Источник всех вещей – проблемы науки и техники

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В одном институте защищалась диссертация на сугубо техническую тему: разработка автомата для сортировки кристаллов. Мнение членов ученого совета неожиданно резко разошлось. Скептически настроенные физики подчеркивали, что принцип, положенный в основу автомата, давно известен и даже описан в школьных учебниках. Представители технических наук, наоборот, активно поддерживали молодого диссертанта, упирая на то, что автомат разработан впервые и дает немалую экономию. «Помилуйте, а где же здесь наука?!» — не унимались физики, и дискуссия разгоралась с новой силой. В конце концов диссертант «прошел» незначительным большинством голосов. Ученые расходились неудовлетворенные, смутно понимая, что оригинальная и удачная конструкция, пусть даже основанная на известном принципе, все же свидетельствует о незаурядных способностях ее автора. Но в чем именно состоял здесь акт творчества или, как говорят патентоведы, изобретательский шаг, увы, оставалось неясным.

И лишь несколько позднее стало ясно: безусловный успех диссертанта связан с удачным преодолением некоего специфического барьера, отделяющего результат научных исследовании от их технического воплощения.

В том, что такой барьер есть, твердо и, наверное, в равной мере убеждены и ученые и конструкторы. Однако мало кто возьмется определить существо этого препятствия, хотя бы даже в общих чертах. Ведь контакты науки с промышленностью необычайно многообразны. Тем не менее, вопрос настолько интересен, что полезно выявить хотя бы некоторые характерные свойства «пограничного слоя» между наукой и техникой.

По мысли Борна, наука должна познавать новое, а техника — создавать новое. Продолжая эту идею, можно сказать, что главный результат науки — новые сведения о вещах и явлениях природы, а основной продукт техники — реальные предметы. Отсюда следует, что «секрет» перехода «наука — промышленность» связан в первую очередь с отбором и преобразованием научной информации, сведений.

Вернемся к нашему примеру с автоматом и представим вначале, что мы — ученые, исследуем свойства кристаллов, ну, например, их способность пропускать свет. Образец закрепляют в приборе и освещают лучом света с хорошо известными параметрами Кристалл поворачивают разными гранями и каждый раз тщательно фиксируют и само положение кристалла, и соответствующий оптический сигнал. На все операции уходит, естественно, довольно много времени. Но физика это не волнует. Многократно проверив данные измерений, он находит в конце концов желанную зависимость между физическими параметрами, в данном случае между свойствами луча и прозрачностью кристалла.

Вообразим теперь себя конструктором, которому поручено создать автомат для сортировки и отбраковки кристаллов по степени их прозрачности. Казалось бы, чего проще: бери уже найденные учеными зависимости, выбирай наиболее удобную и дерзай. Но не тут-то было! Оказывается, что именно здесь и возникают сложные и специфические проблемы, характерные для перехода от физической идеи к конструкции.

Прежде всего, выясняется, что пропускная способность автомата должна быть высокой, скажем, один кристалл в секунду. Физику даже страшно подумать о такой скорости: она больше лабораторной примерно в десять тысяч раз! Но это далеко не все! Вторая проблема куда сложнее и, хуже того, совсем непривычна для физика. По техническому заданию кристаллы, поступающие на вход автомата-сортировщика, могут значительно отличаться друг от друга не только прозрачностью, но и другими свойствами — размером, формой и т. д. И это естественно: ведь прежде чем отправить кристаллы на обработку, необходимо определить их качество. Это как раз и должен делать наш автомат. Как быть?

Попытаемся вначале воспользоваться достижениями науки — выберем для контроля световой луч с теми же характеристиками, что и у физиков. Это удобно, прохождение такого луча через наши кристаллы хорошо изучено, есть и удобные формулы. А дальше? Мы не можем тщательно «выставить» кристалл относительно луча — на это ушло бы слишком много времени. В спешке — за одну секунду — мы способны выбрать лишь первое попавшееся, случайное положение кристалла. Очевидно, однако, что каждому положению кристалла будет соответствовать свой световой сигнал. А крупные кристаллы «выдадут» более слабые сигналы, чем мелкие. В итоге прохождение светового луча через кристалл само по себе уже не будет характеризовать качество кристалла — его прозрачность.

Чтобы выйти из тупика, воспользуемся приемом, который, возможно, шокирует физика, однако представляется вполне корректным для инженера. Заставим устройство, на котором мгновенно закрепляется очередной кристалл, быстро вращаться. Тогда на фотоприемнике. воспринимающем контрольный луч. мы получим некий средний по величине сигнал. Он будет соответствовать также осредненной прозрачности кристалла, которая, собственно, и нужна инженеру. Но мы не учли еще размеры кристалла. Для этого, перед тем как попасть под луч, кристалл автоматически взвешивается. Сигнал о весе также поступает в счетно-решающее устройство автомата и учитывается при выдаче окончательной команды на пропуск или отбраковку кристалла.

В итоге — техническая задача решена. Решение ее основано на прямом физическом прототипе (сплошь и рядом такого прототипа нет). Тем не менее, сколь отличны даже в этом случае не только способ решения, но и сам подход к задаче.

Попробуем теперь сделать некоторые обобщения. Измерения, важные для ученого сами по себе и выполняемые поэтому с подчеркнутой надежностью и точностью, оказываются для инженера лишь средством решения технической задачи. Поэтому он не гонится за особой точностью и нередко соглашается на грубые, даже качественные оценки, вплоть до простейшего «да — нет». Вообще предметы, с которыми приходится иметь дело инженеру, как правило, более неопределенны и «неправильны», чем объекты исследования ученого. Охотно жертвуя точностью, инженер настойчиво стремится к убыстрению операций. Здесь отчетливо проявляется одна из важнейших сторон инженерной деятельности — тенденция «прессовать время», всячески ускорять технический процесс Ученый же в своей извечной погоне за точностью и чистотой опыта обычно никуда не торопится. Как и в прежние времена, наука не терпит суеты, хотя темп нашей жизни поразительно возрос.

Медлительность ученого вполне оправдана. Это настойчивое стремление к чистоте опыта. Хотя цена, которую ученый должен при этом уплатить, становится все более и более высокой. Сплошь и рядом на подготовку к эксперименту, состоящую из последовательного подавления всяких побочных факторов, уходят годы, тогда как сам опыт занимает всего несколько часов и даже минут.

Нередко проверка какой-либо фундаментальной научной идеи оказывается вообще невозможной при достигнутом к тому времени техническом уровне. И тогда опыт, задуманный ученым, осуществляют исследователи последующих поколений или даже другой эпохи. В своих настойчивых попытках измерить скорость света Галилей не располагал даже обычными часами. Еще более впечатляющим примером может служить гипотеза об атомарном строении вещества, высказанная древними греками два с половиной тысячелетия назад и ставшая доступной экспериментальной проверке лишь в наше время.

Но вот новый научный факт познан, описан и передан в кладовую науки на хранение. Задача инженера — использовать полученную с таким трудом и бережно сохраняемую человечеством премудрость в технических целях. Однако по разным причинам, о которых речь ниже, инженер может отобрать с пользой для себя лишь небольшую толику информации, хранящейся на обширных складах науки.

Начнем с того, что часто отбирается совсем не новое, а известное науке уже десятки, а то и сотни лет. Такова, например, судьба дифракции и интерференции света, теории функций комплексного переменного, ультрафиолетовых лучей и множества других открытий физики и математики, сделанных в XVI—XIX веках. То же можно сказать и о гениальных технических идеях. Так, первые электрогенераторы появились через полвека после открытия Фарадеем способа получения электроэнергии.

Все же для современней промышленности более характерно быстрое использование самых новых достижений науки, особенно в таких областях, как электроника, нелинейная оптика, и ряд других. Однако и сейчас, при всей изощренности и мощи нашей техники, дорога в промышленность открыта далеко не для всех научных новинок. Интересуясь, например, новым веществом, инженер не преминет выяснить его химическую стойкость, способность противостоять влаге, нагреву, длительному хранению и т. д. Материал обязан сохранить свои качества в реальных условиях, иначе заманчивая новинка не пригодится для промышленности. Примеряя на свой аршин новый физический эффект, производственник обязательно постарается выявить его стабильность, устойчивость к помехам.

Мы приходим к любопытному выводу: техническое применение нового вещества или явления зависит от решения задач, во многом противоположных тем, которые решают ученые. Вспомним, что физик, стараясь выделить эффект в чистом виде, сознательно подавляет все «шумы», то есть всячески стремится к стерильности условий. Для инженера важно совсем иное: заставить работать эффект в обычных, довольно «грязных» условиях цеха. «Суровая» рабочая обстановка типична для множества машин и приборов. Она изменчива и зависит от самых разных случайных причин, игнорировать которые инженер не вправе. Отчетливо сознавая это, инженер не подавляет эти причины, а заранее расчетливо и хладнокровно учитывает их в своем творчестве. Типичные для лексикона механика-конструктора понятия — допуски и посадки, деформация, потери на трение и т. д. — отражают как раз именно эту важнейшую особенность инженерной деятельности.

Можно пойти дальше и сказать, что, создавая новую конструкцию и стремясь обеспечить определенный «запас прочности», инженер, по существу, не только не устраняет, но и усиливает возможную роль помех. Именно поэтому испытания новых автомобилей и других технических устройств проводят, как правило, в заведомо утяжеленных условиях.

Проблема, таким образом, состоит в воспроизведении лабораторного результата в значительно более «грязной» и неблагоприятной обстановке. Общий метод решения такой проблемы основывается на том, что придирчиво отобранная из обширного научного арсенала новинка должна быть капризна в меру. Она обязана не очень болезненно реагировать на тот минимум комфорта, который в состоянии создать ей трудяга-инженер.

История изобилует примерами, когда путь научной идеи в промышленность оказывался не только долгим, но и полным приключений и разочарований. Главным и наиболее очевидным препятствием на этом пути считают обычно чисто технические трудности.

Паровая турбина выглядит куда проще и изящнее громоздкой и малоэффективной паровой машины. Однако из-за трудностей в изготовлении такая турбина была запатентована Парсонсом лишь в 1884 году, а установлена на английских военных судах и того позже — только в начале прошлого ХХ века. Одержимый идеей чудо-двигателя, знаменитый Дизель опирался на вполне строгие научные представления, завещанные гениальным Карно. Но, увы, красивый и безупречный в принципе замысел после ряда мучительных попыток и провалов превратился в конце концов в довольно громоздкий оригинал с относительно низким кпд. Впрочем, вполне надежный и не требующий для изготовления особо прочных материалов.

Судьба двигателя переменного тока, запатентованного в конце ХІХ века Томпсоном, долгое время висела на волоске из-за сильнейшего искрения металлических «щеток», быстро разрушавшего коллектор. Упорные и отчаянные поиски изобретателя привели, в конце концов, к успеху: скользящий электроконтакт был выполнен из куска графита, сочетающего в себе хорошую проводимость с отличным смазочным действием.

Зародившаяся почти сто лет назад научная идея создании морского гирокомпаса поначалу казалась специалистам безумной. Ведь речь шла о том, чтобы почувствовать скорость вращения Земли в штормовом море. Успешная реализация такой идеи через несколько десятков лет в виде необычайно остроумных конструкций стала настоящим триумфом союза науки и техники. Не менее характерна история создания «абсолютного компаса», основанного на счислении курса путем измерения и двойного интегрирования ускорения тела в пространстве. Эта поразительно простая идея инерциальной навигации была реализована и получила распространение на морских судах и космических кораблях только после того, как были изобретены необычайно чувствительные аксельрометры и воздушные подшипники, практически лишенные трения.

Не счесть примеров того, что технологический барьер был и остается существенным препятствием на пути реализации научных идей. Правда, сейчас принято считать, что преодоление этого барьера отнимает все меньше времени, поскольку общий уровень техники и осведомленность специалистов в смежных областях науки резко возросли. И возможно, что в будущем этот парадокс проблемы науки и техники будет полностью преодолен.

Автор: А. Силин.