ОЧЕНЬ ЧЕРНОЕ ТЕЛО
В науке часто бывает так, что одинаковые открытия практически одновременно делают ученые, живущие в разных странах. В научной фантастике, которая, как мы выяснили, имеет с наукой немало общего, новые одинаковые идеи рождаются с меньшей частотой. И это естественно: фантастика это все-таки художественное творчество, в гораздо большей степени, чем наука, зависящее от личности автора. Русский фантаст Борис Красногорский, к примеру, в 1913 году описал в своей повести космический парусник - межпланетный корабль без двигателя, но с огромным, во много квадратных километров, парусом из тончайшего металла.
Солнечные лучи, подобно океанскому ветру, надувают этот парус, и космический корабль устремляется вдаль с огромной скоростью. Ну, относительно огромной скорости фантаст преувеличил (что вполне простительно), но ведь замечательная и красивая была идея, опередившая науку на полстолетия! Но почему братья-писатели не подхватили эту идею сразу же? Почему в те же годы не появились аналогичные идеи других фантастов? В науке такое невозможно: если открытие сделано, идея высказана, наука просто не может развиваться, не взяв эту идею на вооружение - конечно, если идея правильная.
Вот, чем отличается наука от простого фантазирования: наука развивается по куда более жестким законам, нежели фантастическая литература.
По жестким законам развивается и техника - эти законы нашли свое отражение в ТРИЗ: теории решения изобретательских задач. Если аналогичные законы есть в науке, то где же ТРНЗ - теория решения научных задач?
Общей теории, равно приемлемой для любой научной задачи (как в ТРИЗ), в науке еще нет - видимо, свой Альтшуллер еще не родился. Но давайте попробуем сформулировать хотя бы возможные пути, по которым следует двигаться, чтобы такую теорию создать!
Прежде всего, любая научная теория, оказывается, проходит в своем развитии те же стадии, что и техническая система: зарождение, бурный рост, торможение и остановка. И еще мы знаем, что одна научная теория сменяет другую потому, что появляются противоречия, которые старая теория разрешить не может. В технике, если вы помните, то же самое - если нет противоречия, то и изобретение сделано не будет. О технических противоречиях, которые привели к появлению великих изобретений, мы как-то уже говорили. А что в науке?
В физике существует понятие черного тела. На самом деле "черное тело" может быть очень даже ярким и белым, но название свое получило потому, что полностью поглощает любое излучение. Так вот, еще в прошлом веке было известно, что черное тело способно излучать свет любой длины волны, но - строго определенным образом. Что значит - определенным? Кто определил?
Сначала в 1893 году физик В.Вин, пользуясь термодинамикой, вывел формулу, пользуясь которой каждый человек, даже не будучи гением, мог описать, как же излучает пресловутое черное тело. Экспериментаторы немедленно проверили эту формулу и сказали: да, формула правильная, но… только в области коротких волн. А затем в 1900 году другой физик В.Рэлей, пользуясь той же термодинамикой (вот универсальная наука!), вывел другую формулу, совсем не похожую на формулу Вина, и сказал: вот формула излучения черного тела. Экспериментаторы проверили и эту формулу и удрученно заявили: да, господа, формула правильная, но… только в области длинных волн.
Вот вам классический пример научного противоречия, ведущего к открытию. Теория одна и та же, черное тело, естественно, тоже, а формулы, описывающее его излучение - разные, причем обе правильные! Противоречие казалось настолько драматическим, что физик П.Эренфест назвал его "ультрафиолетовой катастрофой". И для того, чтобы эту катастрофу предотвратить, другой великий физик М.Планк был вынужден ввести понятие кванта энергии - мельчайшей порции излучения, меньше которой ничего нет и быть не может. Я написал "вынужден был", и это так - у Планка просто не было иного выхода, только открытие квантов - и ничто иное - могло вывести физику из кризиса.
Сейчас любой ученый и каждый писатель-фантаст пользуется приемом квантования, но для того, чтобы этот прием ввести в обиход, понадобилось огромное мужество ученого.
ДВУЛИКИЙ ЯНУС
Один из самых популярных приемов, с помощью которых писатели-фантасты придумывают свои идеи, - это прием объединения. Рассказывая в одной из статей о том, как пользоваться этим приемом, я приводил примеры использования его в жизни и технике. Помните задачу о похищении картины из музея? Воры, будучи людьми не без фантазии, объединили в одной раме две картины - копию и подлииник. Эксперты поставили свои подписи на копии, думая, что подписываются на подлиннике…
Но сейчас речь не о технике и не о литературе даже, а о самой настоящей науке и законах ее развития. Как и техника, как и всякая человеческая деятельность, связанная с воображением, наука развивается, устраняя противоречия, возникающие на ее пути. И пользуется при этом такими же приемами, какие взяты на вооружение изобретателями и писателями-фантастами.
Как "работает" прием объединения в науке? Вот классический, можно сказать, пример, хотя определение "классический" звучит в данном случае чуть двусмысленно, поскольку история эта привела-таки к поражению так называемой классической физики и появлению физики квантовой.
Началась эта история с великого Ньютона. Сэр Исаак исследовал природу света - распространение, отражение, преломление. Впечатление было таким, будто свет - это мельчайшие частицы, которые, подобно мячикам, брошенным меткой рукой, летят по прямым линиям, отражаются, ударяясь о зеркальную поверхность, и так далее. Ньютон так и заявил: свет - это поток частиц-корпускул.
И все бы хорошо, но корпускулярная теория никак не могла объяснить, как же частицы света проникают в область тени, где их быть вроде бы не должно. Явление это называется дифракцией, и объяснил его современник сэра Ньютона - Гюйгенс. В отличие от своего великого коллеги, он заявил, что свет - это волна, которая распространяется в особой среде - эфире. Помните у Пушкина: "Ночной зефир струит эфир…"
Волновая теория света замечательно описывала явление дифракции, но не могла ответить на простой вопрос: почему же свет распространяется прямолинейно? А ведь этот вопрос для физики был куда важнее, чем частная проблема дифракции. Пришлось Гюйгенсу отойти в тень, а Ньютон одержал очередную победу. Его корпускулярная теория главенствовала в физике больше ста лет. А потом физики Юнг и Френкель, будучи сторонниками не корпускулярной, а волновой теории, сумели объяснить, как же все-таки удается световой волне распространяться по прямой линии.
И корпускулярная теория пала. Вместо нее в физике воцарилась волновая, срок жизни которой был отмерен примерно такой же - около ста лет. Двести лет потратили величайшие физики мира для того, чтобы убедиться в простой, казалось бы, истине: если две теории противоречат друг другу, не нужно доказывать, какая из них главнее. Не нужно говорить: "или та, или эта". А нужно воспользоваться приемом объединения и попытаться соединить вместе обе теории.
Физиков можно понять: не может же быть свет и частицей, и волной. Либо так, либо иначе, как несовместимы друг с другом день и ночь.
Противоречие разрешил Нильс Бор в 1929 году, введя в физику новый принцип: принцип дополнительности. Попросту говоря, это научная формулировка приема объединения! Оба объяснения света дополняют друг друга. У света, как у Януса, как бы два лица. Свет имеет двойственную природу: излучается и поглощается он, как поток частиц, а распространяется, как волна.
И оказалось, в мире микрочастиц все устроено именно так: все частицы имеют двойственную природу. Это и волны, и корпускулы - все зависит от того, какая сторона жизни микромира нас интересует.
Кстати говоря, к концу двадцатых годов фантасты уже вовсю пользовались приемом объединения, а в технике до открытия этого приема должно было пройти еще лет сорок. В наши-то дни прием объединения изучают одним из первых на занятиях по развитию творческого воображения. И каждый человек, обладающий фантазией, встретившись в жизни с событиями, противоречащими друг другу, немедленно думает: как бы их объединить.
Ибо только тогда можно будет получить новую интересную идею.
Часть 12.
СЛИШКОМ МНОГО ОКРУЖНОСТЕЙ
То, что без творческой фантазии в науке делать нечего, - понятно. Но вот, о чем, кажется, сами ученые не очень задумываются, - новая идея, новое направление в науке возникают тогда, когда исследователь как бы забывает на время, какую область знания он, собственно, представляет, и начинает рассуждать, как писатель-фантаст или как футуролог, решающий учебную задачку по развитию воображения.
Пример? Пожалуйста. Классический случай: теория Птолемея. Пользуясь многовековыми наблюдениями неба, Птолемей создал геоцентрическую систему: Земля - центр Вселенной, а вокруг Земли крутятся по окружностям Солнце, Луна и планеты. Птолемей "прибил" планеты к твердым сферам, но эта деталь к делу не относится. Сначала схема работала неплохо, и астрономы достаточно точно предсказывали положения планет на небе. Но со временем ошибки стали накапливаться, и стало ясно, что планеты движутся не по простым окружностям - они еще описывают на небе довольно причудливые петли. Пришлось Птолемею добавить к основным окружностям целую систему "эпициклов" - дополнительных небольших окружностей. Прошло время, этой точности тоже оказалось недостаточно, и астрономы добавили еще одну систему окружностей. А потом - еще… Количество окружностей, по которым пришлось вращаться бедным планетам, достигло в средневековье такого количества, что расчет движения планет стал непосильным делом. Между тем астрология нуждалась в простом методе, а не в математическом монстре.
Вот вам противоречие, из которого в науке рождаются открытия: планеты вращаются по окружностям, и планеты не могут вращаться по окружностям. Такое противоречие не разрешить, просто добавив еще одну окружность. Нужно… Что? Конечно: использовать один из приемов РТВ. Честно говоря, нам повезло: Коперник использовал нужный прием (впрочем, он наверняка перепробовал и другие, прежде чем пришел к своему гениальному выводу!). Коперник воспользовался приемом "наоборот" - пусть не Солнце обращается вокруг Земли, а Земля вокруг Солнца! Вы думаете, что Коперник действительно полагал, что Земля не находится в центре Вселенной? Он был священником, ему вовсе не улыбалось сместить нашу планету с ее центральной роли в мироздании. Коперник поставил Солнце в центр с единственной целью: упростить вычисления движения светил. И упростил, естественно.
И лишь после того, когда стало ясно, что задачи астрономии и астрологии (а в те времена, кстати, никто эти науки и не разделял) решаются в новой системе куда проще и естественней, Коперник задумался: а может, это не просто формальный вывод? Может, Земля и планеты ДЕЙСТВИТЕЛЬНО обращаются вокруг Солнца?
Сначала был формально использован прием РТВ, и лишь потом, убедившись, что прием действует, Коперник пришел к выводу, что имеет место реальное природное явление. Скажите, пожалуйста, удалось бы религиозному человеку, каким был Коперник, преодолеть силу догм и с самого начала утверждать, что Земля - вовсе не центр Вселенной? Вряд ли. Он использовал прием именно как прием, способ упростить вычисления, и не более того. А потом уж…
И таких случаев в истории науки более чем достаточно. Вот еще один.
Исследователи электромагнетизма Ампер, Фарадей, Вебер прекрасно знали из собственных опытов, что электричество и магнетизм тесно друг с другом связаны: с помощью магнитного поля можно получить электричество и наоборот. Но можно ли связать эти поля в единые уравнения? Никому этого не удавалось сделать, пока Максвелл - чисто формально! - не ввел в уравнения так называемый ток смещения. Речь шла именно о формальной добавке, ведь никто и никогда этот ток смещения не наблюдал! Максвел попросту подошел к противоречию с помощью методов РТВ.
Вот оно, это противоречие: электричество связано с магнетизмом (это видно из опытов), и электричество с магнетизмом не связано (так утверждают уравнения). Используем прием РТВ: увеличение. Увеличим число элементов в системе, добавим новый вид тока, который позволит связать электричество с магнетизмом подобно крепкой веревке. Так появились электромагнитные волны.
Прием был использован сугубо формально, только для того, чтобы получить красивые и решаемые уравнения. И лишь через двадцать лет Герц действительно обнаружил электромагнитные волны!
Уверен, что каждый читатель может и сам вспомнить примеры того, как формальное использование в науке приемов РТВ приводило впоследствии к выдающимся открытиям. Уравнения Лоренца… Планковские кванты… Боровские орбиты…
Интересно, какой была бы наука ХХ века, если бы не приемы РТВ?
ПОЛЕЗНЫЕ ДИВЕРСАНТЫ
Мы уже, по идее, достаточно хорошо изучили методы развития воображения и можем теперь попробовать сами решать исследовательские задачи. Вот последовательность действий:
Сначала выявить противоречие. Потом использовать прием РТВ, чтобы это противоречие разрешить. Главное при этом - на думать о последствиях. Если, решая научную проблему, вы будете постоянно бояться, что нарушите какой-нибудь закон природы, у вас ничего не получится. Подойдите к проблеме формально, с позиций специалиста по РТВ. Найдите новую идею. Если она окажется верной, вам потом не придется краснеть за то, что вы не очень почтительно обошлись с прописными научными истинами…
Советский изобретатель Б.Злотин, один из разработчиков теории решения изобретательских задач, лет десять назад именно так и подошел к исследовательским проблемам. "У нас есть научное противоречие, - рассуждал он. - Исследовательская проблема. Скажем, происходит нечто, от чего в реальной жизни мы хотим избавиться. Противоречие: нечто существует, и нечто существовать не должно. Это ведь целый класс научных проблем, а не просто частный случай. Решив эту проблему, мы сразу решим множество других".
Что ж, один из сильных методов РТВ: сделать наоборот. Существует вредный фактор? Мы хотим от него избавиться? Отлично, давайте сначала сделаем наоборот - усилим вредный фактор до предела. Более того, используем еще и прием искусственности: давайте сами создадим этот вредный фактор! Может быть, тогда-то мы и поймем, откуда он, черт побери, возникает?
Так и был придуман метод решения исследовательских задач, названный диверсионным. Правильное название. Исследователь как бы совершает диверсию против самого себя, против своей задачи. И это позволяет ему выйти победителем! Как действует диверсионный метод? Достаточно просто. Поясню на примере конкретной исследовательской задачи (реальной задачи, которую решали на одном радиоэлектронном заводе).
Во время производства микросхем их нужно было перевозить из одного цеха в другой. Грузили схемы в обычные пенопластовые коробки и развозили. Перед транспортировкой все схемы были в порядке, а после непременно оказывалось, что часть микросхем вышла из строя в результате электрического пробоя. Чтобы бороться с браком, нужно знать, отчего он возникает. Как видите, задача эта не для изобретателя, а для исследователя.
Что ж, используем диверсионный метод.
Сначала - прием "сделать искусственным". То есть, давайте-ка ребята, будем сами портить эти микросхемы! Давайте станем диверсантами и начнем ломать собственную продукцию.
Но этого мало. Не все микросхемы портились во время перевозки. Давайте-ка используем прием увеличения и будем портить все микросхемы до единой. Как видите, возникает совершенно иная задача! Из исследовательской (найти причину явления) задача становится чисто изобретательской (придумать способ). А для решения изобретательских задач уже несколько десятилетий существует ТРИЗ - теория, у которой множество достижений.
Итак, нужно во время перевозки микросхем из одного цеха в другой устроить так, чтобы все они оказались пробиты электрическим разрядом. Ясно, что нужно использовать электрическое поле. Настоящий диверсант ходил бы по цехам с портативным разрядником и занимался бы саботажем. Но мы-то должны пользоваться "местными ресурсами", тем, что уже существует в цехах: помните этот прием ТРИЗ и РТВ - "использовать ресурсы"?
Что мы можем использовать для порчи микросхем? Коробки, в которых эти детали перевозят, - раз. Далее - тряску и вибрации, которые непременно возникают при перевозках. Вроде бы, больше нечего. Но ведь коробки не проводят электричества, а тряска - это ведь тоже не электрическое поле… Да, но электричество можно получить из механического движения, это мы знаем из физики! Нужно посильнее трясти микросхемы во время перевозки, и механическое трение деталей друг о друга непременно создаст электрическое поле. И чем сильнее будет тряска, тем сильнее это поле будет разрушать наши детали.
Значит… Собственно, задача уже решена. Микросхемы портились потому, что терлись друг о друга во время перевозки. Тогда стали делать коробки металлическими и заземлять их. Паразитное электричество начало уходить в землю, и брак исчез, как и не было…
Для пользы дела время от время нужны диверсанты!
ГОРИ ОГНЕМ!
"Диверсионный" метод решения исследовательских задач далеко не сразу стал популярен даже среди знатоков ТРИЗ, которые, казалось бы, привыкли к неожиданным методам и нетрадиционным подходам. Действительно, изобретатель или ученый всю жизнь отдает, чтобы улучшить теорию или конструкцию, а тут ему говорят: сделай наоборот и придумай нечто такое, чтобы от твоей конструкции или теории не осталось камня на камне.
Как-то, лет десять назад, на одном из тризовских семинаров, зашла речь о том, можно ли улучшить большой автоматический выключатель. "Замечательный выключатель, - сказал директор завода, - всем он хорош, улучшать в нем решительно нечего".
"Допустим, - с сомнением сказал ведущий. - Пусть это идеальный выключатель. Давайте придумаем, как его испортить. Причем так, чтобы никто не сумел определить, что же произошло".
Хорошая задача для диверсанта, верно?
Предложения посыпались, как из рога изобилия. Портить, как вы понимаете, - не строить. Чтобы было понятно то, что произошло дальше, объясню устройство этого идеального выключателя. Попросту говоря, это контакт, который состоит из двух частей. Части эти припаивают друг к другу. Вообще говоря, паять, конечно, нужно так, чтобы контакты соединились друг с другом всей своей поверхностью. "А давайте будем паять не по всей поверхности, - предложил один из "диверсантов". - Припаяем по внешней части, и все дела. Держаться будет? Будет. Если токи слабые, то эта халтура ни на что не повлияет. Но если дать большой ток, то контакты начнут сильно нагреваться, и выключатель может вообще развалиться на две части. И пусть кто-нибудь догадается - почему".
Предложение было сделано, вообще говоря, в шутку. Но технолог завода, который тоже присутствовал на семинаре, неожиданно пришел в сильное замешательство. "Ну да, - сказал он смущенно, - наши рабочие так и делают, они экономят припой и потому паяют только края контактов…"
Тут уж вышел из себя инженер-исследователь.
"Черт знает что! - вскричал он. - Наша лаборатория уже десять лет не может разобраться, почему греются и разрушаются контакты! Что мы только не перепробовали! А оказывается, все дело в производственном браке?" Естественно, произошел небольшой скандал, но задача-то была решена: идеальный выключатель действительно стал идеальным.
Использование диверсионного метода частенько приводило к курьезам. К примеру, на одном из семинаров по ТРИЗ была поставлена реальная задача: завод получил срочный заказ, а сварочный цех перегружен другой работой, и заказ выполнить никак не удается. Что бы придумать такого, чтобы сварщики сумели сделать обе работы?
Предложений было немало, но ведь выше себя не прыгнешь - если цех перегружен, каким образом можно разместить еще один заказ? Как говорится: "Требуется получить от коровы на двадцать литров молока больше, чем она может дать". В разгар полемики кто-то вспомнил о диверсионном методе и воскликнул: "Давайте все испортим окончательно! Представьте, что сварочный цех сгорел дотла. И что тогда?"
Ясно что: если цех сгорел, придется или не выполнить заказ, или… обойтись без сварки. Самое любопытное, что те же инженеры в течение получаса придумали способ, как выполнить задание, не прибегая к сварочным работам. Раньше о такой возможности просто никто не думал, и нужно было совершить "диверсию", чтобы сделать изобретение!
Что ж, почему бы и вам, господа, не взять на вооружение диверсионный метод? Исследовательские задачи ведь возникают не только в науке и технике, но и на кухне, и в школе - да где угодно! И если вам нужно будет избавиться от вредной помехи, от неприятного явления - подумайте сначала, как бы вы смогли сделать эту помеху неустранимой, а явление - отвратительным.
Тогда и решение придет.
ПРОБОВАТЬ И ОШИБАТЬСЯ?
Изобретатели, знающие ТРИЗ, обычно снисходительно улыбаются, когда слышат от своих коллег: "Я перебрал тысячи вариантов, прежде чем сделал изобретение". Тризовец вариантов не перебирает, а действует по системе, основы которой мы с вами уже знаем.
Писатель-фантаст, знакомый с методами РТВ, обычно снисходительно улыбается, когда слышит от своего коллеги: "Я полгода перебирал фантастические идеи, пока не нащупал новую". Знаток РТВ умеет придумывать отличные идеи, не перебирая огромную груду нелепых - он действует по системе, основы которой нам уже известны.
А большинство ученых пока еще действительно считает, что классический метод проб и ошибок - единственно возможный способ совершения научных открытий. Не так давно мне довелось прочитать восторженную статью известного ученого - гимн методу проб и ошибок, провозглашение этого метода вечным и незыблемым. Все равно, как если бы ямщик превозносил неоспоримые преимущества конного транспорта в то время, когда по улицам бегает первый, пусть и весьма несовершенный автомобиль…
Между тем разве, к примеру, диверсионный метод решения исследовательских задач, о котором шла речь неделю назад, не избавляет ученого от нудной необходимости случайно перебирать разные варианты в поисках нужного? Есть и другие методы. И есть общее правило, действующее в науке не хуже, чем в технике: научные системы развиваются по своим объективным законам, и лишь познав эти законы, научившись ими пользоваться, ученый навсегда забудет о том, что когда-то для того, чтобы сделать открытие, ему приходилось наугад перебирать простые зерна - факты в поисках жемчужного зерна - открытия.
Несколько лет назад изобретатели Б.Злотин и А.Зусман предложили простую схему, показывающую, как именно современная наука избавляется от вечной, казалось бы, необходимости перебирать варианты.
Вот как идет развитие:
Этап первый, длившийся долгие столетия: ученый наугад совершает "пробы и ошибки", при этом даже не запоминая, какая именно проба была ошибочной, и поэтому повторяя те же ошибки вновь и вновь. Разве алхимики средневековья в поисках "философского камня" не перебирали по сто раз одни и те же элементы и не проводили одни и те же опыты? Это все равно, что пытаться открыть запертую дверь, доставая ключи из огромной коробки, а неподошедшие ключи бросая обратно в ту же коробку - чтобы через какое-то время вытащить опять тот же ключ и совершить ту же ошибку…
Но наступает в развитии науки второй этап. Поиск нового ведется, конечно, все тем же методом проб и ошибок, но теперь ошибки запоминаются и не повторяются вновь. Этот переход произошел тогда, когда получили распространение научные журналы, а результаты опытов и исследований стали доступны всем ученым во всех странах. Продолжая аналогию, можно сказать, что теперь, достав ключ из ящика и не сумев отпереть этим ключом дверь, вы больше не бросаете ключ обратно в ящик, но откладываете в сторону, чтобы никогда больше не использовать.
Но ведь и второй этап достаточно неэффективен - слишком много проб приходится совершать "в натуре". Третий этап в развитии науки: переход от реальных проб и ошибок к мысленным экспериментам. Действительно, так ли уж нужно достать ключ из коробки, засунуть его в замочную скважину, попробовать повернуть?.. Может, достаточно взглянуть на ключ, изучить его форму, и сразу станет ясно, что этот ключ и пробовать не стоит? В развитии науки этот этап соответствовал переходу к созданию математических моделей тех или иных событий. Ясно, что этот этап не мог наступить прежде, чем позволило развитие математических методов. Начался этот переход в прошлом веке, а окончательно закрепился в наше время - с развитием кибернетики.
И наступило время для четвертого этапа - эвристического. Не нужны реальные пробы и ошибки, не нужны даже математические модели - ученые (я имею в виду пока лишь самых выдающихся из них) могут сразу, лишь поняв задачу, представить в уме правильное решение, проделав в уме тот путь, для преодоления которого иным ученым прошлого нужны были годы труда и сотни экспериментов.
Таким был, к примеру, академик Я.Б.Зельдович: он ставил перед коллегами задачу и говорил, каким окажется решение. Коллеги изучали литературу, проводили вычисления, спорили на семинарах и в результате… полученное решение совпадало с тем, что "угадывал" Я.Б.Зельдович.
Угадывал? Нет, конечно, это были не простые догадки. Это было интуитивное использование закономерностей развития научных систем.
