Роль математики и физики в информатике

В качестве примера типовых  задач компьютерной химии можно  назвать: поиск зависимостей типа «структура — свойство»; генерацию наборов химических структур, отвечающих заданным параметрам (составу, наличию функциональных групп и т. д.); перечисление всевозможных химических реакций между заданными реагентами (так называемый «компьютерный синтез») и т. д. Наряду с общими химическими задачами в компьютерной химии существует также большая группа узкоспециальных задач, тесно связанных с задачами химической информатики, например, задачи распознавания химических структур при обращении к химическим и физико-химическим базам данных. Эта группа задач в свою очередь тесно связана с проблемой изоморфизма графов.

При решении задач компьютерной химии широко используются различные  вычислительные методы и операции с топологическими индексами (инвариантами графов). В ряде случаев формально-логический подход расширяется химическими подходами, например, в дополнение к топологическим индексам, отражающим строение молекулы, используются электроотрицательности атомов в молекуле, отражающие состав вещества. Методы компьютерной химии часто используются в сочетании с методами квантовой химии, молекулярной механики и др. Для обработки результатов вычислительного эксперимента широко применяются методы математической статистики. В некоторых случаях для поиска решений применяются методы искусственного интеллекта.

Особую роль методы компьютерной химии играют в органической химии, что объясняется трудной формализуемостью последней, как по сравнению с другими естественными науками, например, с физикой, так и по сравнению с другими областями химии, например, с неорганической химией. Компьютерная химия имеет большое значение и для многих важнейших областей биохимических исследований, например, при решении задач типа «структура-фармакологическая активность», часто в таких исследованиях методы компьютерной химии дополняются методами моделирования, специфическими для молекулярно-биологических систем.

В период становления и  формирования в самостоятельную  область новое научное направление  нередко получает разные названия у  разных авторов. Так произошло и  с компьютерной химией: исторически  закрепились два названия — «компьютерная  химия» и «математическая химия». Так, один из научных журналов, оказавший  значительное влияние на становление компьютерной химии, называется «Journal of Mathematical Chemistry». Однако название «математическая химия» представляется неудачным, если учесть, что многие области химии, сформировавшиеся задолго до появления компьютерной химии, изначально были основаны на математическом фундаменте, например, физическая химия, кинетика и катализ, квантовая химия. При том, что ряд основополагающих работ в компьютерной химии был выполнен во время ЭВМ первых поколений, развитие компьютерной химии стало возможным только с появлением современных компьютеров. Несмотря на то, что сегодня компьютеры используются практически во всех областях современной химии как для теоретических так и для экспериментальных исследований, именно компьютерная химия гораздо больше многих других областей химии зависит от уровня развития компьютерных технологий. Такая зависимость связана прежде всего со спецификой важнейших алгоритмов теории графов, многие из которых имеют экспоненциальную вычислительную сложность — теоретическая оценка времени, затраченного на исполнение алгоритма, является экспоненциальной функцией от размера графа, то есть от количества его вершин и ребер, или говоря общехимическим языком — от числа атомов и химических связей в молекуле.

С другой стороны, многие задачи химической информатики, решаемые с  помощью методов компьютерной химии, уже по своей постановке невозможны без использования компьютера, например, формирование и эксплуатация компьютерной базы данных по свойствам химических соединений. Необходимо при этом отметить, что сама химическая информатика возникла задолго до появления компьютеров. Так, были и продолжают широко использоваться многочисленные химические справочники и реферативные журналы, отпечатанные на бумаге. Существуют зарекомендовавшие себя и ставшие классическими методы поиска по этим изданиям с применением всевозможных печатных указателей (авторского, предметного, формульного и т. д.), организуемые без привлечения аппарата компьютерной химии. Таким образом, в отличие от компьютерной химии, химическая информатика, как и подавляющее большинство традиционных областей химии, основана на применении докомпьютерных технологий. В этом и заключается основное методологическое отличие компьютерной химии. С известной долей неточности можно утверждать, что если целью большинства химических исследований является установление некоторых химических закономерностей, то целью исследований в компьютерной химии является, как правило, некоторый алгоритм и реализующая его компьютерная программа, позволяющая искать химические закономерности, эксплуатация такой программы может проходить уже вне области компьютерной химии.

 

 

4. Учёные, которые осуществили синтез математики, физики, информатики

 

Математика.

На рисунке 4.1 представлен  Андрей Николаевич Колмогоров (1903—1987), — русский математик. Открыл необходимые  условия, при которых закон больших  чисел имеет место. Основатель научных  школ по теории вероятностей и теории функций.

                         Рис.4.1 – Александр Николаевич  Колмогоров [5]

 

На рисунке 4.2 представлен  Евклид (ок. 365 — 300 до н. э.), — древнегреческий математик. Создал большой труд под названием «Начала» — изложение той геометрии, которая известна и поныне под названием евклидовой геометрии.

 

                          Рис. 4.2 – Евклид [5]

 

На рисунке 4.3 представлен  Пьер Ферма (1601—1665), — французский математик, создатель Великой теоремы связанной с алгебраической теорией чисел и алгебраической геометрией. Первым пришел к идее координат и создал аналитическую геометрию.

 

                        Рис. 4.3 – Пьер Ферма [5]

 

 

 

Физика.

На рисунке 4.4 представлен  Александр Столетов - русский физик, нашел, что величина фототока насыщения пропорциональна световому потоку, падающему на катод. Вплотную подошел к установлению законов электрических разрядов в газах.

 

                         Рис. 4.4 – Александр Столетов [5]

 

 

На рисунке 4.5 представлен  Альберт Эйнштейн - немецкий физик, создатель общей теории относительности. Предположил, что все тела не притягивают друг друга, как считалось со времен Ньютона, а искривляют окружающее пространство и время.

 

                          Рис. 4.5 – Альберт Эйнштейн [5]

 

 

На рисунке 4.6 представлен  Поль Дирак - английский физик, открыл статистическое распределение энергии в системе электронов. Получил Нобелевскую премию по физике «за открытие новых продуктивных форм атомной теории».

 

                         Рис. 4.6 – Поль Дирак [5]

 

Информатика.

На рисунке 4.7 представлен  Курочкин Владимир Михайлович(1.6.1926—15.5.1999) — российский учёный в области информатики (специалист по вычислительной математике и математическому обеспечению ЭВМ). Стоял у истоков зарождения отечественного программирования, возглавлял отдел систем математического обеспечения ВЦ РАН с основания ВЦ в 1955 году по1966 год и затем с 1971 года по 1991 год.

 

                  Рис. 4.7 – Курочкин Владимир Михайлович  [5]

 

 

5. Как общество отреагировало на новое направление прикладной науки

 

В последнее время активно  стали заявлять о себе тонкие информационные технологии, все ярче и глубже они внедряются в нашу повседневную жизнь. Можно даже сказать, что они являются символом нашей эпохи. Однако, если сделать небольшой экскурс в историю человечества, то можно выявить их истоки и проследить этапы становления и формы использования этих технологий в зависимости от понимания сущности явлений. В качестве конкретного примера для рассмотрения выберем роль камней, как носителей информационного взаимодействия. Первобытного человека с самого рождения окружала земля, камни, в ней он находил опору своему телу, в пещерах среди скал мог укрыться от зверей, врагов и непогоды, с помощью каменных орудий он добывал себе пищу и создавал новые орудия. Неудивительно, что человек стал выделять в окружающем его мире пять первоэлементов - стихий, одним из которых по праву была земля, камень - твердая форма неживой материи. Понятно, что человек не мог не спроецировать на камни их первые выявленные основные функции, которыми он активно пользовался: развитие, раскрытие возможностей человека и охрана, защита, предостережение от бед. Первобытный человек ощущал свое единство с окружающим миром, чувствовал, что этот мир такой же живой, как и он сам, несмотря на различные формы, в которых этот мир проявляется: земля, вода, ветер, огонь, деревья, животные и т.д. Человек интуитивно понимал, что как он позаботится об окружающем мире или его конкретных элементах, так и они, в свою очередь, позаботятся о нем. Сложна и обыденна была жизнь первобытного человека, однако можно понять его радость, когда среди окружающих его камней, из которых он делал орудия и жилища, находились редкие по форме или цвету камни. Ведь, если обычные камни так хорошо заботились о нем, то что же говорить о редких и необычных! Уж они должны обладать особой, сверхъестественной силой, помочь еще сильнее, только о них надо соответственно позаботиться особым образом, предпринять особые действия при обработке! Из такого экскурса в историю читателям, конечно, понятно, что особыми защитными и расширяющими возможности человека свойствами наделялись не только камни, а носителями информационного взаимодействия могут быть не только материальные предметы. Однако, в рамках данной статьи для примера будут рассмотрены только камни, их свойства и возможности.  
Рассмотрим более подробно, как свойства камней проявляются в талисманах и амулетах - одних из наиболее древних видах информационных технологий. Талисман, как бы резонируя (как в точности все происходит, пока не известно), выявляет определенные черты, качества характера человека, укрепляет, поддерживает и способствует их развитию, создает условия для их лучшего, более яркого и полного проявления. В противоположность талисману, усиливающему дифференцированные качества характера и тем самым проявляющего экспансивные янские свойства, амулеты активизируют адаптационные иньские свойства для защиты владельца от нежелательных внешних влияний, сдерживания и сглаживания внутренних побуждений, которые могут повредить ему самому. В зависимости от выбора владельца амулеты способствуют активизации подсознания, которое, в первом случае, снижает порог чувствительности, повышает внимание для улавливания первых малейших признаков грозящей опасности, на которые активное сознание никогда не обращает внимания, и своевременного выхода из небезопасного места или нежелательных условий, а во втором случае, усиливает адапционные свойства, повышает иммунитет к различным болезням, другим вредным внешним воздействиям. 

Я специально подробно описал свойства талисмана и амулета, чтобы  ярче продемонстрировать их различие. Однако, у них есть и общее, о котором тоже не стоит забывать при выборе камня в качестве талисмана или амулета - камни в обоих случаях играют роль своеобразных резонаторов только имеющихся качеств характера. На большее они не способны - по современным представлениям. Поэтому на повестку дня встает первостепенная задача наиболее точного определения черт характера человека, их качественной и количественной оценки, прогнозирования динамики развития и проявления во времени и разработки профилактических мероприятий для компенсации нежелательных последствий и достижения наиболее эффективного результата. На настоящий момент только в астрологии имеются эффективные методики выявления потенциала человека, всех нюансов психики и характера, основанные на индивидуальном гороскопе и разворачивании проявляемых им качеств во времени. Сегодня только астрологи, обладающие достаточно хорошо разработанной методологией и специальными знаниями и навыками, наиболее близки к решению указанной выше комплексной задачи. Однако, с уверенностью можно утверждать, что без активной поддержки и искреннего желания самого человека наиболее полной самореализации, эта задача решена не будет. Аналогичные утверждения можно сделать и в отношении возможности профессиональных астрологов решать частные случаи поставленной комплексной задачи, например, выбор конкретного камня из списка реально достижимых для активизации мыслительной деятельности в определенный период времени. Здесь уместно пояснить, что в арсенале современных астрологов широкий выбор средств психоэмоциональной помощи клиентам, просто в качестве одного из этих средств мы выбрали камень. Теперь вспомним, что раньше, подыскивая камень в качестве талисмана или амулета, человек (впоследствии - специалист, посвященный) многие действия производил неосознанно, интуитивно, совершая серию проб и ошибок, чтобы накопить в результате драгоценный опыт. Сегодня уже собрано огромное количество информации в различнейших областях знания, как правило эта информация разрозненная и несвязная, часто противоречивая. И ее поток со временем только усиливается и загрязняется, и подобно лавинообразному селевому потоку может наделать много бед. Поэтому так важно своевременное формирование новых понятий, методов обработки и оценки информации, разработка эффективных информационных технологий и создание соответствующей высокоскоростной и высокопроизводительной техники, что бесспорно будет являться одним из символов все более входящей в свои права Эры Водолея. Астрология и другие науки сейчас аккумулировали достаточно информации, чтобы можно было сказать, что окружающий мир имеет еще и определенную информационную основу, структуру, знание о которой, понимание ее закономерностей можно использовать во благо человечества в новую Эпоху. Если раньше камни для талисманов и амулетов подбирали интуитивно из имеющихся находок, то сейчас мы уже имеем достаточно знаний и необходимые технологии для создания, синтезирования искусственного камня (если в более общем случае говорить о всех возможных средствах помощи клиенту, то можно сказать - лекарства) с необходимыми, заданными информационными свойствами. Т.е. его свойства позволят селектировать заданные черты характера (или функции организма, отдельного органа) будущего хозяина и заданным образом с ними взаимодействовать. Сформулировав в таком общем виде постановку еще одной перспективной задачи, мы сразу видим, что некоторые шаги в этом направлении уже были сделаны предшественниками будущих ученых - магами, оккультистами, алхимиками, целителями и другими исследователями. К сожалению, ошибки их опытного пути, не всегда высокие моральные качества и общий невысокий образовательный уровень создали в обществе устойчивую неприязнь ко всему новому и неизвестному, что, бесспорно, будет серьезно мешать скорейшему продвижению разработок в этой области информационных технологий. Лишним подтверждением верности данного направления может быть то, что удалось достичь исследователям-одиночкам, гонимых обществом, что одновременно показывает, какие потрясающие результаты могут быть получены общими усилиями современных ученых и исследователей.

  Среди врачей уже сформировалось представление о взаимосвязи физиологии и психики человека и необходимости комплексного, системного подхода к профилактике и лечению заболеваний, вообще к человеку. В перспективе можно говорить о распространении этого подхода на все профессии и весь окружающий мир, формировании в общественном сознании причинностного, закономерностного мышления, и как первый шаг в этом направлении - экологического. Так, уже в среде психологов и целителей широко применяется на практике способность звуков, слов, ритмов, цветов, запахов и мыслей влиять на психофизиологическое состояние человека, разработаны достаточно эффективные методики оптимизации этого состояния. Гомеопатия и астрогомеопатия, как естественное и более эффективное ее развитие, использующая микродозы различных веществ и по сути имеющая в основе своих активных факторов информационное взаимодействие, выделилась в медицине в самостоятельную дисциплину.  
Все большее распространение и влияние завоевывают другие, зачастую более тонкие информационные технологии целительства: рефлексотерапия, метод Фолля, биолокация, парапсихология, экстрасенсорика, энергоинформационный обмен и бесконтактный метод лечения на его основе - "Рейки". Здесь стоит отметить, что применение информационных технологий, конечно, не может исчерпаться одной медициной, но именно в этой области сейчас достигнуты заметные положительные результаты, поскольку медицина - одна из древнейших наук, она ближе всего к потребностям человека, и поэтому лучше и быстрее всех других наук откликается на различные социальные заказы, а ее успехи и недостатки сразу становятся достоянием общественности. Из других направлений, можно сказать новых информационных технологий, которые еще только заявляют о своем появлении и доказывают свое право на существование в новую эпоху человечества, можно выделить телекоммуникации, вычислительную и электротехнику, биохимию и генную инженерию, авиа и космическую технику, которые будут наиболее интенсивно развиваться и позволят добиться наибольших успехов при их использовании. Отмечая заметные успехи нетрадиционных целительских практик, следует особо подчеркнуть возросшее значение одной из древнейших наук о человеке и мире - астрологии, которой в будущем уготована роль одной из ведущих методологических наук. Конечно, преувеличивать роль и значение астрологии тоже не стоит - это другая крайность, но то, что она на сегодняшний день наиболее эффективно позволяет моделировать и описывать процессы во времени, анализировать ритмы и оперировать с циклами является ее несомненным достоинством, позволяющим делать такие смелые предположения. Особые достижения следует ожидать на стыке наук, при взаимопроникновении и объединении астрологии с другими науками. Таким образом, если подводить итоги и говорить о перспективах информационных технологий, то можно с уверенностью утверждать, что все рассмотренные направления из нетрадиционных в Эру Водолея перейдут в разряд традиционных, естественных для новой эпохи человечества. [6]