Номер 7, страница 202 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.13. Примеры решения задач. Вопросы - номер 7, страница 202.

Условие.

7. Назовите открытия в физике, которые сделали инженеры (не менее трёх). Как вы считаете, какие процессы в настоящее время являются более эффективными «от научных открытий к технологиям» или «от технологий к научным открытиям»? Проведите ретроспективный анализ (на примере России и других стран). Подготовьте дискуссию.

Решение.

Назовите открытия в физике, которые сделали инженеры (не менее трёх).

В истории науки существует множество примеров, когда инженеры, работая над практическими задачами, совершали фундаментальные открытия в физике. Вот три из них:

1. Сади Карно. Французский военный инженер, которого считают одним из основателей термодинамики. В своём труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), стремясь повысить эффективность паровых машин, он впервые описал идеальный термодинамический цикл (цикл Карно). Это позволило ему сформулировать теорему о максимальном коэффициенте полезного действия тепловых двигателей, что стало фундаментом для второго начала термодинамики — одного из ключевых законов физики.

2. Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Американские инженеры и радиофизики, работавшие в компании Bell Labs. В 1964 году они настраивали большую рупорную антенну для работы со спутниками связи и столкнулись с постоянным фоновым шумом, который не могли устранить. Этот «шум» оказался реликтовым излучением — электромагнитным фоном, оставшимся после Большого взрыва. Их открытие стало одним из важнейших практических подтверждений теории горячей Вселенной и было удостоено Нобелевской премии по физике в 1978 году.

3. Никола Тесла. Выдающийся инженер-электрик и изобретатель, чья работа находилась на стыке инженерии и экспериментальной физики. Создавая системы передачи переменного тока, он также проводил фундаментальные исследования электромагнетизма. Его эксперименты с высокочастотными токами и резонансными трансформаторами (катушками Тесла) привели к наблюдениям, опередившим своё время: он исследовал возможность беспроводной передачи энергии, получал рентгеновские снимки до их официального открытия Рентгеном и внёс значительный вклад в развитие радиотехники.

Ответ: Открытия, сделанные инженерами, включают в себя создание основ второго начала термодинамики (Сади Карно), обнаружение реликтового излучения (Арно Пензиас и Роберт Вильсон) и фундаментальные исследования в области высокочастотных электромагнитных полей (Никола Тесла).

Как вы считаете, какие процессы в настоящее время являются более эффективными «от научных открытий к технологиям» или «от технологий к научным открытиям»?

В настоящее время нельзя говорить об исключительной эффективности одного процесса над другим. Оба пути — «от научных открытий к технологиям» и «от технологий к научным открытиям» — тесно переплетены и образуют единый цикл научно-технического прогресса. Их относительная важность зависит от конкретной области и этапа развития.

1. Процесс «от научных открытий к технологиям» (линейная, или science-push модель). Это классический путь, когда фундаментальные научные знания становятся основой для создания новых технологий. Например, законы электродинамики Максвелла легли в основу радиотехники, а открытия в квантовой механике сделали возможным создание транзисторов и лазеров. Этот путь по-прежнему важен, так как он создаёт принципиально новые возможности, которые невозможно было предсказать заранее.

2. Процесс «от технологий к научным открытиям» (technology-pull модель). Этот путь становится всё более значимым. Разработка новых инструментов и приборов позволяет учёным заглянуть за горизонт существующих знаний. Изобретение телескопа привело к революции в астрономии; создание ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер, позволило открыть бозон Хиггса; развитие компьютерных технологий породило новые области науки, например, биоинформатику. В современной «большой науке» (астрофизика, физика элементарных частиц, геномика) прогресс практически невозможен без создания передовых, часто уникальных технологий.

Таким образом, в настоящее время наиболее эффективной является модель, в которой эти два процесса образуют петлю обратной связи: фундаментальная наука создаёт базу для новых технологий, а новые технологии становятся инструментами для дальнейших научных открытий.

Ответ: В настоящее время ни один из процессов не является абсолютно доминирующим; они взаимосвязаны и образуют цикл. Однако в передовых областях науки роль процесса «от технологий к научным открытиям» постоянно возрастает, поскольку новые открытия часто требуют создания беспрецедентно сложных технологических инструментов.

Проведите ретроспективный анализ (на примере России и других стран).

Ретроспективный анализ показывает, что разные страны в разные периоды делали ставку на различные модели взаимодействия науки и технологий.

СССР/Россия: В Советском Союзе господствовала централизованная линейная модель «от науки к технологиям». Государство вкладывало огромные ресурсы в фундаментальную науку, сосредоточенную в Академии наук, с расчётом на то, что её открытия будут затем внедряться в промышленность и оборонный комплекс. Эта модель обеспечила выдающиеся успехи в теоретической физике, математике и освоении космоса (запуск первого спутника, полёт Гагарина). Однако слабой стороной системы была низкая эффективность внедрения научных разработок в гражданскую экономику, что приводило к технологическому отставанию в потребительском секторе. В современной России эта проблема отчасти сохраняется.

США и другие западные страны: В этих странах исторически сложилась более гибкая, смешанная модель. Наряду с государственным финансированием фундаментальной науки (через такие организации, как NSF в США), огромную роль играет частный сектор. Крупные корпорации (исторически — Bell Labs, IBM; сегодня — Google, Apple, SpaceX) имеют собственные исследовательские подразделения и часто работают по модели «от технологий к науке», когда практическая инженерная задача стимулирует фундаментальные исследования. Например, разработка транзистора в Bell Labs потребовала глубокого изучения физики твёрдого тела. Экосистема Кремниевой долины является ярким примером эффективного и быстрого цикла взаимодействия между университетской наукой, венчурным капиталом и технологическими стартапами.

Современный мир: Глобализация привела к формированию международных научных проектов (например, ЦЕРН, проект «Геном человека», Международная космическая станция), которые являются гибридными. В них создание сложнейших технологических комплексов является и целью, и средством для совершения фундаментальных открытий. Такие проекты финансируются консорциумами государств и часто включают участие частного бизнеса.

Ответ: Ретроспективный анализ показывает, что советская модель с упором на «науку ради технологий» была успешна в отдельных областях, но в целом проигрывала в эффективности гибкой западной модели, где наука и технологии развиваются в тесной связке, часто внутри частных компаний и в рамках государственно-частного партнёрства. Глобальный тренд — усиление взаимопроникновения науки и технологий.

Подготовьте дискуссию.

Взаимосвязь между научными открытиями и технологическим прогрессом является одной из ключевых тем для понимания развития цивилизации. Дискуссия на эту тему может строиться вокруг следующих тезисов и вопросов.

Основной тезис: Если в XIX-XX веках технологии чаще всего были следствием научных открытий, то в XXI веке они всё чаще становятся их причиной. Прорывные научные результаты сегодня достигаются не столько гением-одиночкой в кабинете, сколько огромными коллективами, работающими на уникальных и сверхдорогих технологических установках (гравитационно-волновые обсерватории, космические телескопы, ускорители частиц). Технология превратилась из простого приложения науки в её главный локомотив.

Вопросы для обсуждения:

1. Может ли прорывная фундаментальная наука существовать без передовых технологий? Возможно ли сегодня совершить открытие уровня теории относительности, не опираясь на сложные экспериментальные данные, полученные с помощью новейших технологий?

2. Какова оптимальная стратегия государственного финансирования? Должно ли государство в первую очередь поддерживать «чистую» фундаментальную науку в надежде на её будущее практическое применение, или эффективнее инвестировать в крупные технологические проекты (мегасайенс), которые одновременно решают прикладные задачи и двигают вперёд фундаментальные исследования?

3. Роль частного сектора. Являются ли технологические гиганты вроде Google или частные космические компании, такие как SpaceX, более эффективными драйверами научно-технического прогресса, чем традиционные государственные академии и университеты? Не приведёт ли их доминирование к тому, что исследования будут вестись только в коммерчески выгодных направлениях?

4. Национальные приоритеты. Как России, с её сильными традициями фундаментальной науки, но историческими трудностями во внедрении, выстроить эффективную систему, которая бы сокращала разрыв между научным открытием и его коммерциализацией?

Ответ: Дискуссия может быть построена вокруг смены парадигмы от «наука порождает технологии» к «технологии делают возможными научные открытия». Ключевые вопросы касаются баланса между государственной и частной инициативой, стратегии финансирования науки и преодоления разрыва между исследованиями и их практическим применением.