Distributed Computing Systems (ICDCS), IEEE CS Press, 2003.
9. National Science Foundation, Revolutionizing Science and Engineering through Cyberinfrastructure: Report of the National Science Foundation Blue Ribbon Advisory Panel on Cyberinfrastructure. 2003.

Ян Фостер ([email protected])— старший научный сотрудник Национальной арагонской лаборатории, член правления Института вычислительных методов и Чикагского университета. Карл Кессельман ([email protected])— руководитель Центра сетевых технологий Института информационных технологий Университета Южной Калифорнии.

Ian Foster, Carl Kesselman Scaling System-Level Science: Scientific Exploration and IT Implications. IEEE Computer, November 2006, IEEE Computer Society, 2006. All rights reserved. Reprinted with permission.

Системный подход в науке: VIKENT.RU

Начало »

Хотя в только что названных научных дисциплинах имеется много общего, в них, однако, используются различные понятийные средства. В системотехнике, например, применяются кибернетика и теория информации, а также общая теория систем. В исследовании операций используются методы линейного программирования и теории игр. Инженерная психология, занимающаяся анализом способностей, психологических ограничений и вариабильности человеческих существ, широко использует средства биомеханики, промышленной психологии, анализ человеческих факторов и т. д.

В настоящей статье мы не ставим перед собой цель охарактеризовать прикладную науку о системах; […] Нам лишь важно иметь в виду, что системный подход, как некоторая новая концепция в современной науке, имеет параллель в технике. Системный подход в науке нашего времени стоит в таком же отношении к так называемой механистической точке зрения, в каком системотехника находится к традиционной физической технологии.

Все перечисленные теории имеют определенные общие черты.

Во-первых, они сходятся в том, что необходимо как-то решать проблемы, характерные для бихевиоральных и биологических наук и не имеющие отношения к обычной физической теории.

Во-вторых, эти теории вводят новые по сравнению с физикой понятия и модели, например, обобщённое понятие системы, понятие информации, сравнимое по значению с понятием энергии в физике.

В-третьих, эти теории, как указывалось выше, имеют дело преимущественно с проблемами со многими переменными.

В-четвёртых, вводимые этими теориями модели являются междисциплинарными по своему характеру, и они далеко выходят за пределы сложившегося разделения науки. Например, если Вы внимательно просмотрите ежегодники Общества исследований в области общей теории систем («General Systems»), вы легко обнаружите следующее немаловажное обстоятельство: сходные и даже тождественные по своей структуре рассуждения применяются к явлениям самых различных видов и уровней — от сетей химических реакций в клетке до популяций животных, от электротехники до социальных наук.

Аналогичным образом основные понятия кибернетики вытекают из определённых специальных областей современной техники, однако, начав с простейшего случая термостата, который на основе обратной связи поддерживает определенную температуру, и переходя дальше к сервомеханизмам и автоматике в современной технике, мы обнаруживаем, что подобные же схемы применимы ко многим биологическим явлениям регулирования или поведения. Более того, во многих случаях имеется формальное соответствие, или изоморфизм, общих принципов и даже специальных законов. Одно и то же математическое описание может применяться к самым различным явлениям. Из этого, в частности, вытекает, что общая теория систем, помимо всего прочего, облегчает также научные открытия: ряд принципов может быть перенесен из одной области в другую без необходимости дублирования работы, как это часто происходило в науке прошлого.

В-пятых и, может быть, самое важное — такие понятия, как целостность, организация, телеология и направленность движения или функционирования, за которыми в механистической науке закрепилось представление как о ненаучных или метафизических, ныне получили полные права гражданства и рассматриваются как чрезвычайно важные средства научного анализа. В настоящее время мы располагаем концептуальными и в некоторых случаях даже материальными моделями, способными воспроизводить основные свойства жизни и поведения.

Следует подчеркнуть, что различные вышеперечисленные научные подходы не являются и не должны рассматриваться как монопольные. Один из важных аспектов современного развития научной мысли состоит в том, что мы более не признаём существования уникальной и всеохватывающей картины мира.

Все научные построения являются моделями, представляющими определённые аспекты, или стороны, реальности. Это относится также и к теоретической физике. Будучи далёкой от того, чтобы быть метафизическим представлением последней реальности (как это провозглашалось материализмом прошлого и всё ещё подразумевается современным позитивизмом), она является не чем иным, как одной из этих моделей, и, как показало развитие науки в последнее время, ни в коем случае не исчерпывающей и не единственной. Различные теории систем также являются моделями различных аспектов мира. Они не исключают друг друга и часто сочетаются при их использовании. Например, некоторые явления могут быть научно исследованы кибернетикой, другие — с помощью общей теории систем, причем вполне допустимо даже, что одно и то же явление в его различных аспектах может быть описано и тем и иным путем. Кибернетика соединяет модели информации и модель обратной связи, модели нервной системы и теории информации и т. д. Это, конечно, не исключает, а скорее предполагает возможность последующих синтезов, в которые войдут и будут объединены различные современные исследования целостности и организации. И действительно, в настоящее время постепенно строится такая синтетическая концепция, объединяющая, например, термодинамику необратимых процессов и теорию информации.

Различия между перечисленными теориями лежат в их особых модельных представлениях и в используемых математических методах. Поэтому мы переходим к вопросу о том, какими путями может быть осуществлена программа системного исследования».

Людвиг фон Берталанфи, Общая теория систем — обзор проблем и результатов, в Сб.: Системные исследования. Ежегодник, М., «Наука», 1969 г. 

ключевых астрономических открытий ESO | ESO США

ESOcast 75: 10 главных открытий ESO. Загрузить и получить дополнительную информацию

Наблюдения с помощью телескопов ESO привели ко многим прорывам в астрономии, а на протяжении многих лет были сделаны поистине замечательные открытия. Вот наш список 10 лучших астрономических открытий ESO на данный момент.

1. Звезды, вращающиеся вокруг черной дыры Млечного Пути

   Несколько ведущих телескопов ESO использовались в почти 30-летнем исследовании, чтобы получить самый подробный обзор окрестностей монстра, скрывающегося в сердце нашей галактики — сверхмассивной черной дыры. Наблюдения, проведенные с помощью VLT, впервые выявили эффекты, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна, на движение звезды, проходящей через экстремальное гравитационное поле вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Нобелевская премия по физике 2020 года была присуждена «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики».
   Научные статьи :
   Schödel et al. 2003 (Тельбиб),
   Gillessen et al. 2009 (Telbib)
   Подробнее в пресс-релизе ESO eso0226, eso0846, eso1151, eso1332, eso1512, eso1825 и eso2006.

2. Ускоряющаяся Вселенная

   Две независимые исследовательские группы, основываясь на наблюдениях взрывающихся звезд, в том числе на телескопах ESO в Ла Силья и Паранале, показали, что расширение Вселенной ускоряется. За этот результат была присуждена Нобелевская премия по физике 2011 года.
   Научные статьи :
   Perlmutter et al., 1999ApJ…517..565P (Telbib),
   Riess,A. et.al., 1998, AJ116 1009 (Telbib),
   Schmidt, B. et.al., 1998, ApJ 507 46 (Telbib),
   Perlmutter, S. et al., 1998, Nature, vol. 391, 51 (Телбиб),
   Tonry, J.L. et al, 2003, ApJ (Телбиб),
   Knop, R. A. et al, 2003, ApJ (Telbib),
   Riess, A. et al, 2004, ApJ (Telbib),
   Astier, P. et al, 2006, A&A (Telbib)
   Подробнее в пресс-релизе ESO eso9861

3. Планета найдена в обитаемой зоне вокруг ближайшей звезды Проксима Центавра

   Долгожданный мир, получивший обозначение Проксима b, обращается вокруг своей холодной красной родительской звезды каждые 11 дней и имеет температуру, достаточную для существования жидкой воды на его поверхности. Этот каменистый мир немного массивнее Земли и является ближайшей к нам экзопланетой, а также может быть ближайшим местом обитания жизни за пределами Солнечной системы.
   Научная статья :
   Anglada-Escudé et al. (Telbib)
   Подробнее  в пресс-релизе ESO eso1629

4. Астрономы сделали первое изображение черной дыры

   ESO, ALMA и APEX вносят свой вклад в меняющие парадигму наблюдения за гигантской черной дырой в сердце галактики Мессье 87 Телескоп горизонта событий (EHT) — группа из восьми наземных радиотелескопов планетарного масштаба, созданная в результате международного сотрудничества — был разработан для получения изображений черной дыры. Исследователям EHT удалось получить первое прямое визуальное свидетельство существования сверхмассивной черной дыры и ее тени. На изображении видна черная дыра в центре Мессье 87, массивной галактики в соседнем скоплении галактик Девы.
   Научные статьи
   Документ I: Тень сверхмассивной черной дыры
   Документ II: Массив и приборы
   Документ III: Обработка данных и калибровка
   Документ IV: Изображение центральной сверхмассивной черной дыры
   Документ V: Физическое происхождение асимметричной Кольцо
   Документ VI: Тень и масса центральной черной дыры
   Подробнее
   
   На странице EHT: eso.org/eht и в пресс-релизе ESO eso1907

5. Революционное изображение ALMA раскрывает генезис планет

   В 2014 году ALMA, Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка, раскрыла замечательные детали формирующейся Солнечной системы. Изображения HL Тельца были самыми четкими из когда-либо сделанных в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Они показывают, как формирующиеся планеты всасывают пыль и газ в протопланетный диск.
   Научная статья: 2015ApJ…808L…3A
   Подробнее в пресс-релизе ESO eso1436

6. Первое изображение экзопланеты

   VLT получил первое в истории изображение планеты за пределами нашей Солнечной системы. Планета массой 5 ​​масс Юпитера вращается вокруг несостоявшейся звезды — коричневого карлика — на расстоянии, в 55 раз превышающем среднее расстояние от Земли до Солнца.
   Научная статья :
   Chauvin et al. 2004 (Telbib)
   Подробнее в пресс-релизе ESO eso0428

7. Первый свет от источника гравитационных волн

   Телескопы ESO в Чили обнаружили первый видимый аналог источника гравитационных волн. Эти исторические наблюдения позволяют предположить, что этот уникальный объект является результатом слияния двух нейтронных звезд. Катастрофические последствия такого слияния — давно предсказанные события, называемые килоновыми, — рассеивают тяжелые элементы, такие как золото и платина, по всей Вселенной.
   Научные статьи :
   E. Pian et al, 2017, Nature
   N.R. Tanvir et al, 2017, Astrophysical Journal Letters
   S.J. Smartt et al, 2017, Nature
   S. Covino et al, 2017, Nature Astronomy
   Hjorth et al, 2017, Astrophysical Journal Letters
   A.J. Levan et al, 2017, Astrophysical Journal Letters
   Подробнее в пресс-релизе ESO eso1733

8. Прямые измерения спектров экзопланет и их атмосфер

   Атмосфера вокруг экзопланеты суперземли была впервые проанализирована с помощью VLT. Планета, известная как GJ 1214b, изучалась, когда она проходила перед своей родительской звездой, и часть звездного света проходила через атмосферу планеты. Атмосфера либо в основном состоит из воды в виде пара, либо в ней преобладают густые облака или дымка. Это следует из ранее полученного первого прямого спектра экзопланеты.
   Научные статьи:
   Бин, Дж. и др., 2010, Nature
   Janson, M. et al, 2010, ApJ
   Подробнее в пресс-релизе ESO eso1047 и в пресс-релизе ESO eso1002

9. Космическая температура, измеренная независимо

   VLT впервые обнаружил молекулы окиси углерода в галактике, расположенной на расстоянии почти 11 миллиардов световых лет, и это достижение оставалось недостижимым в течение 25 лет. Это позволило астрономам получить самое точное измерение космической температуры в столь отдаленную эпоху.
   Научная статья :
   Сриананд, Р. и др., 2008, A&A (Телбиб)
   Нотердаме и др., A&A (Телбиб)
   Подробнее в пресс-релизе ESO eso0813

10. Планетарная система-рекордсмен

    Астрономы обнаружили систему из семи планет размером с Землю всего в 40 световых годах от нас. С помощью наземных и космических телескопов, в том числе Очень большого телескопа ESO, все планеты были обнаружены, когда они проходили перед своей родительской звездой, ультрахолодной карликовой звездой, известной как TRAPPIST-1. Три из планет находятся в обитаемой зоне и могут содержать океаны воды на своей поверхности, что увеличивает вероятность того, что звездная система может принять жизнь. В этой системе есть как самое большое количество планет размером с Землю, так и самое большое количество миров, которые могут поддерживать жидкую воду на своей поверхности.
    Научная статья :
    Gillon et al. (2017) (Telbib)
    Подробнее в пресс-релизе ESO eso1706

Системы IBM Quantum ускоряют научные открытия

Квантовые системы IBM стали основой для 46 презентаций сторонних производителей на мартовских встречах APS, что помогло продвинуть вперед область квантовой информатики в целом.

Сегодня вычисления занимают центральное место в том, как мы применяем научный метод. Высокопроизводительные вычислительные ресурсы помогают исследователям генерировать гипотезы, находить закономерности в больших наборах данных, выполнять статистический анализ и даже проводить эксперименты быстрее, чем когда-либо прежде. По логике вещей, доступ к совершенно другой вычислительной парадигме — способной выполнять вычисления, недоступные для любого классического компьютера — может открыть совершенно новую область для научных открытий.

Поскольку квантовые компьютеры расширяют наши вычислительные возможности, мы также ожидаем, что они расширят наши возможности в развитии науки. Фактически, доступ к сегодняшним ограниченным квантовым компьютерам уже принес пользу исследователям во всем мире, предлагая беспрецедентный взгляд на внутреннюю работу законов, управляющих работой природы, а также новую линзу, через которую можно подходить к проблемам в химии, моделировании, оптимизация, искусственный интеллект и другие области.

Здесь мы демонстрируем полезность оборудования IBM Quantum в качестве инструмента для ускорения открытий в научных исследованиях, как это было показано на мартовском собрании Американского физического общества в 2021 году. Мартовское собрание APS — это крупнейшая в мире конференция по физике, на которой исследователи представляют свои последние результаты. своим коллегам и более широкому физическому сообществу. Являясь ведущим поставщиком оборудования для квантовых вычислений, квантовые системы IBM привели в действие 46 презентаций, не принадлежащих IBM, чтобы помочь открыть новые алгоритмы, смоделировать конденсированное состояние и системы многих тел, исследовать границы квантовой механики и физики элементарных частиц, а также расширить область исследований. квантовая информатика вперед в целом. Помня о мартовском собрании APS в этом году, мы считаем, что исследовательский доступ к квантовому оборудованию — как на месте, так и через облако — станет основной движущей силой исследований и открытий в области физики в ближайшие годы.

Системы IBM Quantum

В IBM Quantum мы создаем универсальные системы квантовых вычислений для ученых, инженеров, разработчиков и предприятий. Наша инициатива управляет парком из более чем двух десятков полнофункциональных квантовых вычислительных систем от 1 до 65 кубитов, основанных на архитектуре сверхпроводящих кубитов трансмонов. Эти системы включают в себя современную управляющую электронику и постоянно развивающееся программное обеспечение, чтобы предлагать самые эффективные в мире услуги квантовых вычислений. Наша команда выпустила дорожную карту разработки, демонстрирующую, как мы планируем не только масштабировать процессоры, но и как превратить эти устройства в преобразовательные вычислительные инструменты.

IBM предлагает доступ к своим системам квантовых вычислений несколькими способами. Наша флагманская программа — это наша IBM Quantum Network, включающая наши центры, которые сотрудничают с IBM в продвижении исследований в области квантовых вычислений, наших отраслевых партнеров, которые изучают широкий набор потенциальных приложений, и наших участников, которые стремятся получить общие знания о квантовых вычислениях. . На самом широком уровне члены нашего сообщества используют инструменты программирования IBM Quantum Composer и IBM Quantum Lab, а также комплект разработки программного обеспечения с открытым исходным кодом Qiskit для создания и визуализации квантовых схем и проведения квантовых экспериментов на дюжине небольших устройств. Исследователи также могут получить приоритетный доступ к системе в рамках нашей программы IBM Quantum Researchers Program.

Через сеть, Программу исследователей и инструменты квантового программирования, доступные для более широкого сообщества, IBM предлагает широкий спектр поддержки, чтобы облегчить процесс исследований и открытий. Это включает, помимо прочего, прямое сотрудничество с нашими квантовыми исследователями в проектах, консультации по потенциальным конкретным вариантам использования и содействие сообществу открытого исходного кода, стремящемуся продвигать область квантовых вычислений.

Разработка экосистемы на основе облачного квантового доступа

По мере того, как квантовые компьютеры совершенствуются, их физические требования потребуют, чтобы большинство пользователей имели к ним удаленный доступ и могли программировать их без трения, то есть пользоваться их преимуществами, не будучи экспертом в области квантовой механики. Специалисты по квантовым вычислениям в отрасли разрабатывают квантовые системы в ожидании этой развивающейся экосистемы. Доступ к этим облачным компьютерам будет иметь первостепенное значение для трех ключевых сегментов разработчиков: разработчиков квантового ядра, стремящихся понять квантовые компьютеры и лежащую в их основе механику на уровне логических схем; разработчики квантовых алгоритмов, использующие эти схемы, чтобы найти потенциальные преимущества по сравнению с существующими классическими вычислительными алгоритмами и расширить пределы вычислений в целом, а также разработчики моделей, которые применяют эти алгоритмы для проведения исследований реальных вариантов использования в таких областях, как физика, химия, оптимизация , машинное обучение и другие.

Пока IBM развивает собственную экосистему с помощью доступных сервисов в IBM Cloud, мы считаем, что квантовый доступ важен не только для наших сообществ. Мы разработали Qiskit для запуска модулей приложений на любой платформе квантовых вычислений, даже на других архитектурах, таких как устройства с захваченными ионами. В конечном счете, наша цель — демократизировать доступ к квантовым вычислениям, предоставляя при этом лучшее оборудование и опыт всем тем, кто надеется проводить исследования с нашими устройствами и на них.

Использование квантовых компьютеров для открытий сегодня

Множество презентаций с использованием IBM Quantum на мартовском собрании APS демонстрируют не только принятие квантовых компьютеров IBM в качестве платформы для исследований учреждениями, не входящими в IBM, но, что более важно, возможность доступа и запуска программ на этих устройствах через Облако уже сегодня продвигает науку и исследования. Эксперименты на наших системах охватили каждый из запланированных сегментов разработчиков: от разработчиков ядра, исследующих сами квантовые вычисления, до разработчиков алгоритмов, а также разработчиков моделей, использующих квантовые вычисления в качестве средства для решения других проблем в физике и за ее пределами.

Квантовое моделирование

Врожденная квантовая природа кубитов означает, что даже шумные квантовые компьютеры служат мощными аналоговыми и цифровыми симуляторами квантовой механики, такими как те, которые изучаются в квантовой физике многих тел и физике конденсированного состояния. Квантовые компьютеры, возможно, уже дают квантовое преимущество исследователям в этих областях, которые могут решать проблемы с помощью симулятора, свойства которого более точно соответствуют системам, которые они хотят изучать, по сравнению с классическим компьютером. Системы IBM Quantum сыграли центральную роль во многих из этих передовых исследований на APS March.

Например, в своей презентации «Рассеяние в модели Изинга с помощью квантового алгоритма Ланцоша», ¹ Кубра Йетер Айдениз из Окриджской национальной лаборатории смоделировала распространение одной частицы и рассеяние двух частиц в широко распространенной одномерной модели Изинга. частиц в одном из двух спиновых состояний, здесь с периодическими граничными условиями. Ее команда использовала алгоритм для расчета энергетических уровней и собственных состояний системы, собирая информацию о количестве частиц в пространстве и амплитудах переходов, а также о поперечной намагниченности в зависимости от времени.

Сравнительный анализ и характеристика зашумленных квантовых систем

По мере усложнения квантовых компьютеров классическое моделирование их результатов будет становиться все труднее, что, в свою очередь, будет препятствовать нашей способности сказать, успешно ли они запустили схему. Поэтому исследователи разрабатывают методы для характеристики и оценки производительности квантовых компьютеров в ближайшем будущем в целом — и, надеюсь, разрабатывают методы, которые будут по-прежнему применяться по мере увеличения размера и сложности квантовых компьютеров. Серия мартовских докладов APS продемонстрировала методы сравнительного анализа, применяемые к квантовым устройствам IBM.

В одном из таких докладов «Масштабируемый и целенаправленный бенчмаркинг квантовых компьютеров» Тимоти Проктор из Sandia National Lab представил свою масштабируемую и гибкую методику бенчмаркинга, основанную на разработанной IBM метрике Quantum Volume ² , чтобы выявить потенциальный компромисс между увеличение глубины схемы (количество временных шагов, стоящих вентилей) по сравнению с ее шириной (количеством используемых кубитов). Используя рандомизированные зеркальные схемы, состоящие из случайных серий одно- и двухкубитных операций, за которыми следуют операции, обратные этим, команда разработала стратегию бенчмаркинга, которая будет эффективно работать на квантовых компьютерах с сотнями или, возможно, тысячами кубитов. .

Алгоритмическое открытие

Мы надеемся, что однажды квантовые компьютеры будут использовать суперпозицию, запутанность и интерференцию, чтобы предоставить новые способы решения традиционно сложных задач. Сегодня ученые работают над разработкой алгоритмов, которые обеспечат это потенциальное ускорение, с прицелом на то, какие преимущества они могут получить от алгоритмов, которые они могут запускать на современных устройствах. Квантовые устройства IBM послужили идеальной испытательной площадкой для команд, ищущих систему для разработки аппаратно-зависимых алгоритмов.

Например, в финансируемой NSF работе «Алгоритм родео для квантовых вычислений» ³ Джейкоб Уоткин представил новый подход к вездесущему алгоритму оценки квантовой фазы под названием «Алгоритм родео», предназначенный для квантовых устройств ближайшего будущего. Алгоритм, предназначенный для обобщения известного алгоритма оценки фазы Китаева, использует стохастически изменяющиеся фазовые сдвиги для достижения результатов при малых глубинах строба.

Развитие квантовых вычислений

Возможно, самым популярным использованием квантовых систем IBM на мартовском собрании APS было то, что они использовались в качестве основы для изучения внутренней работы квантовых устройств, включая характеристику шума, проверку точности микросхем, разработку исправления ошибок. и стратегии смягчения последствий, а также другие исследования, направленные на развитие области в целом. Мы надеемся, что достижения, полученные при изучении наших устройств, принесут пользу всей области.

В статье «Устранение ошибок с помощью данных квантовой схемы Клиффорда», ⁴ Петр Чарник из Лос-Аламосской национальной лаборатории предложил новый метод устранения ошибок для квантовых компьютеров на основе логических элементов. Метод начинается с создания обучающих данных из квантовых схем, построенных только из групповых вентилей Клиффорда, а затем создает линейную аппроксимацию данных, которая может предсказать наблюдаемые без шума для произвольных зашумленных схем. Команда Чарника продемонстрировала уменьшение ошибок на порядок для проблемы энергии в основном состоянии, запустив свою стратегию уменьшения ошибок на 16-кубитной системе ibmq_melbourne.

…И многое другое

Доступ к управляемой квантовой системе предлагает исследователям новый взгляд на проблемы в физике. Например, в «Коллективных нейтринных осцилляциях на квантовом компьютере» ⁵ Шиха Бангар продемонстрировал, что квантовые ресурсы могут служить эффективным способом представления системы физики элементарных частиц — коллективных нейтринных осцилляций. Между тем, в «Моделировании квантовых датчиков на квантовых компьютерах с использованием оптимизированного управления» ⁶ Парадж Титум из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса разработал новые протоколы для обнаружения сигналов на фоне фонового шума и продемонстрировал протокол на квантовом компьютере IBM.

Будущее

Команда IBM Quantum в восторге от того, что наше оборудование ускоряет научный прогресс во всем мире, и мы продолжаем развивать наше собственное оборудование, чтобы эти открытия продолжались. На мартовском собрании APS наши исследователи также представили некоторые идеи, которые они разрабатывают для будущих квантовых систем, включая передовые технологии упаковки, ⁷ новые архитектуры связи кубитов, ^{7 8 9 10 11} и даже кубиты составляют крошечную часть размера наших нынешних трансмонов. ¹² Мы также использовали те же самые системы IBM Quantum для улучшения квантового объема, ¹³ демонстрации алгоритмов и квантового преимущества, ^{14 15 16} и исследования динамических схем и квантовой коррекции ошибок. ^{17 18} Взаимодействие между конечными пользователями систем IBM и исследователями, разрабатывающими процессоры нового поколения, помогает поддерживать актуальность устройств IBM в ближайшие месяцы и годы.

Доступ к системам квантовых вычислений продвигает науку даже в эту раннюю эру шумных квантовых компьютеров. Это относится не только к системам IBM; ученые на мартовской встрече APS представили результаты, основанные на доступе к другим сверхпроводящим архитектурам, таким как архитектура Ригетти, а также к системам кубитов с захваченными ионами, подобным тем, которые созданы Honeywell. Наш анализ результатов мартовской встречи APS 2021 года показывает, что инвестиции в существующие облачные платформы квантовых вычислений и их использование предоставляют исследователям мощный инструмент для научных открытий. Мы ожидаем, что темпы открытий будут ускоряться по мере развития систем квантовых вычислений и связанной с ними облачной квантовой экосистемы.

Узнайте больше о:

Квантовая информатика: мы изучаем основы квантовой науки, от запутанности и суперпозиции до разработки новых квантовых алгоритмов.

6 самых поразительных космических открытий 2013 года

Художественная концепция космического корабля НАСА «Вояджер-1», покидающего пределы Солнечной системы и отправляющегося в межзвездное пространство.
(Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech)

В 2013 году было сделано множество открытий, идей и достижений, которые продвинули области астрономии и других космических наук. Эти находки, от внесолнечных планет до внеземных нейтрино, сделали 2013 год незабываемым.

Вот некоторые из самых ошеломляющих открытий космонавтики года:

Этот концепт художника показывает общее местонахождение двух космических кораблей НАСА «Вояджер». «Вояджер-1» (вверху) вышел за пределы нашего солнечного пузыря в межзвездное пространство, пространство между звездами. Его среда до сих пор ощущает солнечное влияние. «Вояджер-2» (внизу) все еще исследует внешний слой солнечного пузыря. Изображение опубликовано 12 сентября 2013 г. (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech)

«Вояджер-1» НАСА достиг межзвездного пространства

После почти 35 лет путешествий ученые сообщили в этом году, что космический корабль НАСА «Вояджер-1» достиг межзвездного пространства в августе 2012 года. Поскольку в Солнечной системе нет полезных знаков «Вы здесь», чтобы отметить его границы ученые полагались на мощное солнечное извержение, чтобы определить плотность молекул в пространстве вокруг корабля.

С выходом в межзвездное пространство «Вояджер-1» стал первым кораблем, покинувшим Солнечную систему, что сделало его важной вехой в анналах освоения космоса. В настоящее время он находится на расстоянии около 11,66 млрд миль (18,76 млрд км) от Солнца.

На этом изображении показано нейтрино с самой высокой энергией из когда-либо наблюдавшихся (1,14 петаэлектронвольта), которое ученые назвали «Эрни», полученное нейтринной обсерваторией IceCube на Южном полюсе 3 января 2012 года. Изображение опубликовано 21 ноября 2013 года. (Изображение предоставлено коллаборацией IceCube)

Внеземные нейтрино обнаружены в Антарктиде

Физики в Антарктиде обнаружили первое свидетельство космических лучей из-за пределов Солнечной системы. Сами энергетические лучи трудно обнаружить, поэтому ученые полагаются на открытие нейтрино, образующихся при взаимодействии космических лучей с окружающей средой. Из миллиардов нейтрино, которые каждую секунду проходят через квадратный сантиметр Земли, лишь немногие на самом деле взаимодействуют с материей.

Но с помощью нейтринной обсерватории IceCube, инструмента, закопанного в кубический километр льда под Южным полюсом, физики смогли обнаружить два события нейтрино, которые произошли за пределами Солнечной системы, первые окончательные обнаружения с 1987 года (и события миллион раз мощнее своего предшественника). Хотя событие было слишком незначительным, чтобы точно определить происхождение космических лучей — подозреваемые включают сверхновые, гамма-всплески и черные дыры — обнаружение открыло дверь для более глубокого понимания некоторых мощных событий во Вселенной.

Древний Марс мог поддерживать жизнь

Всего через семь месяцев после впечатляющей посадки на Марс марсоход НАСА Curiosity обнаружил признаки того, что на древнем Марсе могла существовать жизнь в форме примитивных микробов. Решение было принято после того, как инструменты на марсоходе определили некоторые ключевые ингредиенты, необходимые для жизни в горных породах Марса. Curiosity ищет не текущую жизнь на Марсе, а только признаки того, что в прошлом на Красной планете была потенциально обитаемая среда.

Мозаика Mastcam формации залива Йеллоунайф. Это вид с основания обнаженного участка вверх через Шипбед, озеро Гиллеспи и базальные члены Гленелга. Показаны места просверливания отверстий и результаты измерений с помощью рентгеновского спектрометра альфа-частиц (A PXS). Изображение опубликовано 9 декабря 2013 г. (Изображение предоставлено Science/AAAS)

В декабре команда Curiosity объявила о наличии пресноводного марсианского озера вблизи экватора планеты, которое могло поддерживать жизнь в течение продолжительных периодов времени. Озеро, вероятно, существовало около 3,7 миллиарда лет назад, гораздо позже, чем ученые считали, что на Марсе существовала пригодная для жизни среда.

Совсем недавно ученые использовали орбитальный аппарат NASA Mars Reconnaissance Orbiter, чтобы определить, что темные сезонные полосы вблизи экватора могут указывать на присутствие сегодня на Марсе проточной соленой воды в теплые месяцы планеты. Предыдущие признаки наличия проточной воды на планете ограничивались полюсами, тогда как экваториальные районы считались полностью сухими.

В целом Марс становится гораздо более пригодным для жизни местом после открытий 2013 года.

Иллюстрация, на которой Земля сравнивается с Кеплером 78-b, наиболее похожей на близнецов из обнаруженных внесолнечных планет. (Изображение предоставлено Дэвидом А. Агиларом (CfA))

Почти двойник Земли

В конце октября ученые объявили об открытии ближайшего двойника Земли по размеру и составу. Планета, названная Kepler-78b, всего на 20 процентов шире и на 80 процентов массивнее Земли, а также имеет такую ​​же плотность. Но не ищите близнецов на скалистой планете; он делает оборот вокруг своего солнца каждые 8,5 часов на расстоянии около 900 000 миль (1,5 миллиона км), а температура поверхности достигает более 3680 градусов по Фаренгейту (2000 градусов по Цельсию).

Это открытие было сделано вскоре после того, как подтвержденное количество внесолнечных планет достигло 1000, что является важной вехой с тех пор, как 20 лет назад была обнаружена первая планета за пределами Солнечной системы. Но количество этих планет обязательно будет увеличиваться. Из почти 3600 планет-кандидатов, объявленных космическим кораблем НАСА «Кеплер», подтверждено чуть более 150. [См.: Крупнейшие открытия инопланетных планет 2013 г.]

Но астрономы не просто довольствуются увеличением числа внесолнечных планет; они хотят узнать больше об инопланетных телах. В начале октября ученые объявили, что создали первую карту облаков планеты за пределами Солнечной системы. Ученые использовали космический корабль Kepler и инфракрасный космический телескоп Spitzer для изучения Kepler 7-b, планеты размером с Юпитер, вращающейся вокруг своего Солнца.

Гибель кометы века

На протяжении 2013 года комета ISON, провозглашенная «кометой века», прошла мимо Солнца 28 ноября, после чего раскололась на части. Обнаруженная в сентябре 2012 года комета имела поразительное сходство с орбитой Большой кометы 1680 года, которая была видна при дневном свете. Издалека яркость кометы говорила о том, что у нее большое ядро, которое могло бы стать удивительным зрелищем в 2013 году.

Наблюдатели за небом по всему миру следили за появлением кометы. [Удивительные фотографии кометы ISON, сделанные Stargazers]

Комета ISON появляется снизу справа и движется вверх, становясь все слабее и слабее, на этом покадровом изображении, полученном Солнечной и гелиосферной обсерваторией ЕКА/НАСА, ноябрь. 28, 2013. Изображение солнца в центре получено из обсерватории солнечной динамики НАСА. (Изображение предоставлено ESA/NASA/SOHO/SDO/GSFC) Комета

ISON пролетела вокруг Солнца в День благодарения (28 ноября). Но поскольку комета прошла всего в 684 000 миль (1,1 миллиона км) от Солнца, гравитационное притяжение и сильное тепло звезды лишили комету пыли и газа, в конечном итоге разрушив ее до такой степени, что только телескопы, такие как Хаббл, смогли ее обнаружить. продолжайте наблюдать за ним.

Ученые определили, что ядро ​​кометы было меньше, чем предполагалось ранее, что способствовало ее быстрому разрушению. Но хотя комета века, возможно, не произвела большого впечатления, ее долгое приближение дало астрономам-профессионалам и любителям время для подготовки и сбора большого количества информации, которая улучшит понимание состава и поведения комет в Солнечной системе. .

Челябинский метеор пронесся по небу в феврале, ранив сотни людей, повредив здания и привлек внимание к Земле как к потенциальной цели для каменистых космических тел. (Изображение предоставлено авторским правом М. Ахметвалеева)

Взрыв метеорита в Челябинске

15 февраля 2013 г. метеорит взорвался над Челябинской областью России примерно в 930 милях (1500 км) к востоку от Москвы. Известный как болид, взорвавшийся огненный шар ранил сотни людей и повредил сотни зданий. 56-футовая (17-метровая) скала произвела взрывную мощность более 470 килотонн в тротиловом эквиваленте. [Фото: Метеориты пронеслись над Россией, взорвались]

Хотя большинство травм в результате неожиданного взрыва было получено в результате падения стекла, это событие привлекло внимание всего мира к потенциальным угрозам, исходящим от каменных тел в космосе. Поскольку меньших астероидов, таких как тот, что вызвал взрыв в России, много, и их сложно обнаружить, большинство исследований на сегодняшний день сосредоточены на более крупных телах, которые нанесут гораздо больший ущерб, если столкнутся с Землей.

Подпишитесь на SPACE.com   @Spacedotcom . Мы также есть на   Facebook и   Google+ . Оригинальная статья на   SPACE.com.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома. Подпишитесь на нее в Твиттере @NolaTRedd

Ключевые открытия в области неврологии, вдохновленные природой — Институт мозга Квинсленда

Нервная система состоит из единиц

Сантьяго Рамон-и-Кахаль страстно любил искусство, но последовал за своей семьей в медицину. В то время господствовала теория, согласно которой нервная система состоит из одной связанной сети тканей. Используя технику окрашивания Камилло Гольджи на микроскопических предметных стеклах клеток мозга, Кахаль глазами художника увидел то, что другие не могли: ткань мозга состоит из отдельных клеток, называемых нейронами. В то время это был крупный сдвиг в знаниях о мозге, и Гольджи и Кахаль были удостоены Нобелевской премии за это открытие в 1919 году.06.

Как взаимодействуют нейроны

Сэр Алан Ходжкин и сэр Эндрю Хаксли изучали нейроны кальмара, чтобы впервые показать, что сигналы проходят по этим нервным клеткам с помощью электрических импульсов от движения заряженных частиц, называемых ионами. Сэр Джон Эклс расширил эту работу, чтобы исследовать, что происходит на стыке двух нейронов, называемом синапсом. Он показал, что химические сигналы могут производить электрические токи, которые позволяют нейронам общаться. Трио было удостоено Нобелевской премии в 1963 за эти открытия.

Проливая свет на зрительный мозг

Дэвид Хьюбел и Торстен Визел расширили наше понимание зрения. Они показывали кошкам разные изображения и отмечали, какие части их мозга были активированы. Они разработали способ записи активности одного нейрона, а затем составили карту зрительной коры головного мозга. Они сделали открытия о том, как мозг обрабатывает визуальную информацию. Важно отметить, что они показали, что на ранних стадиях жизни есть критический период, когда связи мозга могут быть изменены, а после этого устанавливаются зрительные пути. Им была присуждена Нобелевская премия в 1981.

Круглые черви: простая модель нервной системы

Сидней Бреннер был генетиком, среди современников которого были светила науки Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, впервые описавшие структуру ДНК как двухцепочечную спираль. Бреннер вместе с Джоном Салстоном и Бобом Хорвицем обратили свое внимание на картирование клеток простого организма, аскариды Caenorhabditis elegans . Их работа, получившая Нобелевскую премию, открыла для ученых новый способ изучения нейронов, которых у круглых червей всего 302. Они показали, что некоторые нейроны запрограммированы на гибель, и открыли гены, регулирующие этот процесс, который также происходит у людей. Этот крошечный червь может регенерировать поврежденные нейроны, предоставляя модель для понимания их роста и восстановления.

Где в мозгу хранится память

Только недавно ученые начали понимать, как мы запоминаем вещи и где в мозгу хранятся воспоминания, на уровне нейронов. Нейробиолог Эрик Кандель был удостоен Нобелевской премии по физиологии в 2000 году за свою работу, показывающую, что нейроны меняют свои связи, когда происходит обучение. Кандел использовал вид морского слизня Aplysia californica в качестве простой модели для изучения того, что происходит с нейронами в процессе обучения организма.

Освещение мозга

Черпая вдохновение из природы, профессор Мартин Чалфи задался вопросом, можно ли использовать зеленое свечение медузы для визуализации клеток тела. После биохимического выделения зеленого флуоресцентного белка (GFP) Осаму Симомура и картирования его последовательности ДНК Дугом Прашером Чалфи использовал GFP для визуализации нейронов червей. Затем Роджер Циен разработал множество флуоресцентных белков, которые использовались множеством способов, в том числе для демонстрации того, как нейроны растут и соединяются. Чалфи, Шимомура и Циен были отмечены Нобелевской премией по химии 2008 года за их трансформационную работу.

Использование способности бактерий редактировать гены

Одним из самых значительных последних научных достижений стала способность ученых легко нацеливаться и модифицировать ДНК в определенных местах генома, известная как редактирование генов. Этот революционный метод, названный CRISPR, появился, когда профессор Дженнифер Дудна и профессор Эммануэль Шарпантье использовали естественную защиту, которую бактерии используют для разрезания и уничтожения вторгшихся в них вирусов. Нейробиологи используют CRISPR для изменения экспрессии генов путем редактирования ДНК в мозге млекопитающих в различных условиях. Это может однажды помочь нам лечить наследственные заболевания мозга, такие как болезни Хантингтона и Альцгеймера, или лечить заболевания мозга, вызванные приобретенными мутациями ДНК, такие как некоторые виды рака мозга.

Секвенирование генома человека

В 2003 году был завершен 13-летний проект по картированию всего генома человека (3,2 миллиарда пар оснований ДНК). Эта ключевая веха в науке не могла бы произойти без разработки Taq-полимеразы, фермента, полученного из теплолюбивых бактерий, впервые обнаруженных в знаменитых гейзерах Йеллоустонского национального парка. Картирование 23 000 генов позволило ученым связать определенные гены с нормальной функцией мозга и найти другие, которые играют роль в заболеваниях и расстройствах головного мозга.

Оптогенетика — управление мозгом

Оптогенетика — это процесс использования генетических методов, позволяющий свету включать и выключать клетки, такие как нейроны. Этот скачок в нейронауке произошел благодаря наблюдению за белками в зеленых водорослях, которые контролируют движение в ответ на свет. Ученые генетически конструируют группы нейронов, которые они хотят изучить, вставляя в них светочувствительные белки, называемые опсинами. Когда на эти нейроны падает свет, они активируются. Этот вид стимуляции гораздо более специфичен, чем электрическая стимуляция, и может показать, как нейроны соединяются и какой вклад они вносят в различное поведение.

26 головокружительных открытий и прорывов в космосе в 2019 году

26 головокружительных открытий и прорывов в космосе в 2019 году

Значок поискаУвеличительное стекло. Это означает: «Нажмите, чтобы выполнить поиск».
Логотип InsiderСлово «Инсайдер».

Рынки США Загрузка…

ЧАС
М
С

В новостях

Значок шевронаОн указывает на расширяемый раздел или меню, а иногда и на предыдущие/следующие параметры навигации. ДОМАШНЯЯ СТРАНИЦА

Наука

Значок «Сохранить статью» Значок «Закладка» Значок «Поделиться» Изогнутая стрелка, указывающая вправо.

Скачать приложение

Художественная иллюстрация приближения солнечного зонда Parker к Солнцу.

НАСА

• В этом году ученые сделали десятки новых захватывающих открытий в космосе.
• Беспрецедентные фотографии показали обратную сторону Луны, на камеру попала первая черная дыра, а астрономы заметили комету из другой звездной системы.
• Космический корабль также отправился в новые пункты назначения, ныряя в атмосферу Солнца, приземляясь на астероид и отправляя данные из межзвездного пространства.
• 26 крупнейших космических прорывов 2019 года.
• Посетите домашнюю страницу Business Insider, чтобы узнать больше.

Этот год был полон астрономических открытий в космосе.

На фотографиях запечатлены явления, которых раньше никто не видел. Амбициозный космический корабль раскрыл новые тайны о Солнце и краях нашей Солнечной системы. Астрономы заметили самый яркий свет во Вселенной, обнаружили новые планеты, вращающиеся вокруг далеких звезд, и зафиксировали столкновение черной дыры и нейтронной звезды, исказившее ткань пространства-времени.

В нашей Солнечной системе ученые также обнаружили новые луны и свидетельства сильных столкновений в прошлом.

Вот 26 крупнейших открытий и достижений в космосе 2019 года.

В первый день Нового года зонд НАСА «Новые горизонты» сделал беспрецедентные фотографии самого далекого объекта, который когда-либо посещал космический корабль.

Бывший лучший вид Аррокота с New Horizons (слева) рядом с самой подробной версией (справа).

НАСА/JHUAPL/SwRI

После того, как в июле 2015 года New Horizons пролетел мимо Плутона, его долгий путь к краю нашей Солнечной системы привел его к далекой космической скале по прозвищу Аррокот. Зонд сделал сотни фотографий, когда пролетал мимо космического камня со скоростью 32 200 миль в час в день Нового года.

Аррокот, ранее прозванный «Ультима Туле», находится на расстоянии более 4 миллиардов миль от Земли.

Всего несколько дней спустя Китай приземлился на обратной стороне Луны — впервые человечество совершило такой подвиг.

Китайский лунный модуль «Чанъэ-4» достиг обратной стороны Луны 3 января 2019 года. Этот снимок был сделан марсоходом миссии «Юйту-2».

CNSA/CLEP

3 января миссия «Чанъэ-4» приземлилась на той стороне Луны, которую мы не можем видеть с Земли. Космический корабль прислал первые фотографии, когда-либо сделанные с этой части поверхности Луны.

Это был год фотографических новинок.

Исследователи объединили 7500 фотографий, сделанных космическим телескопом Хаббл за 16 лет. Результатом стала эта беспрецедентная мозаика глубокой вселенной.

Астрономы разработали мозаику далекой Вселенной, названную Поле Наследия Хаббла, которая документирует 16 лет наблюдений с космического телескопа Хаббла.

НАСА, ЕКА, Г. Иллингворт и Д. Маги (Калифорнийский университет, Санта-Крус), К. Уитакер (Университет Коннектикута), Р. Боуэнс (Лейденский университет), П. Ош (Женевский университет) и наследие Хаббла Полевая команда.

Изображение выше, опубликованное в мае, содержит около 265 000 видимых галактик, втиснутых в область, меньшую, чем видимый размер Луны на небе. Свет от некоторых из этих галактик исходит 13,3 миллиарда лет назад, всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва.

«Ни одно изображение не превзойдет это, пока не будут запущены будущие космические телескопы, такие как Джеймс Уэбб», — сказал в пресс-релизе Гарт Иллингворт, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Круз.

Международная группа ученых опубликовала первую фотографию черной дыры.

Первое изображение черной дыры, полученное с помощью наблюдений Event Horizon Telescope за центром галактики M87.

Сотрудничество с телескопом Event Horizon

Беспрецедентная фотография, опубликованная в апреле, показывает сверхмассивную черную дыру в центре галактики Мессье 87, которая находится на расстоянии около 54 миллионов световых лет от Земли. Масса черной дыры эквивалентна 6,5 миллиардам солнц.

Ученые десятилетиями пытались запечатлеть черную дыру на камеру, поскольку черные дыры искажают пространство-время, гарантируя, что ничто не может вырваться из-под их гравитационного притяжения — даже свет. Вот почему изображение показывает тень в форме идеального круга в центре.

В следующем месяце сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики внезапно вспыхнула, предполагая, что она могла проглотить что-то большое.

Представление художника о сверхмассивной черной дыре, окруженной вращающимся диском падающего в нее материала.

НАСА

В мае сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути внезапно вспыхнула вдвое ярче, чем ученые видели за 20 лет наблюдений. Никто не знает, что вызвало вспышку, но виновниками могут быть два объекта, которые проходили рядом с черной дырой в 2014 и 2018 годах.

«Мы думаем, что в этом году может произойти что-то необычное, потому что черная дыра, кажется, меняет яркость больше, достигая более ярких уровней, чем мы когда-либо видели в прошлом», — Туан До, астроном и ведущий автор статьи о открытие, сказал Vice.

В августе ученые впервые зафиксировали столкновение между черной дырой и нейтронной звездой (сверхплотным остатком мертвой звезды).

Художественное изображение черной дыры, готовой поглотить нейтронную звезду.

Карл Нокс, Центр передового опыта OzGrav ARC

900:02 Детекторы гравитационных волн в США и Италии зафиксировали рябь в пространстве-времени от этого события, когда они проходили через Землю.

Гравитационные волны были впервые предложены Альбертом Эйнштейном, который в 1915 году предсказал, что ускорение массивных объектов, таких как нейтронные звезды или черные дыры, будет создавать «волны» в ткани пространства и времени.

Первые наблюдения гравитационных волн, однако, были сделаны лишь 100 лет спустя. В 2015 году исследователи обнаружили волны от столкновения двух черных дыр, а в 2017 году они наблюдали слияние двух нейтронных звезд.

Ученые считают, что волны этого года возникли из-за того, что черная дыра поглотила нейтронную звезду 1 миллиард лет назад. Если это подтвердится, это будет третий тип событий, обнаруженных с помощью гравитационных волн.

Еще один мощный космический взрыв, называемый гамма-всплеском, испустил самый яркий и самый энергичный свет во Вселенной. Ученые впервые увидели этот свет.

Космический телескоп Хаббл сфотографировал угасающее послесвечение гамма-всплеска, официально названного GRB 19. 0114C, виден здесь в центре зеленого круга.

НАСА, ЕКА и В. Аччиари и др. 2019

Телескопы

ранее наблюдали низкоэнергетические лучи, исходящие от начального гамма-всплеска и послесвечения. Но ученым никогда не удавалось уловить сверхвысокоэнергетический свет до этих двух недавних наблюдений.

Второй всплеск, зарегистрированный в январе, произвел свет, содержащий примерно в 100 миллиардов раз больше энергии, чем свет, видимый нашим глазам.

«Оказывается, мы потеряли примерно половину их энергетического бюджета до сих пор», — заявила Констанция Саталека, которая координирует поиски гамма-всплесков с помощью телескопа, в пресс-релизе после публикации результатов в ноябре. «Наши измерения показывают, что энергия, выделяемая в гамма-излучении очень высокой энергии, сравнима с количеством, излучаемым при всех более низких энергиях вместе взятых. Это замечательно».

Еще один взрыв, возможно, уничтожил самую массивную звезду, которая когда-либо погибала в результате взрыва сверхновой. Она длилась более 800 дней, дольше, чем любая сверхновая, увиденная ранее.

На этом изображении показана самая большая звезда в системе Эта Киля в ультрафиолетовом и видимом свете, приближающаяся к концу своей жизни, и вероятный взрыв сверхновой.

НАСА Годдард

Ученые считают, что это может быть первое наблюдение сверхновой редкого типа — последний взрыв умирающей звезды — который полностью уничтожает свою звезду, не оставляя после себя ничего.

«Все в этой сверхновой выглядит по-другому — ее яркость со временем, ее спектр, галактика, в которой она находится, и даже то, где она находится в своей галактике», — Эдо Бергер, автор августовского исследования, описывающего это событие. , — говорится в сообщении для прессы. «Иногда мы видим сверхновые, которые необычны в одном отношении, но в остальном нормальны; эта уникальна во всех отношениях».

Возможно, именно так умирают самые массивные звезды во Вселенной.

В то время как некоторые открытия давали многообещающие ответы, другие просто вызывали больше вопросов. Новые измерения расширения Вселенной высветили «кризис в космологии», который может потребовать «новой физики».

Художественное изображение стандартной модели космологии.

СОТРУДНИЧЕСТВО BICEP2/ЦЕРН/НАСА

Вселенная постоянно увеличивается, галактики отдаляются друг от друга. Но измерения современной Вселенной показывают, что она расширяется гораздо быстрее, чем предсказывает стандартная модель ее истории.

«В этом заключается кризис космологии», — заявил в пресс-релизе Крис Фасснахт, астрофизик и соавтор исследования по этому поводу.

В этом году одно исследование показало, что Вселенная расширяется на 9% быстрее, чем предсказывают расчеты, основанные на излучении Большого взрыва. Другие исследования пришли к аналогичным выводам с использованием других методов.

Ученые считают, что эти несоответствующие измерения показывают, что в их модели Вселенной чего-то не хватает. Они просто не знают что.

«Это может быть экзотическая темная энергия, или новая релятивистская частица, или какая-то другая новая физика, которую еще предстоит открыть», — сказала астрофизик Шерри Суйу в выпуске декабрьского исследования по этой теме.

Другие открытия в этом году произошли случайно. Астроном-любитель заметил второй объект, который когда-либо входил в нашу Солнечную систему из межзвездного пространства.

Изображение, полученное космическим телескопом Хаббла, показывает центральную концентрацию пыли вокруг невидимого ядра межзвездной кометы.

НАСА, ЕКА и Дж. Де Паскуале (STScI)

Комета 2I/Borisov прибыла из неизвестной звездной системы. Это всего лишь второй межзвездный объект, проходящий через нашу Солнечную систему.

Крымский астроном-любитель Геннадий Борисов впервые заметил комету 30 августа. Сейчас она мчится мимо Солнца со скоростью 100 000 миль в час, проходя мимо орбиты Марса. В этом месяце он максимально приблизится к Земле, приблизившись не более чем на 190 миллионов миль (300 миллионов километров).

Первый из когда-либо замеченных межзвездных объектов, таинственный сигарообразный Оумуамуа (некоторые ученые спорно утверждали, что он может иметь инопланетное происхождение ), пронесся мимо Земли на расстоянии 15 миллионов миль в октябре 2017 года.

«Главное отличие от кометы Оумуамуа и этой состоит в том, что мы получили ее очень, очень заранее», — сказал Business Insider Оливье Эно, астроном из Европейской южной обсерватории, когда о комете впервые сообщили в сентябре. «Теперь астрономы гораздо лучше подготовлены».

Поскольку 2I/Borisov находился за пределами нашей Солнечной системы, ученые опубликовали результаты путешествия космического корабля «Вояджер-2» в межзвездное пространство.

На иллюстрации показано положение зондов НАСА «Вояджер-1» и «Вояджер-2» за пределами гелиосферы, защитного пузыря, созданного Солнцем, который простирается далеко за пределы орбиты Плутона.

НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт

900:02 «Вояджер-2» обнаружил таинственный дополнительный слой за пределами нашей Солнечной системы.

Зонд вышел в межзвездное пространство в декабре 2018 года, через шесть лет после того, как его родственный космический корабль «Вояджер-1» достиг пределов Солнечной системы в 2012 году. Но прибор для измерения плазмы на «Вояджере-1» был поврежден, поэтому зонд не мог собрать важные данные о переходе из нашей Солнечной системы в межзвездное пространство.

«Вояджер-2», однако, передал беспрецедентные данные о ранее неизвестных пограничных слоях на дальнем краю нашей Солнечной системы — области, известной как гелиопауза.

Открытие этих пограничных слоев позволяет предположить, что существуют этапы перехода от нашего солнечного пузыря к межзвездному пространству за его пределами, о которых ученые до сих пор не знали.

НАСА также опубликовало новые результаты другого космического корабля: солнечного зонда Parker. Высокоскоростной зонд обнаружил невиданную ранее активность на краях солнечной атмосферы.

Художественная иллюстрация приближения солнечного зонда Parker к Солнцу.

НАСА

С момента запуска в августе 2018 года солнечный зонд Parker трижды облетел вокруг Солнца, приблизившись к нему ближе, чем любой космический корабль до него, и путешествуя быстрее, чем любой другой искусственный объект в истории.

Первые данные зонда, опубликованные в декабре, выявили инверсии солнечного магнитного поля и «всплески» в его потоке электрически заряженных частиц, называемых солнечным ветром.

Этот солнечный ветер омывает Землю, поэтому зонд Parker может помочь ученым понять, как защитить астронавтов и земную электросеть от непредсказуемых, сильных солнечных взрывов.

Космический корабль должен пролететь вокруг Солнца еще 21 раз в течение следующих шести лет.

Японский космический корабль приземлился на астероид после того, как взорвал его пулей, чтобы собрать образцы подповерхностной породы.

Япония планирует доставить эти камни на Землю.

На компьютерном графическом изображении, предоставленном Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA), видно, как японский космический корабль «Хаябуса-2» приближается к астероиду Рюгу.

Ассошиэйтед Пресс

В июле космический корабль «Хаябуса-2» собрал глубокие породы Рюгу, примитивного астероида диаметром в полмили, который вращается вокруг Солнца на расстоянии до 131 миллиона миль.

Некоторые астероиды появились на заре нашей Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад, когда материалы, оставшиеся от образования планет, объединились в эти глыбы породы. В этом смысле астероиды могут служить капсулами времени: то, что ученые находят в этих примитивных породах, может многое рассказать нам об истории Солнечной системы.

Под поверхностью Рюгу скала защищена от износа космоса. Он может содержать аминокислоты, необходимые строительные блоки жизни.

В случае успеха «Хаябуса-2» станет первой миссией по доставке образцов с такого астероида на Землю.

В июне НАСА запустило в космос атомные часы. Сверхточная технология хронометража может когда-нибудь послужить своего рода GPS в глубоком космосе.

Иллюстрация проекта НАСА Deep Space Atomic Clock.

НАСА

 Атомные часы глубокого космоса (DSAC), размером с тостер с четырьмя ломтиками, предназначены для обеспечения точного времени с точностью до одной десятимиллионной доли секунды в течение года.

Эксперимент, запущенный на борту ракеты SpaceX Falcon Heavy.

Сверхточная технология хронометража однажды позволит роботизированным космическим кораблям и космическим кораблям с экипажем сравнивать свое местное время со временем, передаваемым атомными часами на Земле. Это позволило бы им вычислять свое местоположение и скорость и перемещаться по Солнечной системе автономно, без инструкций с Земли.

«Если мы отправимся на Марс, экипаж захочет узнать, где они находятся, и им нужно будет это знать — возможно, в режиме реального времени — на случай, если им придется в последнюю минуту внести коррективы в курс, — заявил ранее Business Insider Тодд Эли, руководитель эксперимента DSAC.

Первый космический корабль на солнечных батареях был запущен на той же ракете, что и атомные часы. Эта технология может помочь космическим кораблям будущего совершать межзвездные путешествия.

Концепция художника LightSail 2 над Землей.

Джош Спрэдлинг/Планетарное общество

: Когда почти через месяц после запуска экспериментальный космический корабль под названием LightSail 2 развернул свои паруса, он стал первым космическим кораблем, приводимым в движение исключительно солнечным светом.

Этот тип солнечного паруса когда-нибудь позволит космическому кораблю путешествовать за пределы Солнечной системы, поскольку его постоянно толкает сквозь пространство давление фотонов.

«Солнечные паруса просто идеальны», — сказал в видео Билл Най, глава Планетарного общества, руководившего миссией. «Люди размышляли об использовании солнечных парусов в качестве грузовых кораблей для доставки материалов на Марс и так далее».

За пределами нашей Солнечной системы астрономы обнаружили множество новых экзопланет. На прошлой неделе НАСА подтвердило существование нового класса огромных «супер-пухлых» планет, плотность которых равна плотности сладкой ваты.

Художественная иллюстрация солнцеподобной звезды Кеплер 51 и трех ее гигантских супер-пухлых планет.

НАСА, ЕКА и Л. Хастак, Дж. Олмстед, Д. Плейер и Ф. Саммерс (STScI)

До недавнего времени астрономы знали только о трех типах планет, которые мы видим в нашей Солнечной системе: планеты земной группы, такие как Земля, ледяные гиганты, такие как Нептун, и газовые гиганты, такие как Юпитер.

Но в четверг НАСА подтвердило, что три экзопланеты попадают в новую группу супер-затяжек. Поскольку их водородно-гелиевые атмосферы раздуваются, эти планеты почти такие же большие, как Юпитер, но имеют в 100 раз меньшую массу.

Никто не знает, почему легкие атмосферы планет такие раздутые.

Исследователи также обнаружили несколько новых суперземель — планет больше Земли, но недостаточно больших, чтобы быть похожими на Нептун.

Художественная концепция сверхземной планеты Kepler-62e, расположенной примерно в 1200 световых годах от Земли.

НАСА/Эймс/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт

900:02 В январе НАСА объявило о первом в этом году открытии сверхземли. В июле исследователи обнаружили, что телескопы НАСА заметили еще один.

Группа новых экзопланет, о которых было объявлено в понедельник, включала четыре суперземли, которые, кажется, испаряются под сильным жаром своих звезд.

Некоторые недавно обнаруженные суперземли находятся в обитаемых зонах своих звезд — диапазоне расстояний, на которых поверхность планеты может иметь подходящую температуру для жидкой воды.

Зона «Златовласки» вокруг звезды — это место, где планета не слишком горячая и не слишком холодная, чтобы поддерживать жидкую воду.

НАСА

На этих планетах потенциально может быть инопланетная жизнь. Целый ряд будущих телескопов направлен на изучение таких экзопланет для поиска признаков жизни в их атмосферах.

Несколько новых суперземель были одними из самых близких экзопланет из когда-либо найденных.

Иллюстрированная интерпретация того, как может выглядеть экзопланета GJ 357 d.

Центр космических полетов имени Годдарда НАСА / Крис Смит

Ученые объявили в июле, что одна из недавно открытых планет, названная GJ 357 d, находится всего в 31 световом году от нас. Это одна из 45 ближайших экзопланет, подтвержденных на сегодняшний день, из общего числа 4025 планет, находящихся за пределами нашей Солнечной системы.

«GJ 357 d находится на внешнем краю обитаемой зоны своей звезды, где он получает примерно такое же количество звездной энергии от своей звезды, как Марс получает от Солнца», — Дайана Коссаковски, член команды, открывшей планету. , — говорится в сообщении для прессы.

«Если планета имеет плотную атмосферу, для определения которой потребуются будущие исследования, она может удерживать достаточно тепла, чтобы нагреть планету и позволить жидкой воде находиться на ее поверхности», — добавила она.

В сентябре ученые объявили, что обнаружили водяной пар в атмосфере планеты размером с Землю в обитаемой зоне соседней звезды.

Художественное представление планеты K2-18b, ее родительской звезды и сопутствующей планеты в системе.

ЕКА/Хаббл, М. Корнмессер

Однако другие ученые говорят, что планета, названная K2-18b, слишком велика, чтобы быть суперземлей. В восемь раз больше массы Земли, говорят они, планета, вероятно, больше похожа на Нептун, с плотной атмосферой, которая оказывает высокое давление на поверхность планеты и делает ее негостеприимной для жизни.

Даже если К2-18b не является подходящим местом для жизни, миллиарды других планет в нашей галактике могут соответствовать этим стандартам.

Августовское исследование показало, что только в галактике Млечный Путь может быть до 10 миллиардов миров, похожих на Землю.

Иллюстрация похожих на Землю планет показывает, как они могут различаться по размеру и составу.

НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт/Р. Больно (SSC-Калифорнийский технологический институт)

Все больше и больше свидетельств указывает на то, что в нашей галактике часто встречаются теплые водянистые планеты, такие как Земля.

Исследователи из Пенсильванского государственного университета подсчитали, создав симуляцию, основанную на поиске экзопланет космическим телескопом Кеплер. Они подсчитали, что планета, похожая на Землю, вероятно, вращается вокруг одной из каждых четырех солнцеподобных звезд. В сумме это означает, что в нашей родной галактике может быть до 10 миллиардов миров, подобных Земле.

Даже миры, не похожие на Землю, могут иметь шанс заселить инопланетную жизнь.

В октябре НАСА обнаружило органические соединения в океане спутника Сатурна Энцелада.

Энцелад, ледяной спутник Сатурна, запечатленный зондом НАСА «Кассини».

NAS/JPL-Калифорнийский технологический институт

Эти соединения, которые переносят азот и кислород, играют ключевую роль в производстве аминокислот ⁠ — сложных молекул, которые служат строительными блоками белков. Без белков жизнь, какой мы ее знаем на Земле, не могла бы существовать.

Ученые давно подозревали, что океан под поверхностью Энцелада может содержать ингредиенты для жизни. Исследователи и раньше обнаруживали другие органические молекулы, исходящие от ледяной луны, но в октябре они объявили, что впервые обнаружили их растворенными в воде. Это очень важно, поскольку это означает, что соединения могут подвергаться глубоководным химическим реакциям, в результате которых образуются аминокислоты.

На Марсе, напротив, сегодня вряд ли есть жизнь. Но в этом месяце ученые НАСА нашли область, где будущие астронавты могли бы выкапывать лопатой подземный лед.

Аннотированная область Марса на этой иллюстрации содержит приповерхностный водяной лед, который астронавты могут легко выкопать.

НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт

Водяной лед находится всего в дюйме от поверхности в обширном регионе с умеренным климатом, изображенном выше.

Это может быть идеальное место для посадки астронавтов, так как любой экипаж, который посетит красную планету, должен будет добывать там ресурсы, а вода является самым важным из них. Марсианским астронавтам нужно будет выкопать лед, чтобы приготовить питьевую воду и создать ракетное топливо для путешествия обратно на Землю (когда вы разлагаете воду на кислород и водород, последний можно использовать для производства топлива).

«Привозить воду с Земли было бы невероятно дорого», — сказал Business Insider Сильвен Пике, планетолог НАСА, руководивший исследованием. «Все, что вам не нужно брать с собой, оставляет больше места для научных экспериментов или дополнительных инженерных возможностей».

Посадочный модуль NASA Insight находится на Марсе с ноября 2018 года. В апреле его встроенный сейсмометр зафиксировал первые марсианские землетрясения.

Художественная иллюстрация посадочного модуля InSight на Марсе.

НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт

С тех пор исследователи зафиксировали более 100 событий, около 21 из которых, вероятно, являются землетрясениями. Землетрясения на Марсе предполагают, что красная планета может быть менее похожей на Землю, чем мы думали.

Исследователи ожидали, что землетрясения на Марсе будут похожи на землетрясения, поскольку когда-то на Марсе было много вулканической активности и воды. Они также думали, что планета имеет кору, похожую на земную. Но пока землетрясения на Марсе кажутся более похожими на землетрясения на Луне, чем на Земле, что говорит о том, что кора Марса более сухая и разрушенная, чем предполагали ученые.

«Землетрясение на Луне нарастает в течение нескольких минут, а затем затухает в течение часа или более. Поэтому оно выглядит совсем по-другому», — ранее рассказал Business Insider Марк Паннинг, сейсмолог из команды NASA InSight. «Причина, по которой лунотрясения выглядят так, заключается в том, что поверхность Луны очень сухая и сильно разрушена. Она просто лежала там миллиарды лет и подвергалась ударам метеоритов».

Исследования других планет Солнечной системы тоже принесли сюрпризы. Ученые обнаружили, что огромная планета могла врезаться в Юпитер около 4,5 миллиардов лет назад.

Представление художника о столкновении молодого Юпитера с массивной, все еще формирующейся протопланетой в ранней Солнечной системе.

Иллюстрация К. Суда и Ю. Акимото/Конструкторское бюро Мабучи, предоставлено Центром астробиологии, Япония.

В августовском исследовании исследователи подсчитали, что Юпитер, вероятно, поглотил молодую планету, масса которой в 10 раз превышает массу Земли, после лобового столкновения.

Древнее столкновение объясняет, почему ядро ​​Юпитера менее плотное и более рассеянное, чем ожидали ученые.

«Поскольку он плотный и обладает большой энергией, ударный элемент будет подобен пуле, которая проходит сквозь атмосферу и попадает в ядро ​​лоб в лоб», — Андреа Изелла, астроном из Университета Райса и соавтор автор исследования, говорится в пресс-релизе. «До удара у вас есть очень плотное ядро, окруженное атмосферой. Лобовое столкновение разбрасывает вещи, разжижая ядро».

Астрономы также обнаружили на 20 спутников, вращающихся вокруг Сатурна, больше, чем они знали раньше, в результате чего общее число планет достигло 82.

Представление художника о 20 недавно открытых спутниках, вращающихся вокруг Сатурна.

Иллюстрация предоставлена ​​Институтом науки Карнеги; Изображение Сатурна предоставлено NASA/JPL-Caltech/Институтом космических наук; Звездный фон предоставлен Паоло Сарторио/Shutterstock

Это больше, чем на любой другой планете Солнечной системы.

Каждый из недавно открытых спутников имеет диаметр около 3 миль (5 километров), а 17 из них вращаются в ретроградном направлении или в направлении, противоположном вращению Сатурна. Один из них сейчас является самым дальним известным спутником Сатурна.

Это был знаменательный год для прорывов в космосе, но 2020 год может оказаться еще более грандиозным.

Инженеры наблюдают за первыми ходовыми испытаниями марсохода NASA Mars 2020 в Лаборатории реактивного движения в Пасадене, Калифорния, 17 декабря 2019 г..

НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт

НАСА собирается запустить новый марсоход в июле 2020 года, и Европейское космическое агентство также планирует запустить его. Тем временем НАСА и SpaceX планируют запустить первых астронавтов на корабле Crew Dragon в первом квартале года.

Значок сделкиЗначок в виде молнии.

Продолжай читать

LoadingЧто-то загружается.

Функции
Пространство
Открытия

Подробнее…

восемь наиболее важных открытий космических помещений со времен Apollo Landings

Астрономия

Бен Бурресс

000Z»> 31 июля 2019 г.

Статья

Статья

Пожалуйста, попробуйте еще раз

Эта статья больше, чем 3 года,

. старый.

Первое изображение черной дыры, видимой силуэтом на фоне горячих газов.  (EHT)

Высадки Аполлона на Луну в 1969–1972 годах происходили в эпоху, когда человечество только начинало исследовать космическое пространство с помощью автоматических зондов и космических обсерваторий.  

Это было время, когда мы принимали космос более за чистую монету, с отношением «что видишь, то и получаешь». Черные дыры, например, были умопомрачительными гипотетическими объектами, существование которых еще предстояло проверить. И мы все еще задавались вопросом, может ли наше Солнце быть единственной звездой во Вселенной с 9 планетами.0342 .

Уникальная перспектива наблюдения космоса и места нашей планеты в нем из космоса привела ко многим научным открытиям и философским откровениям. (NASA)

За десятилетия, прошедшие после миссий «Аполлон», длинный список новых открытий изменил наше понимание Вселенной, от космического до субатомного. Вот восемь самых важных из них с тех пор, как люди в последний раз высаживались на Луну.

Черная дыра подтверждена

В 1971 году из одной точки в созвездии Лебедя было обнаружено сильное рентгеновское излучение. Считалось, что рентгеновские лучи исходят от первой обнаруженной черной дыры, как дым от невидимого пистолета, хотя это не было подтверждено более 30 лет.

Представление о массивном объекте с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может покинуть его, восходит как минимум к 1784 году, когда англичанин Джон Мичелл впервые опубликовал эту идею. Общая теория относительности Эйнштейна в начале 20-го века предсказала черные дыры, хотя теоретические объекты обладали такими причудливыми свойствами, что сам Эйнштейн не был убежден в их существовании.

Жизнь на дне океана

В 1977 году на дне глубокого океана была обнаружена процветающая экосистема живых организмов, окружающая гидротермальный источник и полностью существующая за счет тепла и химической энергии, исходящей из недр Земли. Группа морских геологов, финансируемая NSF, сделала открытие в геотермальной горячей точке Галапагосского разлома.

Черный курильщик. Гидротермальные источники на дне океана поддерживают процветание сообществ жизни, которые не зависят от энергии солнечного света.

Эта находка  предоставила первый пример жизни, которая процветает без солнечного света в холодной и темной среде на дне океана, побудив ученых представить, как внеземная жизнь может формироваться и процветать в очень чуждых условиях в других мирах.

Найден убийца динозавров 

В 1980 году лауреат Нобелевской премии по физике Луис Альварес назвал астероид, столкнувшийся с Землей, виновником гибели динозавров. Это вымирание в конце мелового геологического периода было загадкой, которая оставалась неразгаданной более века.

Команда Альвареса обнаружила необычайно высокую концентрацию элемента иридия во всемирном геологическом слое отложений, отмечающем конец мелового периода. Иридий редко встречается в земных породах, но в изобилии содержится в астероидах, что позволяет предположить, что логическим источником была глобальная катастрофа, вызванная столкновением с астероидом.

Карта северной части полуострова Юкатан с едва заметными остатками ударного кратера Чиксулуб, образовавшегося в результате падения астероида около 66 миллионов лет назад. (НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт)

В 1990-х годах на северной оконечности полуострова Юкатан в Мексике был обнаружен ударный кратер шириной 100 миль с центром недалеко от города Чиксулуб. В основном погребенный под джунглями и отложениями морского дна, кратер был химически датирован возрастом около 66 миллионов лет, что совпадает с вымиранием динозавров.

Сегодня кратер Чиксулуб широко известен как смертельная рана, положившая конец 200-миллионной династии самых известных вымерших существ Земли.

Обнаружены первые планеты за пределами нашей Солнечной системы

Первое подтвержденное открытие планеты за пределами нашей Солнечной системы произошло в 1992 году, когда были обнаружены две внесолнечные планеты, вращающиеся вокруг пульсара, который является остатком ядра мертвой звезды в созвездии Девы. . Первое обнаружение экзопланеты, вращающейся вокруг звезды, которая все еще активна и сжигает топливо, произошло три года спустя.

Большинство экзопланет находятся слишком далеко и слишком малы, чтобы их можно было напрямую запечатлеть на изображении, и обнаруживают их косвенно. Это изображение является одним из первых и немногих прямых изображений экзопланеты (маленькое красное пятно), показанной рядом с ее звездой. (NaCo/VLT/ESO)

До этих событий существование планет, вращающихся вокруг других звезд, было лишь предположением. На сегодняшний день подтверждено в общей сложности 4096 планет почти в 3000 планетных системах за пределами нашей Солнечной системы, большинство из них находятся в нашем общем районе галактики Млечный Путь.

Расширение Вселенной ускоряется

В 1998 году научное сообщество было ошеломлено, обнаружив, что наша Вселенная не только расширяется, что известно уже несколько десятков лет, но и расширяется со скоростью скорость ускорения . Здравый смысл подсказывал, что гравитационное притяжение материи во Вселенной должно замедлять расширение, но тщательные наблюдения за особым типом сверхновых , которые служат точным инструментом для измерения расстояний во Вселенной, показали обратное.

Так родилась идея «темной энергии», странной формы энергии, которая, как считалось, пронизывает вселенную и оказывает отталкивающую силу на все крупномасштабные структуры — галактики и скопления галактик — отталкивая их дальше друг от друга на все более быстрый темп . Хотя его природа остается в значительной степени неизвестной, по оценкам, не менее 68% всего состава Вселенной состоит из темной энергии.

Принимая во внимание еще одну невидимую субстанцию, называемую «темной материей», оказывается, что объекты во Вселенной, которые мы можем видеть — тип материала, из которого мы, наша планета и звезды — составляют лишь около 4% массы Вселенной.

Океан на Луне Юпитера

В 1995 году миссия НАСА «Галилео» почти подтвердила существование массивного океана жидкой воды, скрытого под ледяной коркой спутника Юпитера Европы.

Изображения растрескавшейся поверхности Европы позволили предположить, что это ледяная оболочка, плавающая поверх океана, глубина которого может достигать 100 миль и в которой содержится вдвое больше воды, чем в океане Земли.

Существование океана в близлежащем мире является поводом для радости астробиологов, заинтересованных в поиске жизни за пределами Земли, и вынудило НАСА и ЕКА организовать космические миссии для дальнейшего исследования Европы.

Вскоре после того, как был открыт океан Европы, космический корабль НАСА «Кассини» обнаружил шлейфы водяного пара, извергаемые крошечным спутником Сатурна Энцеладом, что еще больше повысило ставки в поисках внеземной жизни.

Столкновение черных дыр

В 2016 году исследователи Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) впервые в истории обнаружили гравитационные волны. Гравитационные волны — это возмущения или рябь в ткани пространства-времени, вызванные ускорением массивных объектов в космосе. Обнаружение этих волн позволяет нам воспринимать события во Вселенной, которые невозможно наблюдать с помощью обычных инструментов, таких как телескопы.

Гравитационно-волновая обсерватория LIGO использует лазер для измерения мельчайших изменений расстояния между ними, вызванных флуктуациями в ткани пространства-времени. (LIGO/Shane Larson)

Именно LIGO обнаружил возмущение, вызванное столкновением и слиянием двух черных дыр, событие, возможность которого предполагалась, но никогда не наблюдалась. Но поскольку высокочувствительный лазерно-зеркальный массив LIGO позволяет измерять искажения в пространстве-времени меньше, чем ядро ​​атома, он смог уловить столкновение.

Первое изображение черной дыры 

В 2019 году международный массив скоординированных телескопов под общим названием Event Horizon Telescope, или EHT, сделал то, что обычно считалось невозможным: он зафиксировал изображение силуэта одной из самых неуловимых объектов во Вселенной, черная дыра.

Сверхмассивная черная дыра, снятая камерой, находится на расстоянии 53 миллионов световых лет от нас, в центре галактики Мессье 87, и содержит массу, эквивалентную 6,5 миллиардам звезд размером с наше Солнце.

Черные дыры уже давно известны как самые темные объекты во Вселенной, которые невозможно запечатлеть на фотографиях из-за их сильной гравитации, которая не позволяет свету выйти наружу. Хотя фактом является то, что свет не может выйти из черной дыры изнутри ее горизонта событий – расстояния, на котором гравитация черной дыры становится достаточно сильной, чтобы предотвратить выход света, – долгое время считалось, что черная дыра может быть виден силуэт на фоне окружающего его свечения горячего газа.

Но черные дыры слишком малы и далеки, чтобы их можно было наблюдать в обычные телескопы. Однако массив EHT не является обычным телескопом; это совокупность нескольких радиотелескопов миллиметрового диапазона, размещенных в обсерваториях от Антарктиды до Гренландии, от Испании до Гавайев и по всей Америке.