ОТЧЕТНЫЙ ДОКЛАД
Президиума
РОССИЙСКОЙ
АКАДЕМИИ НАУК
Научные достижения
Российской академии наук
в 2008 году
МОСКВА 2009
УДК 001
ББК 73
О-88
ISBN 978-5-02-037073-9 © Российская академия наук, 2009
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 11
О СОСТОЯНИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ НАУК В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 17
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ 17
ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ 21
НАНОТЕХНОЛОГИИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 24
ЭНЕРГЕТИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ 29
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ И НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ 34
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ 38
НАУКИ О ЗЕМЛЕ 42
ОБЩЕСТВЕННЫЕ НАУКИ 47
ИСТОРИКО-ФИЛОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ 52
ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ 61
I. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ 61
1. Современные проблемы теоретической математики 61
2. Математическая физика и математические проблемы механики, физики и астрономии 67
3. Вычислительная математика, параллельные и распределенные вычисления 69
4. Математическое моделирование в науке и технике 72
5. Современные проблемы дискретной математики и теоретической информатики 75
II. ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ 78
6. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости 78
7. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы,
а также метаматериалы 83
8. Актуальные проблемы оптики и лазерной физики, в том числе достижение предельных концентраций мощности и энергии
во времени, пространстве и спектральном диапазоне, освоение новых диапазонов спектра, спектроскопия сверхвысокого разрешения и стандарты частоты, прецизионные оптические измерения, проблемы квантовой и атомной оптики, взаимодействие излучения
с веществом 84
9. Фундаментальные основы лазерных технологий, включая обработку и модификацию материалов, оптическую информатику, связь, навигацию и медицину 85
10. Современные проблемы радиофизики и акустики, в том числе
фундаментальные основы радиофизических и акустических
методов связи, локации и диагностики, изучение нелинейных
волновых явлений 86
11. Фундаментальные проблемы физической электроники, в том числе
разработка методов генерации, приема и преобразования
электромагнитных волн с помощью твердотельных и вакуумных
устройств, акустоэлектроника, релятивистская СВЧ-электроника
больших мощностей, физика мощных пучков заряженных частиц 87
12. Современные проблемы физики плазмы, включая физику
высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза, физику астрофизической плазмы, физику
низкотемпературной плазмы и основы ее применения
в технологических процессах 88
13. Современные проблемы ядерной физики, в том числе физики
элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, включая
физику нейтрино и астрофизические и космологические аспекты,
а также физики атомного ядра, физики ускорителей заряженных
частиц и детекторов, создание интенсивных источников нейтронов,
мюонов, синхротронного излучения и их применения в науке,
технологиях и медицине 89
14. Современные проблемы астрономии, астрофизики и исследования
космического пространства, в том числе происхождение, строение и
эволюция Вселенной, природа темной материи и темной энергии,
исследование Луны и планет, Солнца и солнечно-земных связей,
исследование экзопланет и поиски внеземных цивилизаций, развитие
методов и аппаратуры внеатмосферной астрономии и исследований
космоса, координатно-временное обеспечение фундаментальных
исследований и практических задач 95
III. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 99
15. Основы развития и функционирования энергетических систем
в рыночных условиях, включая проблемы энергоэффективности
экономики и глобализации энергетики, энергобезопасность,
энергоресурсосбережение и комплексное использование
природных топлив 99
16. Физико-технические и экологические проблемы энергетики,
тепломассообмен, теплофизические и электрофизические свойства
веществ, низкотемпературная плазма и технологии на ее основе 100
17. Фундаментальные проблемы современной электротехники,
импульсной и возобновляемой энергетики 105
18. Атомная, термоядерная, водородная и космическая энергетика 106
19. Общая механика, динамика космических тел, транспортных средств
и управляемых аппаратов, биомеханика, механика жидкости, газа и
плазмы, неидеальных и многофазных сред, а также механика
горения, детонации и взрыва 108
20. Механика твердого тела, физика и механика деформирования
и разрушения, механика композиционных и наноматериалов,
а также трибология 111
21. Теория машин и механизмов, анализ и синтез машинных
комплексов, фундаментальные проблемы машин и сложных
технических систем, включая безопасность, ресурс и живучесть,
снижение техногенных и технологических рисков для объектов
гражданского и оборонного назначения, проблемы аэро-
космической техники, морских и наземных транспортных систем 115
22. Комплексные проблемы машиноведения, эргономика и биомеханика
систем «человек–машина–среда», создание и функционирование
макро- и микроробототехнических, мехатронных комплексов,
динамика машин, волновые и вибрационные процессы в технике 117
23. Создание перспективных конструкций, материалов и технологий
в авиации, ракетной и атомной технике, судостроении, наземном
транспорте, станко- и приборостроении 119
24. Теория систем, общая теория управления сложными техническими
и другими динамическими системами, в том числе единая теория
управления, вычислений и сетевых связей, а также теория сложных
информационно-управляющих систем, групповое управление
и распределенное управление 120
25. Человеко-машинный симбиоз, интеллектуальное управление,
управление в неопределенных средах и управление
в междисциплинарных моделях организационных, социальных,
экономических, биологических и экологических систем 124
26. Управление движением, управление в энергетических
и транспортных системах, управление производством
(автоматизация проектирования, автоматизация технологических
процессов, логистика), мультидисциплинарная координация
и управление в глобальных производственных системах, а также
кооперативное управление 126
IV. ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 130
27. Теория информации, научные основы информационно-
вычислительных систем и сетей, информатизация общества 130
28. Системный анализ, искусственный интеллект, системы
распознавания образов, принятие решений при многих критериях 134
29. Системы автоматизации, GALS-технологии, математические
модели и методы исследования сложных управляющих систем
и процессов 139
30. Нейроинформатика и биоинформатика, научные основы
и применения 143
31. Проблемы создания глобальных и интегрированных информа-
ционно-телекоммуникационных систем и сетей. Развитие GRID
технологий и стандартов 143
32. Архитектура, системные решения, программное обеспечение
и информационная безопасность информационно-вычислительных
комплексов и сетей новых поколений, системное
программирование 145
33. Элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых
компьютеров, материалы для микро- и наноэлектроники,
микросистемная техника, твердотельная электроника 148
34. Опто-, радио- и акустоэлектроника, оптическая и СВЧ-связь,
лазерные технологии 152
35. Локационные системы 154
V. ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ И НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ 155
36. Теоретическая химия и развитие методологии органического
и неорганического синтеза, новые методы физико-химических
исследований 155
37. Современные проблемы химии материалов, включая
наноматериалы 161
38. Научные основы экологически безопасных и ресурсосберегающих
химико-технологических процессов 168
39. Химические аспекты современной экологии и рационального
природопользования, включая научные проблемы утилизации
и безопасного хранения радиоактивных отходов 169
40. Химические аспекты энергетики: фундаментальные исследования
в области создания новых химических источников тока, разработки
технологий получения топлив из ненефтяного и возобновляемого
сырья, высокоэнергетических веществ и материалов 171
41. Химические проблемы создания фармакологически активных
веществ нового поколения 172
VI. БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ 175
42. Биологическое развитие и эволюция живых систем 175
43. Экология организмов и сообществ 178
44. Биологическое разнообразие 182
45. Общая генетика 187
46. Структура и функции биомолекул и надмолекулярных комплексов 189
47. Молекулярная генетика, механизмы реализации генетической
информации, биоинженерия 193
48. Молекулярные механизмы клеточной дифференцировки,
иммунитета и онкогенеза 195
49. Клеточная биология, теоретические основы клеточных технологий 198
50. Биофизика, радиобиология, математические модели в биологии,
биоинформатика 201
51. Биотехнология 204
52. Физиология нервной и висцеральных систем, клиническая
физиология 209
53. Эволюционная, экологическая физиология, системы
жизнеобеспечения и защиты человека 214
VII. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 217
54. Изучение строения и формирования основных типов геологических
структур и геодинамических закономерностей вещественно-
структурной эволюции твердых оболочек Земли, фундаментальные
проблемы осадочного породообразования, магматизма,
метаморфизма и минералообразования 217
55. Периодизация истории Земли, определение длительности
и корреляция геологических событий на основе развития методов
геохронологии, стратиграфии и палеонтологии 220
56. Физические поля Земли – природа, взаимодействие, геодинамика
и внутреннее строение Земли 221
57. Изучение вещества, строения и эволюция Земли и других планет
методами геохимии и космогеохимии 223
58. Геология месторождений полезных ископаемых, научные основы
формирования минерально-сырьевой базы 223
59. Осадочные бассейны и их ресурсный потенциал, фундаментальные
проблемы геологии и геохимии нефти и газа 226
60. Комплексное освоение недр и подземного пространства Земли,
разработка новых методов освоения природных и техногенных
месторождений 228
61. Мировой океан – физические, химические и биологические
процессы, геология, геодинамика и минеральные ресурсы океанской
литосферы, роль океана в формировании климата Земли 229
62. Динамика и охрана подземных и поверхностных вод, ледники,
проблемы водообеспечения страны 231
63. Физические и химические процессы в атмосфере и на поверхности
Земли, механизмы формирования и изменения климата, проблемы
криосферы 232
64. Катастрофические процессы природного и техногенного
происхождения, сейсмичность – изучение и прогноз 233
65. Эволюция окружающей среды и климата под воздействием
природных и антропогенных факторов, научные основы
рационального природопользования, использование традиционных
и новых источников энергии 235
66. Разработка методов, технологий, технических и аналитических средств исследований поверхности и недр Земли, гидросферы и атмосферы, геоинформатика 237
VIII. ОБЩЕСТВЕННЫЕ НАУКИ 238
67. Цивилизационные перемены в современной России: духовные
процессы, ценности и идеалы 238
68. Политические отношения в российском обществе – власть,
демократия и личность, проблемы и пути консолидации
современного российского общества 240
69. Трансформация социальной структуры российского общества 243
70. Укрепление российской государственности, включая федеративные
отношения 245
71. Человек как субъект общественных изменений – социальные,
гуманитарные и психологические проблемы, проблемы развития
массового сознания 247
72. Методологические проблемы экономической теории и становления
экономики, основанной на знаниях 248
73. Теория и методы экономико-математического моделирования
сценариев социально-экономического и инновационного развития
Российской Федерации 250
74. Комплексное социально-экономическое прогнозирование развития
Российской Федерации 252
75. Проблемы и механизмы обеспечения экономической, социальной
и экологической безопасности Российской Федерации 254
76. Научные основы региональной политики и устойчивое развитие
регионов и городов 256
77. Формирование основ современной системы международных
отношений 260
78. Комплексные исследования экономического и политического
развития иностранных государств и регионов мира во взаимосвязи
с национальными интересами Российской Федерации, опыт реформ
в иностранных государствах 262
79. Место Российской Федерации в мировом хозяйстве, особенности
интеграции Российской Федерации в мировое экономическое
сообщество 266
80. Международный терроризм, проблемы обеспечения национальной
безопасности Российской Федерации 269
IX. ИСТОРИКО-ФИЛОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ 269
81. Комплексные исследования этногенеза, этнокультурного облика
народов, современных этнических процессов,
историко-культурного взаимодействия в Евразии 269
82. Сохранение и изучение культурного, археологического и научного
наследия: выявление, систематизация, научное описание,
реставрация и консервация 272
83. Изучение исторических истоков терроризма, мониторинг
ксенофобии и экстремизма в российском обществе, антропология
экстремальных групп и субкультур, анализ комплекса этнических
и религиозных факторов в локальных и глобальных процессах
прошлого и современности 273
84. Проблемы теории исторического процесса, обобщение опыта
социальных трансформаций и общественный потенциал истории 275
85. Изучение эволюции человека, обществ и цивилизаций, человек
в истории и история повседневности, ретроспективный анализ
форм и содержания взаимоотношений власти и общества 277
86. Исследование государственного развития России и ее места
в мировом историческом и культурном процессе 278
87. Изучение духовных и эстетических ценностей отечественной
и мировой литературы и фольклора 280
88. Проблемы теории, структуры и исторического развития языков
мира, изучение эволюции, грамматического и лексического строя
русского языка 282
ИНДИКАТОРЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПЛАНА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН НА 2008 г. 285
Приложение. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В РАМКАХ ПРОГРАММ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕЗИДИУМА РАН 290
1. КВАНТОВЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ 293
2. ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ОПТИКА И НОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 294
2.1. Фемтосекундная оптика и физика сверхсильных полей 294
2.2. Новые оптические материалы 295
3. КВАНТОВАЯ МАКРОФИЗИКА 296
4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД И ГАЛАКТИК 298
5. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ 299
5.1. Нано- и пикосекундная релятивистская электроника большой мощности 299
5.2. Электромагнитные волны терагерцевого диапазона 301
6. НЕЙТРИННАЯ ФИЗИКА 301
7. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ 303
7.1. Экологически чистая энергетика на основе альтернативных
энергоносителей 303
7.2. Биотопливо и энергоносители из возобновляемого сырья 304
8. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
И СОЗДАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 307
8.1. Органические и гибридные наноструктурированные материалы
для фотоники 307
8.2. Направленный синтез неорганических веществ с заданными
свойствами и создание функциональных материалов на их
основе 308
8.3. Дизайн молекулярных магнитноактивных веществ и материалов 309
8.4. Развитие методологии органического синтеза и создание
соединений с ценными прикладными свойствами 310
8.5. Полифункциональнальные материалы для молекулярной
электроники 311
8.6. Фундаментальные основы создания новых функциональных
и конструкционных неорганических материалов, в том числе на
базе нанотехнологий 313
9. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ 314
9.1. Теплофизика экстремального состояния вещества 314
9.2. Фундаментальные проблемы магнитоплазменной аэродинамики 316
9.3. Физика и механика сильно сжатого вещества и проблемы
внутреннего строения Земли и планет 318
9.4. Фундаментальные проблемы плотной низкотемпературной
плазмы 319
10. МОЛЕКУЛЯРНАЯ И КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ 320
10.1. Регуляция экспрессии геномов и геномов на уровне
транскрипции (функциональная геномика) 320
10.2. Синтез белка и регуляция экспрессии генов на уровне
информационных РНК 321
10.3. Протеомика, выяснение структуры и функции особо важных
белков 322
10.4. Клеточная биология, включая стволовые клетки 322
10.5. Генно-инженерные подходы к лечению социально важных
болезней 323
11. БИОРАЗНООБРАЗИЕ И ДИНАМИКА ГЕНОФОНДОВ 324
12. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ НАУКИ – МЕДИЦИНЕ 326
13. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ 327
14. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАТИКИ
И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 332
15. РАЗРАБОТКА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ
НАУЧНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ GRID 335
16. ИЗМЕНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И КЛИМАТА: ПРИРОДНЫЕ
КАТАСТРОФЫ 340
17. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОКЕАНОЛОГИИ: ФИЗИКА,
ГЕОЛОГИЯ, БИОЛОГИЯ, ЭКОЛОГИЯ 343
18. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ 344
19. ПРОГНОЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЭКОНОМИКИ
РОССИИ С УЧЕТОМ НОВЫХ МИРОВЫХ ИНТЕГРАЦИОННЫХ
ПРОЦЕССОВ 347
20. ЭКОНОМИКА И СОЦИОЛОГИЯ ЗНАНИЯ 349
21. АДАПТАЦИЯ НАРОДОВ И КУЛЬТУР К ИЗМЕНЕНИЯМ
ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ, СОЦИАЛЬНЫМ И ТЕХНОГЕННЫМ
ТРАНСФОРМАЦИЯМ 350
22. ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ 352
23. ИЗДАНИЕ ТРУДОВ ВЫДАЮЩИХСЯ УЧЕНЫХ 353
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 355
ВВЕДЕНИЕ
Настоящий отчет подготовлен согласно ст. 27 (д) Устава РАН в соответствии с распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 февраля 2008 г. № 233-р об утверждении Программы фундаментальных исследований государственных академий наук на 2008 – 2012 годы и поручением Правительства Российской Федерации от 15 декабря 2006 г. № МФ-П7-6002 «О реализации Федерального закона «О внесении изменений в Федеральный закон «О науке и государственной научно-технической политике» и Федеральный закон «Об архивном деле в Российской Федерации» от 4 декабря 2006 г. № 202-ФЗ.
В настоящее время многие отрасли отечественной науки остаются на передовых мировых рубежах. Однако в России результаты научных исследований практически не востребованы, несмотря на настоятельную необходимость перехода экономики страны на инновационный путь развития.
Это, прежде всего, связано с двумя пока не преодоленными негативными тенденциями. Первая из них определяется исключительной ориентацией экономики на сырьевую и утилизационную специализацию, вторая – самой спецификой построенной в России рыночной экономики, в которой конкурентные преимущества хозяйствующих организаций определяются не уровнем используемых знаний, а административными факторами. В результате такой политики наше государство с начала 90-х годов в течение уже более 15 лет фактически исключало достойную финансовую поддержку научной деятельности, а бизнес так и не нашел стимулов для организации и финансирования собственных исследований, отдавая предпочтение импорту и внедрению в производство далеко не самых передовых зарубежных технологий.
К сожалению, в нашей стране до сих пор не удается преодолеть запрет на создание инновационных коммерческих структур при организациях академического сектора науки. Этот запрет полностью противоречит требованиям государственных органов к повышению роли отечественной науки как источника инновационного процесса. Более того, он полностью отрицает возможность такой ее роли.
Однако следует подчеркнуть, что в последнее пятилетие заметно возросло внимание к проблемам отечественной науки со стороны государства. Существенно выросли бюджетные ассигнования на фундаментальные исследования, в основном касающиеся развития академического сектора науки. Такая поддержка положительно повлияла на сокращение оттока специалистов, занятых научными исследованиями и разработками, хотя кардинального перелома в этой сфере пока не произошло. Ожидается, что дальнейший рост ассигнований на науку приведет к увеличению заработной платы работников академической науки и соответственному повышению престижа профессии ученого.
Выполнение государством в полной мере программы поддержки фундаментальных исследований позволит России приблизиться к уровню поддержки научных исследований и разработок за рубежом. В количественном выражении это означает сокращение отрыва России от ведущих стран мира по показателю величины внутренних затрат на исследования и разработки. Отчетные данные за 2006-2008 гг. показывают превышение темпов роста затрат на науку в России по сравнению с зарубежными странами на 12-13% в год. Однако развитие науки, как и других социально-экономических систем, инерционно. Поэтому проходившее в течение почти полутора десятилетий разрушение научной сферы не может быть быстро восстановлено. Научные школы создаются десятилетиями на основе преемственности поколений исследователей, формирования особой научной среды, которая, в конечном итоге, определяет уровень исследований и получаемых результатов.
Преодоление тенденций, ослабляющих российскую науку, потребует от государства формирования и последовательного проведения политики радикального изменения роли и места научного сектора в отечественной экономике и в жизни общества.
В связи со сказанным выше приводимые в настоящем докладе научные результаты следует рассматривать с учетом объективного положения, в котором находится сегодня отечественная наука.
В фундаментальной науке особое место занимает математика. Она является основой для эффективного развития как наук естественного и технического профиля, так и экономических, социальных и гуманитарных наук. Отмечается значительный рост перспективных приложений, разрабатываемых в сфере теоретической математики. При создании моделей реальных процессов в естественных науках, формировании различного рода хранилищ и баз данных широко используются методы теоретической информатики и дискретной математики. В сфере системного программирования выполняются проекты по разработке сложных научных и прикладных моделей природных явлений и технических устройств. Для расчетно-теоретических исследований важнейших научных, технических и инженерных проблем, выдвигаемых практикой, применяются научные достижения в области математического моделирования и вычислительной математики.
В разделе физических наук значительны перспективы использования результатов исследований по ряду направлений физики конденсированных сред (физики наноструктур, мезоскопики, спинтроники и изучения сверхпроводимости) для создания новой электронной и электронно-оптической элементной базы, разработки высокоэффективных полупроводниковых светодиодов и лазеров, преобразователей световой энергии в электрический ток. Научные достижения оптики и лазерной физики являются основой для разработки новейших технологий в промышленности, медицине и других областях, в частности, для создания принципиально новых хирургических инструментов, массового использования протонной терапии для лечения онкологических заболеваний. Исследования в области радиофизики и акустики создают основу для развития сверхдальней связи и радиолокации, космической навигации, средств радиоэлектронной борьбы и др. Созданные на базе фундаментальных результатов физического материаловедения атомные и молекулярные наноструктуры из металлов, элементов полупроводниковых соединений и биомолекул могут использоваться в качестве элементов приборов наноэлектроники и нанобиосенсоров, а также для создания новых композитных функциональных материалов, в частности с эффектом памяти формы. В области астрономии, астрофизики и исследовании космического пространства получены научные результаты мирового уровня в исследовании физики Солнца и свойств нейтрино, построена теория происхождения космических лучей сверхвысоких энергий, решались проблемы происхождения, строения и эволюции Вселенной, выяснения природы темной материи и темной энергии. Эти исследования создают основы для прорывов в понимании свойств материи на фундаментальном уровне.
Использование результатов современных исследований в области информационных технологий в настоящее время является необходимым условием конкурентоспособности продукции на мировых рынках. Поэтому в отчетном году данное научное направление развивалось достаточно активно. Исследования были направлены на создание фундаментальных основ развития отечественных технологий проектирования суперЭВМ на базе масштабируемой сети микропроцессоров, детального предсказательного моделирования и виртуального прототипирования в процессе создания перспективных изделий машиностроения, образцов новой техники, альтернативных и новых энергетических установок, а также технологий проектирования систем управления технологическими процессами на основе масштабируемых аппаратно-программных комплексов. Разрабатывались новые технологии, архитектуры, методы и алгоритмы для систем обработки, передачи и хранения видео-, аудио- и иной мультимедийной информации; исследовались фундаментальные проблемы сверхскоростной передачи оптической информации и теоретических основ сверхвысокоскоростных широкополосных беспроводных сетей с элементами искусственного интеллекта и систем связи высокого уровня интеллектуальности; проектировались вычислительные микросистемы на кристалле на основе сенсоров различной физической природы.
Результаты фундаментальных исследований в области нанотехнологий находят приложение практически во всех современных промышленных технологиях, во многом определяя их конкурентоспособность и перспективы развития.
В исследовании и получении полупроводниковых наногетероструктур, а также использовании их для создания современных информационных систем российскими учеными получены результаты мирового уровня. Быстродействующие электронные и оптоэлектронные приборы на основе полупроводниковых наногетероструктур составляют основу элементной базы современной стационарной и мобильной телекоммуникационной аппаратуры, волоконно-оптических линий связи, твердотельных источников света, систем радиолокации, спутниковой навигации, систем экологического мониторинга и контроля безопасности движения на транспорте, существующих и перспективных радиоэлектронных систем вооружения, в медицине и квантовой криптографии.
Исследования в области энергетики были направлены на разработку стратегий развития отраслей топливно-энергетического комплекса, совершенствование схем и параметров электростанций, электросетей, способов получения и использования различных типов топлива для них, поиск принципиально новых решений проблем энергетики. Проводились работы по диверсификации источников энергии и повышению эффективности их использования, решению экологических проблем при сжигании вредных отбросов и проблем безопасности атомной энергетики.
В области машиностроения проведен анализ состояния машиностроительного комплекса страны и разработаны прогнозные оценки его развития до 2030 г. Определены приоритетные направления исследований, к которым отнесены: анализ и синтез машинных комплексов, развитие эргономики и биомеханики человеко-машинных систем, динамики машин и вибрационных процессов в технике, изучение перспективных материалов и технологий машиностроения, а также развитие теории техногенной безопасности.
Химия и наука о материалах являются базисом для эффективного развития многих отраслей промышленности, энергетики, сельского хозяйства, медицины и экологии. Исследования в этой области направлены на получение фундаментальных научных знаний о химических превращениях и химических свойствах веществ, создание новых химических процессов и технологий, разработку физико-химических основ получения перспективных материалов (композиционных, металлических, полимерных, керамических), включая наноматериалы, изучение самоорганизации наноструктурированных и пористых материалов и сорбентов, синтез фотопроводящих и фотохромных материалов, разработку теории пластичности и прочности. Особое внимание уделялось исследованиям в области синтетической органической, технической и медицинской химии, направленным на создание эффективных энергоемких продуктов специального назначения, новых лекарственных препаратов, экологически сбалансированных средств защиты растений, современных средств дезинфекции и гигиены.
В сфере биологических наук проводились комплексные исследования закономерностей, механизмов и эволюции таких процессов, как дифференцировка, морфогенез, регенерация, репродуктивная биология, клонирование клеток и организмов. В последние годы получены уникальные данные по особенностям дифференцировки стволовых клеток, выделенных из разных тканей и органов млекопитающих, включая человека. Выявлены основные закономерности функционирования и формирования биоразнообразия природных экосистем, видов и популяций и его значение для поддержания стабильности окружающей среды и предотвращения экологической катастрофы на региональном и глобальном уровнях. Развивались традиционные и новые направления отечественного почвоведения, в частности, исследования классификации и географии почв, роли живых организмов в формировании почвы как среды обитания, баланса органического вещества и элементов питания растений в почвах.
В области генетики проводились работы по изучению генофондов популяций человека, животных и растений с применением молекулярных маркеров нового поколения. Это позволяет расширить поиск новых источников генетического разнообразия и генов хозяйственно-значимых признаков растений и животных для селекционной практики. Разработан и внедрен в практику высокоинформативный метод анализа генофондов сельскохозяйственных животных. Исследования в области физиологии имеют принципиальное значение для решения проблем сохранения здоровья человека. Результаты фундаментальных исследований находят практическое применение в медицине, фармакологии, токсикологии, протезировании сенсорных систем, ветеринарии, сельском хозяйстве, экологии (моделирование экологических систем, мониторинг и моделирование последствий загрязнения среды), педагогике, информатике и космических исследованиях.
В области наук о Земле проявляется отчетливая тенденция к развитию междисциплинарных исследований. Работы, выполняемые специалистами по геологическим наукам, горным наукам, геофизике, географическим исследованиям, исследованиям водных ресурсов и суши в целом направлены на выработку стратегии эффективного управления сырьевыми ресурсами страны.
Исследования в области общественных наук в основном направлены на разработку научных основ экономической политики государства и поиск решений социально-политических проблем российского общества. Разработаны стратегии социально-экономического развития страны, ее отдельных регионов и отраслей, сформированы предложения по созданию модели инновационной системы России и механизмов ее практической реализации. Проведен анализ проблем международной и национальной безопасности страны, внешнеполитической деятельности и формирования современной системы международных отношений.
В области историко-филологических наук продолжалось изучение истории мировых цивилизаций, российской и всемирной истории, взаимодействия западных и восточных культур в истории человечества. Изучались история русской литературы, литература народов России и стран СНГ, исследовались проблемы языкознания и искусствоведения, русского языка, языков России и народов мира.
В настоящее время в нашей стране формируется новое представление о роли фундаментальных исследований в развитии общества и государства, постепенно осознается важность фундаментальной науки как атрибута сильного государства и интеллектуальной базы для создания инновационной экономики. Результаты фундаментальных исследований, а также важнейших прикладных научных исследований и разработок начинают рассматриваться в качестве основы экономического роста государства, его устойчивого развития, фактора, определяющего место России в современном мире.
Одним из проявлений внимания к фундаментальной науке является принятие Программы фундаментальных исследований на 2008-2012 гг., выполнение которой не только повысит роль фундаментальной науки в построении общества, основанного на знаниях, но и обеспечит стабильность финансирования исследований, сохранение и поддержку ведущих научных школ и повышение качества кадрового потенциала науки. Реализация Программы в отчетном году позволила сконцентрировать бюджетные средства на выполнении наиболее перспективных проектов, ориентированных на обеспечение интересов национальной экономики.
В отчет включены важнейшие научные достижения, полученные в 2008 г. в научных учреждениях РАН, а также членами Академии и возглавляемыми ими коллективами в других государственных академиях наук, университетах и других вузах, государственных научных центрах, отраслевых научных учреждениях.
В приложении к отчету приведены научные результаты по программам фундаментальных исследований Президиума РАН. Эти программы формируются с целью концентрации материальных и интеллектуальных ресурсов организаций РАН на приоритетных направлениях фундаментальных исследований в области естественных, общественных и гуманитарных наук, результаты которых могут оказать существенное влияние на темпы научно-технического прогресса в России. Программы фундаментальных исследований Президиума РАН представляют собой совокупность работ (проектов) междисциплинарного и межрегионального характера, выполняемых научными организациями отделений РАН (по областям и направлениям науки), региональных отделений РАН и региональных научных центров РАН.
Результаты выполненного анализа состояния и перспектив развития фундаментальной и прикладной науки и важнейшие научные достижения могут послужить основой для формирования государственного заказа Академии наук со стороны Правительства Российской Федерации на проведение научных исследований. Многие из результатов могут в перспективе представлять интерес для организаций государственного и предпринимательского секторов.
Отчетный доклад подготовлен Научно-организационным управлением РАН, Финансово-экономическим управлением РАН и Институтом проблем развития науки РАН на основе материалов научных организаций РАН, обобщенных и представленных:
- отделениями РАН по областям и направлениям науки, возглавляемыми академиками-секретарями отделений:
академиком Фаддеевым Л.Д. (Отделение математических наук);
академиком Матвеевым В.А. (Отделение физических наук);
академиком Велиховым Е.П. (Отделение нанотехнологий и информационных технологий);
академиком Фортовым В.Е. (Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления);
академиком Тартаковским В.А. (Отделение химии и наук о материалах);
академиком Григорьевым А.И. (Отделение биологических наук);
академиком Глико А.О. (Отделение наук о Земле);
академиком Степиным В.С. (Отделение общественных наук);
академиком Деревянко А.П. (Отделение историко-филологических наук);
- региональными отделениями РАН, возглавляемыми председателями региональных отделений:
академиком Сергиенко В.И. (Дальневосточное отделение РАН);
академиком Асеевым А.Л. (Сибирское отделение РАН);
академиком Чарушиным В.Н.(Уральское отделение РАН);
- координаторами программ фундаментальных исследований Президиума Российской академии наук.
О СОСТОЯНИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ НАУК В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
Особое место среди наук занимает математика, которая в настоящее время является основой для эффективного развития всех без исключения наук естественного профиля; биологических, медицинских, экономических, социальных и частично гуманитарных наук; технологических процессов и производств. Российская математическая наука находилась и продолжает находиться на самом высоком мировом уровне.
Стратегическое направление математических исследований во многом определяется прогрессом в решении стоящих перед этой наукой фундаментальных проблем и наличием перспективных приложений, разрабатываемых в сфере теоретической математики.
В первую очередь следует отметить роль математики и информационных технологий в системе образования. Известно, что фундаментальная наука является необходимым компонентом системы образования на всех ее стадиях – от начальной школы до аспирантуры и докторантуры. Поэтому совершенно недопустимо снижение роли науки вообще и математики, как основы естественных наук в особенности, в образовательном процессе. Причем, именно хорошая подготовка в области фундаментальных наук приводит к спросу на отечественных специалистов за рубежом.
В конце ХХ в. одно из центральных мест в математике заняла алгебраическая геометрия. Во многом это произошло благодаря ее тесным связям с другими направлениями математики, в первую очередь, с теорией чисел и математической физикой.
Интенсивные исследования ведутся в бирациональной классификации алгебраических многообразий размерности больше 3, в частности, в программе минимальных моделей. В ближайшее время получит обоснование теория мотивов и будет завершена классификация циклов. Исследования также проводятся в алгебраической К-теории.
Потребностями теоретической физики, во многом, определяется прогресс в некоммутативной алгебраической геометрии и теории векторных расслоений.
В алгебраической теории чисел многие математики работают над доказательством известных гипотез о дзета-функциях алгебраических многообразий, в которых определяющую роль должна сыграть адельная теория. В теории диофантовых уравнений будет найдено эффективное доказательство гипотезы Морделла и получены ее обобщения на многообразия высших размерностей.
Весьма перспективными представляются приложения неархимедовых метрик и пространств в физике (квантовая оптика), биологии (описание динамики белковых молекул и других иерархических систем), а также гуманитарных науках (экономика, социология, когнитивная наука).
В аналитической теории чисел главной проблемой остается гипотеза Римана о нулях дзета-функции. Исследования в этой сфере, безусловно, приведут к новым результатам о характере распределения простых чисел.
Исследование трехмерных многообразий с помощью потоков Риччи, приведшее к доказательству гипотез Пуанкаре и Терстона (известный результат Г.Я. Перельмана), открыло новое направление в трехмерной топологии, бурное развитие которого ожидается в ближайшие годы. Известной проблемой топологии остается описание гомотопических групп сфер. Кроме этого, важной задачей, определяющей развитие современной топологии, является классификация особенностей и узлов. Подробное исследование инвариантов Дональдсона и Зайберга-Виттена и открытие новых, еще не известных науке, инвариантов гладких многообразий позволит получить классификацию четырехмерных симплектических многообразий. Большое внимание привлекают достижения асимптотической геометрии и теории квазиизометрических отображений, полученные в последние годы.
В теории функций вещественных переменных одну из центральных ролей играет теория приближений. Наряду с традиционными приближениями – полиномами (алгебраическими и тригонометрическими) используются разложения по другим системам функций (в качестве примера упомянем теорию всплесков). Новые задачи в этой области будут возникать на стыке с другими областями математики (такими, как теория чисел и комбинаторика), а также диктоваться приложениями вещественного анализа и теории приближений в теории хранения, передачи и поиска информации (например – глобальные поисковые системы в Интернете).
Последние десятилетия ХХ в. характеризовались активным проникновением методов комплексного анализа в дифференциальную и, особенно, симплектическую геометрию (исследования Громова, Дональдсона и др.). С другой стороны, такие классические атрибуты комплексного анализа, как пространства Тейхмюллера римановых поверхностей, комплексные структуры и т. д. стали обычным инструментом в арсенале современной теоретической физики. Теория приближений аналитических функций нашла свое применение не только в физике, где использование аппроксимаций Паде можно уже считать традиционным, но и в теории чисел, теории информации и т. д. В многомерном комплексном анализе возникло новое направление, связанное с объединением комплексной дифференциальной геометрии, топологии и симплектической геометрии, с одной стороны, и математической физики, с другой.
Развитие функционального анализа определяется его приложениями в механике и теоретической физике. Благодаря теории струн особое значение приобрела теория представлений бесконечномерных групп Ли. Квантовые группы и более экзотические алгебраические структуры постоянно возникают в работах физиков и требуют от математиков их тщательного изучения.
В теории динамических систем произошел переход от исследования нелинейных колебаний систем с конечным числом степеней свободы к изучению систем с распределенными параметрами (автоволны). Актуальным направлением в теории динамических систем является сопоставление регулярного и хаотического поведения в сложных системах. В частности, большое внимание привлекает исследование хаотической динамики бесконечномерных гамильтоновых систем. В перспективе речь идет о построении математической теории хаоса. Указанные исследования смыкаются с изучением системы уравнений Навье–Стокса.
Исследование интегрируемых систем ныне превратилось в одно из стратегических направлений современной теории уравнений с частными производными. Развитие этого направления связано с дальнейшим исследованием уравнения Кадомцева–Петвиашвили и других многомерных интегрируемых систем. Важное значение имеет и изучение эволюции медленных переменных в системах, близких к интегрируемым (диффузия Арнольда).
В математической теории оптимального управления и теории диффе-ренциальных игр в последнее время вызывают повышенный интерес задачи, возникающие в физике, биологии и экономике. Они стимулируют дальнейшее развитие методов оптимального управления системами с распределенными параметрами, системами с бесконечным временным горизонтом, системами с импульсными управлениями, гибридными системами и т. д.
Одной из основных задач, стоящих перед теоретической и математической физикой, является построение математической теории калибровочных полей с применением к единой теории взаимодействия элементарных частиц (хотя для полного решения этой задачи потребуется, возможно, не одно десятилетие). Другим направлением, значительно активизировавшимся в последнее время, является изучение процессов, лежащих в основе строения и развития Вселенной.
Некоммутативная теория вероятностей приобретает особое значение в связи с приложениями в квантовой информатике. Это новая научная дисциплина, изучающая способы хранения, передачи и переработки информации в системах, подчиняющихся законам квантовой механики. На ее основе разрабатываются обоснованные принципы рационального и помехоустойчивого дизайна указанных систем. Квантовая теория информации тесно связана с изучением вероятностей на некоммутативных алгебраических структурах, асимптотической теорией случайных операторов и матриц и т. д. Важное значение приобретает изучение динамических (в частности, марковских) моделей квантовых каналов с памятью, основанных на принципах теории открытых квантовых систем, и методов нахождения их информационных характеристик. Все большее внимание будет уделяться системам с непрерывными переменными, основанным на принципах квантовой оптики. Многие эксперименты по квантовой обработке информации, включая сверхплотное кодирование и телепортацию фотонных состояний, а также квантовые криптографические протоколы, реализуются в подобных системах.
Помимо этого дальнейшее развитие получат традиционные области теории вероятностей: стохастическое дифференциальное и интегральное исчисление, теория мартингалов и т. д. Будут развиваться и применения этих методов в биологии (например, при расшифровке генома человека), финансовой и страховой математике, экономике (например, при построении моделей финансовых рынков).
Одной из принципиальных задач в направлении развития взаимодействия человека и компьютера является создание квантового компьютера. Дальнейший прогресс в теории квантовых вычислений, возникший после работы Шора, относящейся к теории вычислительной сложности, во многом связан с практическими проблемами, возникающими при решении указанной задачи.
В сфере математического моделирования и вычислительной математики отечественные специалисты находятся на одном уровне со специалистами ведущих стран.
Разработка современной модели климата является чрезвычайно сложной задачей, требующей кооперации многих исследовательских коллективов. Разработанная в РАН модель включает углеродный цикл, химические трансформации малых газовых примесей, систему четырехмерного усвоения данных для атмосферы и Мирового океана.
Активно реализуется проект «Фобос-Грунт», предназначенный для доставки на Землю реликтового вещества с Фобоса – спутника Марса. Создан Центр по сбору измерительной информации об объектах техногенного происхождения в околоземном космическом пространстве. Существенные достижения достигнуты и в технологии создания автономных подводных роботов, алгоритмах анализа зрительной информации на автотрассах и др.
Создан технический базис для решения проблемы энергообеспечения страны и развития регионального энергоснабжения на базе АЭС малой и средней мощности.
Математическое моделирование остается единственным средством получить последовательную, системно согласованную количественную оценку последствий от реализации тех или иных вариантов экономической политики страны. Наблюдается некоторое «размывание» национального и особенно отраслевого уровня координации экономических процессов: наиболее важные процессы в российской экономике сейчас протекают на уровне регионов и крупных корпораций в русле глобальных тенденций. Поэтому акценты в моделях будут смещаться на описание регионов и многопрофильных корпораций во взаимодействии с мировой экономикой.
Методы теоретической информатики и дискретной математики широко ис-пользуются при разработке моделей реальных процессов в естественных науках. При этом одним из существенных результатов бурного развития информационных технологий является формирование различного рода хранилищ и баз данных.
Один из главных видов использования информации состоит в поддержке принятия решений. Основная особенность опережающего по отношению
к зарубежному уровня соответствующих национальных исследований состоит в том, что алгебраические и логические конструкции позволяют регулярным образом строить высокоэффективные алгоритмы не в рамках эвристических информационных моделей, а на их основе.
Проводятся активные разработки в области интеллектуального анализа данных и распознавания образов, которые будут неотъемлемой составляющей новых поисковых систем.
В сфере системного программирования (параллельного и распределенного программирования) разработана среда параллельного программирования ParJava, включающая набор инструментов, позволяющий перенести большую часть разработки параллельной программы на инструментальный компьютер. Разработаны общие принципы построения инструментальных систем для изучения и визуализации тонкой структуры программ на основе широкого спектра графовых моделей. Разработана DVM-система, поддерживающая создание переносимых и эффективных приложений на языках C-DVM и Fortran-DVM
для параллельных вычислительных систем с различной архитектурой. Продолжается разработка языка Норма, позволяющего исключить фазу программирования при переходе от расчетных формул к программе. Выполняются различные проекты по разработке сложных научных и прикладных моделей природных явлений и технических устройств; языков, систем и технологий параллельного программирования; моделей вычислений и новейших архитектур вычислителей.
Создается общероссийская информационно-вычислительная система (пространство) в интересах науки, образования, разработки и развития высокотехнологических производств. Будет создана распределенная сеть суперкомпьютерных центров и центров обработки и хранения информационных ресурсов, объединенная скоростными телекоммуникационными каналами. Проводятся исследования и разработки технологий контроля качества и создания корректного программного обеспечения.
Разрабатываются инфраструктура системы планирования команд и отдельные оптимизирующие фазы для открытого компилятора Gcc. Разработана инновационная универсальная технология оптимизирующей компиляции. Выполняются исследования и разработки по системам обнаружения дефектов на уровне исходного кода.
Сохраняются традиционно сильные позиции отечественных производителей антивирусов. Этот товар пользуется спросом не только на внутреннем, но и на внешних рынках. Компании же, производящие средства шифрования и ЭЦП, работают только на внутренний рынок, сертифицируя производимую продукцию в соответствии с российскими стандартами.
В области управления данными широко изучаются: управление XML-данными, технологии Semantic Web, средства обеспечения семантической интероперабельности информационных ресурсов.
С учетом вышеизложенного в области математических наук Россия сохраняет свои ведущие мировые позиции.
ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ
В ядерной физике в 2008 г. ожидался прорыв в понимании свойств материи на фундаментальном уровне после ввода в строй в Европейском центре ядерных исследований ускорителя со встречными пучками протонов – Большом адронном коллайдере (LHC-БАК). Реализация проекта идет на основе широкой международной кооперации; в создании LHC-БАК и подготовке экспериментов участвуют большие коллективы российских физиков.
Крупнейшими событиями последнего времени в физике микро- и макромира стало обнаружение взаимопревращений нейтрино различных типов и открытие астрономическими методами существования «темной материи» неизвестной пока природы. На повестке дня стоят задачи всестороннего определения свойств нейтрино и прямой регистрации частиц «темной материи». Российские ученые активно участвуют в их решении. Для этого в интересах нейтринной астрофизики развиваются расположенные в стране подземные и глубоководные лаборатории и соответствующие комплексы.
Важным результатом последних лет, полученным при участии российских физиков, стало обнаружение и исследование нового класса эффектов, связанных с различием между материей и антиматерией. Лидирующие позиции в области физики атомного ядра – синтезе и исследовании сверхтяжелых элементов, а также более легких экзотических ядер – занимает Объединенный институт ядерных исследований, расположенный в г. Дубна.
Исследование свойств ядерного вещества при экстремальных плотностях энергии, создание и изучение нового состояния ядерной среды – кварк-глюонной плазмы - связано с экспериментами на пучках тяжелых ядер на ядерном коллайдере RHIC (США), в которых заметную роль играют российские физики. Значительные успехи достигнуты и российскими специалистами в области методов получения ускоренных пучков заряженных частиц и детекторных технологий, нашедших свое применение в других областях науки, медицине и наукоемких технологиях.
Особенностями фундаментальной ядерной физики являются межведомственный характер исследований, индустриальный масштаб экспериментальных установок, а также привлечение к их созданию наиболее высокотехнологичных отраслей промышленности. Ключевые проекты в данной области имеют уровень мегапроектов и требуют целенаправленной поддержки со стороны государства.
В сфере астрономии и исследований космического пространства актуальными проблемами являются вопросы происхождения, строения и эволюции Вселенной, выяснение природы «темной материи» и «темной энергии»; исследования Луны и планет, Солнца и солнечно-земных связей; изучения экзопланет. Прогресс в этой сфере обусловлен глобализацией астрономической инструментальной базы: созданием в международной кооперации крупных наземных и космических телескопов и многоэлементных интерферометров. Для отечественной астрономии крайне важно участие в международных проектах – как в действующих, так и в проектах по созданию астрономических инструментов нового поколения.
Следует заметить, что российскими астрофизиками в международной кооперации уже получен ряд фундаментальных результатов мирового класса. А в настоящее время наметились положительные тенденции в развитии национальной программы фундаментальных космических исследований. Кроме этого ведется активная работа по подготовке новых проектов и экспериментов на космических аппаратах.
Актуальные проблемы физики конденсированных сред решаются в рамках физики наноструктур, мезоскопики, спинтроники и изучения сверхпроводимости. Развитие этих работ привело к открытию новых свойств материалов и структур, обусловленных их малыми размерами, которые сравнимы с размерами атомов или молекул. Изучение физических свойств таких объектов позволяет создавать новую электронную и электронно-оптическую элементную базу, разрабатывать высокоэффективные полупроводниковые светодиоды и лазеры, преобразователи световой энергии в электрический ток, высокочувствительные фотоприемники и приборы ночного ИК видения. Качественный скачок в создании больших интегральных схем ожидается с освоением литографических методов с использованием излучения экстремального ультрафиолетового диапазона.
В перечисленных областях, включая развитие нанотехнологий, фундаментальные исследования российских физиков находятся на передовом уровне. Однако степень востребованности отечественной промышленностью получаемых результатов, ориентированных на высокотехнологические индустриальные применения, нельзя признать адекватной требованиям времени.
Важнейшими задачами современной оптики и лазерной физики являются: достижение теоретически возможных концентраций энергии во времени, пространстве и спектральном диапазоне, а также освоение новых диапазонов спектра. Так, создание источников сверхсильных оптических полей петаваттного (1015 Вт) уровня мощности и с интенсивностями на уровне 1022 Вт/см2 открывает новые возможности как для фундаментальных, так и прикладных исследований экстремального состояния вещества. В частности, это необходимо для инициирования лабораторного моделирования процессов в ядерных и термоядерных реакциях, создания компактных источников высокоэнергичных заряженных частиц и жесткого электромагнитного излучения, в том числе, для адронной терапии раковых заболеваний и т.п. Лидирующие позиции в этой области занимают США, Франция и Япония. Исторически высокий уровень российской науки в этой сфере составляет основу для участия в международных проектах по созданию уникальных исследовательских комплексов. В сфере спектроскопии сверхвысокого разрешения, успешно решаются задачи разработки стандартов частоты и времени, в том числе, для системы «ГЛОНАСС». Фундаментальные результаты в области лазерной физики являются основой для разработки новейших лазерных и оптических технологий в промышленности, медицине и других областях.
Радиофизика и акустика, представляя собой общую науку о колебаниях и волнах различной физической природы, имеют фундаментальные и проблемно-ориентированные приложения в самых разных областях современной науки и техники. Так, исследования в области вакуумной СВЧ электроники, где решаются задачи генерации больших мощностей в микроволновом диапазоне, создают основу для развития сверхдальней связи и радиолокации, средств радиоэлектронной борьбы, космической, навигации микроволнового нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза и др. В целом российские исследования в сфере создания мощных источников микроволнового излучения соответствуют мировому уровню, а по некоторым позициям Россия занимает в мире лидирующее положение.
Низкочастотная гидроакустика является, по существу, безальтернативным средством дистанционной диагностики и мониторинга процессов в толще океана на акваториях размерами в сотни километров. С фундаментальной точки зрения – это важнейший раздел физической океанологии и способ изучения глобальных изменений климата. Основная прикладная направленность исследований в этой области – разработка физических основ и научное сопровождение построения систем дальнего противолодочного наблюдения и защиты подводных лодок от обнаружения. В США и в других странах НАТО работы в названных выше областях ведутся интенсивно и в большом объеме. Наша страна до конца 80-х годов прошлого столетия сохраняла паритет в этих исследованиях и разработках, причем по некоторым направлениям имела опережение. Теперь же имеется значительное интегральное отставание.
Развитию радиофизических методов исследования окружающей среды в передовых странах мира уделяется большое внимание, особенно – в США. В России имеются отдельные научные коллективы, работающие на мировом уровне. Однако в целом мы существенно уступаем странам с развитой экономикой, прежде всего – из-за отсутствия системы научно-исследовательского мониторинга. Расширение международного сотрудничества способствовало бы преодолению этого отставания.
Следует заметить, что в США и странах ЕС в последние 10-15 лет происходит бурный рост исследований по разработке физических основ принципиально нового поколения виброакустических методов диагностики, использующих нелинейные акустические эффекты. К ним относятся: создание новых методов неразрушающего контроля, сейсмоакустического мониторинга, нелинейных методов ультразвуковой медицинской диагностики и целенаправленной микрокапсульной доставки лекарственных средств и их акустической активации. Россия, несмотря на имевшееся в предшествующий период опережение в теоретических и даже в экспериментальных исследованиях в области нелинейной акустики, теряет свои передовые позиции. В первую очередь это касается разработки аппаратуры и технических средств.
Основные направления исследований по физике плазмы сейчас связаны с участием России в программе Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Среди них: реализация режимов улучшенного удержания плазмы; исследования по проблеме стабилизации МГД неустойчивостей; разработка плазменных источников нейтральных атомных пучков с большими энергиями и токами.
НАНОТЕХНОЛОГИИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Необходимым условием обеспечения конкурентоспособности производ-ственного сектора России на мировом рынке уже в настоящее время и, тем более в перспективе, является развитие и применение супервычислений, массовых информационных технологий и нанотехнологий.
Первоочередной задачей становится развитие отечественных технологий проектирования супер-ЭВМ на основе масштабируемой сети микропроцессоров, детального предсказательного моделирования и виртуального прототипирования в процессе создания перспективных изделий машиностроения, образцов новой техники, альтернативных и новых энергетических установок, а также технологий проектирования систем управления технологическими процессами на основе масштабируемых аппаратно-программных комплексов.
Создание таких технологий предполагает проведение широкомасштабных фундаментальных и прикладных исследований в различных областях знаний, в том числе в математике, микроэлектронике, информационных технологиях, вычислительных системах, информатике и телекоммуникациях.
Информатика, вычислительные, телекоммуникационные системы и эле-ментная база. В рамках этого направления изучаются теоретические и прикладные проблемы создания научной распределенной информационно-вычислительной среды Grid; создаются распределенные вычислительные комп-лексы нового поколения на основе фундаментальных методов синтеза новых архитектур и алгоритмов их функционирования и управления; разрабатываются новые эффективные программные и аппаратные средства обеспечения информа-ционной безопасности; исследуются фундаментальные проблемы искусственного интеллекта, распознавания образов, оптимизации, проблемно-ориентированных систем и экспертных систем, основанных на знаниях; разрабатываются методы и программные комплексы многопроцессорных супер-ЭВМ; усовершенствуются системы распознавания рукописного текста и речи, перевода с одного языка на другой, а затем внедряются в глобальные информационные сети; создаются теории и технологии элементной базы компьютеров, в том числе квантовых.
В Институте системного анализа РАН разработана теория динамических информационно-преобразующих устройств минимальной сложности, надежно и эффективно решающих широкий спектр проблем наблюдения, фильтрации, стабилизации, идентификации и инвертирования. Устройства найдут широкое применение при решении практических задач промышленной автоматики, навигации и робототехники.
Разработана теория интеллектуальных систем управления, основанная на современных информационных технологиях и использующая правила и базы знаний. Интеллектуальные системы управления эффективно функционируют в условиях существенной нестационарности и при наличии неустранимой неопределенности. Особенность их построения состоит в том, что синтезируются не только и не столько сами законы управления, сколько множества таких законов управления и механизмы автоматического выбора из этих множеств надлежащего закона управления, возможно с последующей его оптимизацией.
Методами вычислительной математики исследован широкий класс нелинейных динамических систем, в которых возникают хаотические движения. Установлено, что во многих случаях реализуется универсальный сценарий Фейгенбаума–Шарковского–Магницкого возникновения хаоса через субгармо-нический и затем гомоклинический каскады бифуркаций устойчивых предельных циклов. Эта теория открывает перспективы объяснения многих сложных нелинейных явлений, в частности, турбулентности.
Существенно дополнена и доведена до логического совершенства теория конфликтных равновесий за счет введения специальным образом организованной иерархии равновесий. Теперь в каждой игре может быть найдено единственное устойчивое разумное равновесие.
Разработана теория и методы обработки нечетко заданной информации. Полученные результаты существенно обобщают классическую теорию Колмогорова–Шеннона и открывают возможность надежного оперирования информацией в условиях значительных помех и нерегулярных искажений.
В рамках направления информационные технологии развиваются технологии открытых систем как метатехнологии для создания информационных систем всех классов – от «систем на кристалле» до «GRID-систем»; разрабатываются новые технологии, архитектуры, методы и алгоритмы для систем обработки, передачи и хранения видео-, аудио- и иной мультимедийной информации; создаются технологии естественного симбиоза деятельности ученых и информационной среды; разрабатываются фундаментальные проблемы сверхскоростной передачи оптической информации и теоретических основ сверхвысокоскоростных широкополосных беспроводных сетей с элементами искусственного интеллекта и систем связи высокого уровня интеллектуальности; разрабатываются методы и алгоритмы определения и визуализации глобальных и локальных электрофизиологических характеристик сердца и мозга; проектируются вычислительные микросистемы на кристалле на основе сенсоров различной физической природы.
В Исследовательском центре мультипроцессорных систем Института программных систем РАН (г. Переславль-Залесский) создана так называемая Т-система с открытой архитектурой, которая не смогла обеспечить разработку высокопроизводительных параллельных программ, но оказалась удобной для реализации GRID-технологий и GRID-сервисов. Дальнейшее развитие Т-системы и областей ее использования тесно связано с проектами GRID, выполняемыми в РАН и в других организациях.
В области управления данными наблюдается значительный прогресс коммерческих систем управления базами данными (СУБД) за счет поддержки параллельных баз данных; встроенной поддержки хранилищ данных, OLAP и data mining; адаптивной оптимизации запросов; поддержки XML, неструктурированных и мультимедийных данных. В то же время этим системам свойственна чрезмерная сложность и тяжеловесность, переизбыток возможностей и трудность внедрения средств для поддержки новых приложений.
В мире SQL-ориентированных СУБД также развиваются системы, созданные на основе подхода «открытых исходных текстов» (open source). Тенденцией последних лет является постепенное обретение зрелости этими системами, их все более широкое использование, а также активное участие в их развитии и совершенствовании российских разработчиков. Проблемами свободно доступных SQL-ориентированных СУБД являются отсутствие новых идей и подходов, недостаточная надежность, производительность и масштабируемость.
В последние годы наблюдается повышение интереса к области объектно-ориентированных (ОО) СУБД. В 2008 г. после долгого перерыва была проведена конференция, посвященная проблемам ОО СУБД. Под эгидой ODBMS.ORG начата работа по созданию нового стандарта объектно-ориентированной модели данных. Возможно, эта активность приведет к новому витку популярности ОО СУБД.
Следует заметить, что не для всех приложений SQL-ориентированные СУБД обеспечивают требуемое соотношение цена/производительность. Одной из тенденций текущего времени является разработка специализированных систем управления данными, позволяющими эффективно поддерживать приложения соответствующей предметной области. В этой области исследования и разработки осуществляются совместно коллективами из ОМН РАН и ОНИТ РАН.
Мощная исследовательская группа в области управления данными базируется в Институте системного программирования РАН. Последние 10 лет группа специализируется в направлении управления XML-данными. Группой успешно разработаны и доведены до работоспособного состояния система интеграции разнородных источников данных на основе XML и система управления XML-данными Sedna. В последние годы группа выполняет исследования и разработки, ориентированные на анализ текстов в Web.
Коллектив, специализирующийся на использовании методов и подходов Semantic Web для разработки современных Web-ориентированных информационных систем, действует в Вычислительном центре им. А.А. Дородницына РАН. В Институте проблем информатики РАН в течение многих лет работает коллектив, специализирующийся на методах и средствах обеспечения семантической интероперабельности информационных ресурсов.
В России все более проявляется тенденция к разработке специализированных средств управления данными. Во-первых, у нас существует достаточно много сфер, которые еще полностью (частично) не автоматизированы. При выборе средств управления данными для разработки информационных систем в этих сферах следует полагаться на специализированные системы, применение которых может заметно удешевить и ускорить разработку приложений. Во-вторых, новые специализированные средства управления данными можно разработать и довести до работоспособного состояния гораздо быстрее, чем внедрить требуемые новые возможности в универсальные СУБД. Российские специалисты в области управления базами данных могут оказаться в состоянии создавать такие системы, которые будут успешно использоваться в России и конкурировать на мировом рынке.
В области лазерных технологий важнейшим фактором, определяющим качество современных вычислительных средств, является скорость передачи данных в пределах ЭВМ на уровне плата-плата или чип-чип. Наиболее перспективным вариантом увеличения такой скорости является использование быстродействующих оптических систем, обеспечивающих скорости передачи до 10 Гбит/с и выше. Полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР) представляют собой идеальный излучатель для оптических систем параллельной передачи информации в пределах ЭВМ. В рамках широкого международного сотрудничества Институтом физики полупроводников Сибирского отделения РАН разработаны и изготовлены ЛВР, обеспечивающие скорости передачи данных порядка 20 Гбит/с. Использование лазеров данного типа в матричном исполнении открывает перспективы создания оптических информационных систем с быстродействием на уровне 1 Тбит/с.
Как показали работы Института проблем лазерных и информационных технологий и других организаций РАН проявляется тенденция широкого применения лазерной техники в медицинской практике для диагностики и лечения заболеваний за счет разработки многофункциональных лазерных технологий и новых методов лечения различного рода патологий в офтальмологии, кардиоваскулярной хирургии, урологии и онкологии; создания фемтосекундных лазерных комплексов и новых лазерных методов лечения заболеваний с целью прецизионного хирургического вмешательства в офтальмологии; разработки мощных твердотельных фемтосекундных лазерных систем петаваттного уровня для практической реализации принципов лечения онкологических заболеваний методами протонной терапии – локального воздействия на опухоли моноэнергетическими пучками протонов с энергией в сотни МэВ; развития в сосудистой хирургии и нейрохирургии лазерных методов с целью создания
новых методов в ангиопластике (в том числе, сосудистых байпасов), совершенствования техники проникновения к сосудам и техники обработки различных элементов тканей сосудов; разработки технологий на основе твердотельных лазеров видимого и ближнего ИК диапазона с широким диапазоном длительности импульса и высокой мощности для эндоскопической и лапароскопической хирургии; развития технологий лазерной генерации наноструктур на биосовместимых материалах с целью достижения существенного прогресса в медицине, в частности, в протезировании; разработки лазерных технологий создания квантовых точек и металлических наночастиц для ранней диагностики инфекционных заболеваний и их лечения путем направленной доставки лекарственных средств в организм; проектирования полупроводниковых лазеров среднего ИК диапазона и технологий на их основе для оптической диагностики заболеваний различного рода; развития лазерных методов лечения и диагностики в лечебно-диагностических комплексах удаленного доступа – телемедицине.
Необходимо отметить, что российский рынок медицинских услуг, за редким исключением, пока финансово не готов к восприятию высоких технологий. Тем не менее, в России существуют технологии и экспериментальные модели приборов мирового уровня, и даже превосходящие его. В качестве примера можно привести следующие: офтальмологический комплекс «МИКРОСКАН», обеспечивающий коррекцию дальнозоркости, близорукости и всех видов астигматизма; сверх-высоковакуумный низкотемпературный сканирующий зондовый туннельный микроскоп «GPI Cryo», работающий при гелиевых температурах и высоком
(10-11 тор) вакууме.
Нанотехнологии представляют собой широкое поле деятельности, включающее разнообразные направления науки и техники. В сфере практических приложений все более проявляется надотраслевой характер нанотехнологий, которые, подобно информационным технологиям, присутствуют практически во всех современных промышленных технологиях, во многом определяя их конкурентоспособность и перспективы развития.
Российские ученые имеют результаты мирового уровня в области нанотехнологий, в первую очередь связанные с исследованием и получением полупроводниковых наногетероструктур, а также использованием их для создания современных информационных систем. Быстродействующие электронные и оптоэлектронные приборы на основе полупроводниковых наногетероструктур составляют основу элементной базы современной стационарной и мобильной телекоммуникационной аппаратуры, волоконно-оптических линий связи, твердотельных источников света, систем радиолокации, спутниковой навигации, систем экологического мониторинга и контроля безопасности движения на транспорте, существующих и перспективных радиоэлектронных систем вооружения, в медицине и квантовой криптографии.
В рамках развития элементной базы СВЧ-наноэлектроники первостепенное значение приобрела разработка оптимизированных для конкретных применений полупроводниковых наноструктур и создание сверхбыстродействующих транзисторов на их основе. Значительные результаты достигнуты в Санкт-Петербургском физико-технологическом научно-образовательном центре РАН, где впервые в РФ реализована полупромышленная технология создания наногетероструктур соединений А3В5 методом молекулярно-лучевой эпитаксии, в ИСВЧПЭ РАН, где получены гетероструктурные транзисторы с рекордными характеристиками, и в Институте физики полупроводников СО РАН в направлении создания напряженных гетероструктур Si/Ge для массового производства сверхбыстродействующих интегральных схем. В РАН продол-жаются также работы по созданию приборов и интегральных схем на базе резонансно-туннельных гетероструктур.
Проводятся работы по разработке технологий создания наногетероструктур для нанофотоники и оптоэлектроники. В частности, для создания светоизлучающих приборов и фотоприемников используется широкий спектр гетероструктур с пониженной размерностью. Значительные успехи достигнуты в создании лазеров на квантовых точках, обладающих предельно низкими значениями порогового тока. Выходная мощность таких лазеров непрерывно увеличивается и приближается к значениям, ранее характерным только для лазеров на квантовых ямах. Важные и интересные результаты получены в развитии эпитаксиальной технологии выращивания нитевидных нанокристаллов (нановискеров), которые могут служить, например, однофотонными источниками излучения. Использование современных методов инженерии зонной структуры позволяет создавать источники и фотоприемники во всем диапазоне видимого света. В 2008 г. достигнуты существенные успехи в направлении повышения эффективности и снижения стоимости источников белого света на основе светодиодов.
Исследование и разработка новых типов наноматериалов, включая материалы для биомедицинских применений, позволяют уже сегодня создавать широкий спектр новых наноструктурированных материалов, аналоги которых в природе отсутствуют. Это материалы, обеспечивающие совместимость органических и неорганических элементов, обеспечивающие адресную доставку лекарств в живом организме и визуализацию процессов и отдельных фрагментов живых организмов. Значительное продвижение было достигнуто в получении и исследовании приборов на основе нового двумерного материала графена.
ЭНЕРГЕТИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ
Эффективное развитие надежности, экономичности и экологичности энергетики страны определяется в значительной мере фундаментальной и прикладной наукой. Совершенствование схем и параметров электростанций, электросетей, способов получения и использования различных типов топлива для них и, особенно, поиск принципиально новых решений этих проблем определяют задачи наших институтов. Прежде всего, для анализа стратегий развития отраслей топливно-энергетического комплекса (от добычи топлива до обеспечения страны электроэнергией и теплом, а транспорта – топливом) во взаимосвязи с экономикой и оценки возможных последствий оперативных решений был создан интерактивный модельно-компьютерный комплекс. На его базе в ИНЭИ РАН был смоделирован вариант развития энергетики России до 2030 г. Исследования, обеспечивающие повышение эффективности тепловых систем и машин на основе совершенствования газодинамики, теплообмена и горения за счет разработки новых математических моделей велись в ОИВТ и ИТ СО РАН.
Исследования, направленные на повышение тепловой и экологической эффективности, наиболее развивающихся в последние годы схем создания электростанций на основе газотурбинных установок базовой энергетики в парогазовых циклах и малой энергетики в газотурбинных установках с впрыском воды и пара велись в ОИВТ. Реализация же возможности значительного снижения потерь в электрических сетях на основе сверхпроводников была показана в работах Института низких температур при Московском авиационном институте и ФТИ РАН.
Решение ряда экологических проблем при сжигании вредных отбросов и создании новых промышленных технологий получено в исследовании ИЭиЭ РАН, посвященном сильноточным дугам в газовых потоках. В связи с расширением строительства атомных электростанций ученые РАН принимали активное участие в проектировании новых типов реакторов. Большой цикл научных проблем будущей энергетики рассмотрен в исследованиях ОИТВ, посвященных изучению свойств и возможностей использования термоядерной и низкотемпературной плазмы.
Машиностроение является материальной базой научно-технического про-грессса страны, реальных секторов ее экономики и национальной безопасности. Развитие машиностроительного комплекса опирается на фундаментальные и при-кладные исследования в области машиноведения как междисциплинарной науки о машинах, машинных комплексах и сложных системах «человек – машина – среда». Машиноведение и машиностроение формируют пятый и шестой технологические уклады и призваны обеспечить технологическую независимость страны и совершенствование национальной технологической базы.
