Двадцатый век кардинально изменил жизнь человека. Мы вошли в него с паровозами и неуклюжими автомобилями, а закончили с космическими станциями, компьютерами и первыми клонированными животными.
Главной движущей силой подобных изменений стала наука – ХХ век стал ее «звездным часом».
За одно столетие мы узнали об окружающем мире на порядок больше, чем за всю предыдущую историю.
В этом материале собраны десять самых важных научных открытий ХХ века.
Квантовая теория
Двадцатый век начался с настоящей научной революции – в 1900 году Макс Планк сформулировал квантовую теорию. Она перевернула представления ученых о строении элементарных частиц.
Планк определил, что атомы поглощают и испускают энергию не равномерно, а особыми порциями – квантами.
Это открытие привело ученых к понимаю дуализма природы элементарных частиц. Позже на основе квантовой теории Эйнштейн объяснил природу света, а Бор построил первую модель атома.
Теория Планка позволила создать квантовую механику, подходящую для описания широкого круга природных явлений.
Квантовая теория Планка имеет широчайшее прикладное значение. Она применяется повсюду, от работы компьютеров и ядерных реакторов до описания астрофизических явлений и оптических систем.
По сути, Планк открыл человечеству новый мир элементарных частиц, который живет по собственным законам. Его теория дала огромный толчок развитию физики, химии, астрономии.
Теория относительности
В 1915 году Альберт Эйнштейн сформулировал Общую теорию относительности (ОТО), которую еще называют теорией тяготения. В ней ученый заявил, что гравитация – это сила, возникающая в результате искривления пространства-времени.
Именно эта теория объяснила множество парадоксов, которые появляются на скоростях близких к околосветовым. Самым известным из них является замедление времени.
ОТО имеет сложнейший математический аппарат, долгое время ее не могли подтвердить опытным путем. Впервые это удалось при расчете орбиты Меркурия. С помощью ОТО было предсказано существование черных дыр, которые позже были обнаружены астрономами.
В настоящее время ОТО – самая распространенная теория гравитации, она неоднократно подтверждена экспериментально.
Теория с успехом применяется в физике, астрономии, работает в системах спутниковой навигации. Она легла в основу теории Большого взрыва – основной космологической модели современности.
Группы крови
На протяжении столетий медики пытались переливать кровь от одного человека другому. Далеко не всегда подобные попытки заканчивались успешно, иногда они приводили к гибели пациентов.
В 1900 году австрийский врач Карл Ландштайнер понял в чем дело. Он обнаружил группы крови, что стало крупнейшим открытием в практической медицине.
Если раньше кровопотеря была одной из главных причин смерти пациентов, то теперь врачи знали, как избежать ее.
Ландштайнер и его помощники выявили четыре группы крови и принципы их совместимости, после чего переливание стало рутинной процедурой.
В 1930 году ученый за свое открытие получил Нобелевскую премию.
Открытие пенициллина
Антимикробные свойства плесневых грибов были известны медикам еще в Средние века. Однако выделить из их культуры препарат и доказать его свойства удалось Александру Флемингу в 1928 году. Полученное вещество он назвал пенициллином.
Технология его промышленного получения появилась только в 40-е годы в США. Создание антибиотиков привело к настоящей революции в медицине.
Врачи получили эффективный инструмент борьбы против любых бактериальных инфекций. Только в годы войны благодаря антибиотикам удалось спасти более 200 млн человек.
Сегодня существуют десятки видов антибиотиков, однако все они созданы благодаря исследованиям лечебных свойств плесневых грибов.
Флеминг за свое открытие в 1945 году получил Нобелевскую премию.
Открытие нейтрона
Первым гипотезу о существовании нейтральной ядерной частицы выдвинул Резерфорд в 1920 году. Однако она была холодно встречена ученым сообществом.
В 1930 году немецкие ученые Боте и Беккер открыли новый вид излучения, обладавшее значительной проникающей способностью.
В 1932 году англичанин Джеймс Чедвик предположил, что оно состоит из массивных незаряженных частиц, с массой близкой к протону. Он назвал их нейтронами.
Позже гипотеза была подтверждена экспериментально, а в конце 30-х годов ученые обнаружили, что под воздействием новых частиц ядра способны делиться.
Открытие нейтрона имела серьезные последствия. Благодаря ему появилась ядерная энергетика, а также промышленное использование радиоизотопов.
Менее приятным итогом стало создание ядерного оружия, бомбардировка Хиросимы, а также десятилетия Холодной войны, когда мир находился в шаге от ядерного Армагеддона.
Создание транзисторов
В 1947 году американец Уолтер Браттейн собрал первый работающий точечный транзистор. Вскоре были созданы более совершенные плоскостные транзисторы на основе германия, на смену которому пришел кремний. Именно этот элемент стал основой современной электроники, он сделал возможным изготовление интегральных схем.
Появление транзисторов было бы невозможным без создания теории p-n-перехода, которая была разработана в конце 40-х годов Уильямом Шокли.
Эти приборы используют два перехода, направленных навстречу друг другу. При таком расположении ток может течь только в одном направлении.
В 1956 году за свое открытие Шокли получил Нобелевскую премию.
Транзисторы быстро вытеснили вакуумные лампы, что позволило значительно уменьшить вес электронных устройств и повысить их производительность.
В 1971 году на основе транзисторов был создан микропроцессор, открывший человечеству компьютерную эру. Создание вычислительных устройств дало огромный толчок развитию всех научных дисциплин, от физики и математики до биологии и экономики.
Реакции Циглера-Натта
Начиная с середины 30-х годов, полиэтилен и другие виды высокомолекулярных пластмасс синтезировались при высоких температурах (около 300 °C) и огромном давлении. По этой причине стоимость этих соединений была крайне высока.
Немецкий химик Карл Циглер изучал полимеризацию органических веществ, в 1952 году ему удалось разработать реакцию получения полиэтилена и полипропилена при низком давлении и комнатной температуре.
Успеха удалось достигнуть за счет использования металлических катализаторов, в частности титана. Полиэтилен, полученный Циглером, имел большую жесткость и твердость, что делало его более ценным сырьем.
Легенда гласит, что добиться результата помогла случайность. Якобы лаборант плохо отмыл посуду от солей металла, которые и послужили катализатором полимеризации.
Уже через несколько месяцев новый способ получения полимеров был запатентован и запущен в промышленных масштабах.
Катализаторы Циглера позволили химикам получить большое количество новых полимерных соединений, но главным итогом этого открытия стало удешевление полиэтилена и полипропилена. В настоящее время объемы производства этих веществ исчисляются миллионами тонн.
За свое открытие Циглер и Натт получили Нобелевскую премию по химии.
Теория Большого взрыва
Ученых всегда интересовали вопросы возникновения мироздания: как появилась Вселенная, каков ее возраст, что было в начале. В прошлом столетии исследователям удалось ответить на значительную часть этих вопросов.
Теория Большого взрыва – это основная космологическая модель, существующая в наши дни. Согласно этой теории, Вселенная возникла примерно 13,8 млрд лет назад из небольшой точки, в которой каким-то непостижимым образом была сконцентрирована все материя и энергия.
Затем последовал Большой взрыв, давший начало экспоненциальному расширению Вселенной. В первые мгновения после взрыва возникли все существующие элементарные частицы и физические законы.
Теория Большого взрыва и расширяющейся Вселенной родилась не в один момент. Ученые шли к ней несколько десятилетий.
Первым шагом в ее создании стала Общая теория относительности Эйнштейна.
Затем советский математик Фридман предсказал расширение Вселенной. В 1929 году американский астроном Хаббл открыл красное смещение спектра, что доказало на практике процесс расширения.
В 1948 году американский физик Гамов дополнил теоретические изыскания Фридмана. Термин «Большой взрыв» впервые ввел в обиход британский физик и астроном Хойл в 1949 году.
Важнейшим доказательством этой теории стало открытие реликтового излучения в 1964 году. За него также дали Нобелевскую премию.
Теорию Большого взрыва часто критикуют, есть множество моментов, которые она пока не может объяснить. Однако с каждым годом доказательств ее правоты становится все больше.
Клонирование животных
В 1996 году в Шотландии на свет появилась овечка Долли – первое клонированное млекопитающее. Так началась новая эпоха в развитии биотехнологии. Успеха удалось добиться группе ученых под руководством Яна Вильмута.
Появление Долли нельзя назвать одномоментным открытием. Это событие стало итогом десятилетий развития генетики, молекулярной биологии, биохимии, медицинских технологий.
Например, уже в 60-е годы были успешно проведены опыты по клонированию земноводных.
Для клонирования Долли ученые пересадили ядро обычной клетки в яйцеклетку. Овца родилась абсолютно здоровой, она прожила шесть лет, принеся за это время нескольких ягнят. Долли стала самой известной овцой в истории, ее появление вызвало широкий резонанс.
Вскоре технология была отработана и поставлена на поток. В последующие годы ученым удалось успешно клонировать кошек, собак, лошадей, коров, оленей и других животных.
Клонирование – чрезвычайно перспективная технология, поскольку с ее помощью можно получать животных с заранее заданными свойствами.
Например, сейчас очень популярно клонирование домашних животных. Ученые думают с помощью этой технологии «воскресить» вымерших доисторических животных, например, мамонта.
Над этой задачей сейчас работает несколько серьезных лабораторий в разных странах мира.
Очень заманчиво выглядит перспектива клонирования человека, однако здесь возникают препятствия этического характера. В большинстве стран подобные исследования запрещены.
Открытие ДНК
Ученые давно понимали, что у живых организмов признаки закладываются еще до рождения и передаются по наследству. Но очень долго оставалось загадкой, как это происходит, где хранятся эти данные.
Долгое время ученые считали, что информация сохраняется в белках. Позже внимание биологов привлекли нуклеиновые кислоты, присутствие которых было обнаружено во всех клетках.
Изучением этих веществ занималось несколько исследовательских групп. В 1953 году удача улыбнулась британцу Френсису Крику и американцу Джеймсу Уотсону.
Первоначально Уотсон и Крик построили неверную модель ДНК, представив ее в виде спирали из трех цепочек. Позже, применив новый метод рентгенографии, им удалось установить, что в состав спирали входи две нити.
Много времени заняло определение строения цепочек. В конце концов ученые пришли к выводу, что четыре основания в ее составе соединяются попарно, цитозин всегда с гуанином, а тимин с аденином. А ДНК напоминает равномерно закрученную спираль, которая при необходимости может делиться пополам.
Через несколько месяцев выводы ученых были опубликованы, а в 1963 году за свою работу они получили Нобелевскую премию.
Расшифровка строения нуклеиновой кислоты и определение ее роли в сохранении наследственных признаков стало революционным открытием в биологии и медицине.
Благодаря этому открытию мы можем модифицировать гены, заниматься клонированием, лечить генетические заболевания, создавать новые лекарства и вакцины.
Ученые надеются, что изучение работы генетического аппарата позволит излечить рак, победить старение, сделает доступными донорские органы.
