Джерело всіх речей – проблеми науки і техніки
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
В одному інституті захищалася дисертація на суто технічну тему: розробка автомата для сортування кристалів. Думки членів вченої ради несподівано різко розійшлися. Скептично налаштовані фізики підкреслювали, що принцип, покладений в основу автомата, давно відомий і навіть описаний в шкільних підручниках. Представники технічних наук, навпаки, активно підтримували молодого дисертанта, упираючи на те, що автомат розробили вперше і він дає чималу економію. «Даруйте, а де ж тут наука?!» — не вгамовувалися фізики, і дискусія розгоралася з новою силою. Зрештою дисертант «пройшов» незначною більшістю голосів. Вчені розходилися незадоволені, смутно розуміючи, що оригінальна і вдала конструкція, нехай навіть заснована на відомому принципі, все ж свідчить про неабиякі здібності її автора. Але в чому саме полягав тут акт творчості або, як кажуть патентознавці, винахідницький крок, на жаль, залишалося неясним.
І лише пізніше стало ясно: безумовний успіх дисертанта пов’язаний з успішним подоланням якогось специфічного бар’єру, що відокремлює результат наукових досліджень від їх технічного втілення.
У тому, що такий бар’єр є, твердо і, напевно, в рівній мірі переконані вчені і конструктори. Однак мало хто візьметься визначити сутність цієї перешкоди, хоча б навіть у загальних рисах. Адже контакти науки з промисловістю надзвичайно різноманітні. Тим не менш, питання настільки цікаве, що корисно виявити хоча б деякі характерні властивості «прикордонного шару» між наукою і технікою.
По думці Борна, наука повинна пізнавати нове, а техніка — створювати нове. Продовжуючи цю ідею, можна сказати, що головний результат науки — нові відомості про речі і явища природи, а основний продукт техніки — реальні предмети. Звідси випливає, що «секрет» переходу «наука — промисловість» пов’язаний в першу чергу з відбором і перетворенням наукової інформації, відомостей.
Повернімося до нашого прикладу з автоматом і спочатку уявімо, що ми — вчені, досліджуємо властивості кристалів, ну, наприклад, їх здатність пропускати світло. Зразок закріплюють в приладі і висвітлюють променем світла з добре відомими параметрами Кристал повертають різними гранями і кожен раз ретельно фіксують і саме положення кристала, і відповідний оптичний сигнал. На всі операції йде, природно, досить багато часу. Але фізика це не хвилює. Багаторазово перевіривши дані вимірювань, він знаходить врешті-решт бажану залежність між фізичними параметрами, в даному випадку між властивостями променя і прозорістю кристала.
Уявімо тепер себе конструктором, якому доручено створити автомат для сортування і відбракування кристалів по ступеню їх прозорості. Здавалося б, чого простіше: бери вже знайдені вченими залежності, вибирай найбільш зручну і дерзай. Але не тут-то було! Виявляється, що саме тут і виникають складні і специфічні проблеми, характерні для переходу від фізичної ідеї до конструкції.
Перш за все, з’ясовується, що пропускна здатність автомата повинна бути високою, скажімо, один кристал в секунду. Фізику навіть страшно подумати про таку швидкість: вона більше лабораторної приблизно в десять тисяч разів! Але це далеко не все! Друга проблема куди складніше і, гірше того, зовсім незвична для фізика. За технічним завданням кристали, що надходять на вхід автомата-сортувальника, можуть значно відрізнятися один від одного не тільки прозорістю, але й іншими властивостями — розміром, формою і т. д. І це природно: адже перш ніж відправити кристали на обробку, необхідно визначити їх якість. Це як раз і повинен робити наш автомат. Як бути?
Спробуємо спочатку скористатися досягненнями науки — виберемо для контролю світловий промінь з тими ж характеристиками, що і у фізиків. Це зручно, проходження такого променя через наші кристали добре вивчено, є й зручні формули. А далі? Ми не можемо ретельно «виставити» кристал щодо променя — на це пішло б надто багато часу. У поспіху — за одну секунду — ми здатні вибрати лише перше-ліпше, випадкове положення кристала. Очевидно, однак, що кожному положенню кристала буде відповідати свій світловий сигнал. А великі кристали «видадуть» більш слабкі сигнали, ніж дрібні. У результаті проходження світлового променя через кристал саме по собі вже не буде характеризувати якість кристала — його прозорість.
Щоб вийти з глухого кута, скористаємося прийомом, який, можливо, шокує фізика, однак видається цілком коректним для інженера. Змусимо пристрій, на якому миттєво закріплюється черговий кристал, швидко обертатися. Тоді на фотоприймачі. сприймаючому контрольний промінь. ми отримаємо якийсь середній за величиною сигнал. Він буде відповідати також усередненій прозорості кристала, яка, власне, і потрібна інженерові. Але ми не врахували ще розміри кристала. Для цього, перед тим як потрапити під промінь, кристал автоматично зважується. Сигнал про вагу також надходить в лічильно-вирішальний пристрій автомата і враховується при видачі остаточної команди на пропуск або відбракування кристала.
У підсумку — технічна задача вирішена. Рішення засноване на прямому фізичному прототипі (часто-густо такого прототипу немає). Тим не менш, як відмінні навіть у цьому випадку не тільки спосіб рішення, але і сам підхід до задачі.
Тепер спробуємо зробити деякі узагальнення. Вимірювання, важливі для вченого самі по собі і виконувані тому з підкресленою надійністю і точністю, виявляються для інженера лише засобом вирішення технічної задачі. Тому він не женеться за особливою точністю і нерідко погоджується на грубі, навіть якісні оцінки, аж до найпростішого «так — ні». Взагалі предмети, з якими доводиться мати справу інженеру, як правило, більш невизначені і «неправильні», ніж об’єкти дослідження вченого. Охоче жертвуючи точністю, інженер наполегливо прагне до прискорення операцій. Тут чітко проявляється одна з найважливіших сторін інженерної діяльності — тенденція «пресувати час», всіляко прискорювати технічний процес Вчений у своїй одвічній гонитві за точністю і чистотою досліду зазвичай нікуди не поспішає. Як і в колишні часи, наука не терпить суєти, хоча темп нашого життя разюче зріс.
Повільність вченого цілком виправдана. Це наполегливе прагнення до чистоти досліду. Хоча ціна, яку вчений повинен при цьому сплатити, стає все більш і більш високою. Часто-густо на підготовку до експерименту, що складається з послідовного придушення побічних факторів, йдуть роки, тоді як сам дослід займає всього кілька годин і навіть хвилин.
Нерідко перевірка якої-небудь фундаментальної наукової ідеї виявляється взагалі неможливою при досягнутому до того часу технічному рівні. І тоді дослід, задуманий вченим, здійснюють дослідники наступних поколінь або навіть іншої епохи. У своїх наполегливих спробах виміряти швидкість світла Галілей не володів навіть звичайним годинником. Ще більш вражаючим прикладом може служити гіпотеза про атомарну будову речовини, висловлена стародавніми греками два з половиною тисячоліття тому і яка стала доступною для експериментальної перевірки лише в наш час.
Але ось новий науковий факт пізнаний, описаний та переданий в комору науки на зберігання. Завдання інженера — використовувати отриману з такою працею і дбайливо збережену людством премудрість в технічних цілях. Проте з різних причин, про які йдеться нижче, інженер може відібрати з користю для себе лише невелику дещицю інформації, що зберігається на великих складах науки.
Почнемо з того, що часто відбирається зовсім не нове, а відоме науці вже десятки, а то і сотні років. Така, наприклад, доля дифракції і інтерференції світла, теорії функцій комплексних змінних, ультрафіолетових променів і безлічі інших відкриттів фізики та математики, зроблених у XVI—XIX століттях. Те ж можна сказати і про геніальні технічні ідеї. Так, перші електрогенератори з’явилися через півстоліття після відкриття Фарадеєм способу отримання електроенергії.
Все ж для сучасної промисловості більш характерне швидке використання найновіших досягнень науки, особливо в таких галузях, як електроніка, нелінійна оптика, і ряд інших. Однак і зараз, при всій витонченості й могутності нашої техніки, дорога в промисловість відкрита далеко не для всіх наукових новинок. Цікавлячись, наприклад, новою речовиною, інженер не забуде з’ясувати її хімічну стійкість, здатність протистояти волозі, нагріванню, тривалому зберіганню і т. д. Матеріал зобов’язаний зберігати свої якості в реальних умовах, інакше приваблива новинка не стане в нагоді для промисловості. Приміряючи на свій аршин новий фізичний ефект, виробничник обов’язково постарається виявити його стабільність, стійкість до перешкод.
Ми приходимо до цікавого висновку: технічне застосування нової речовини чи явища залежить від рішення задач, багато в чому протилежних тим, які вирішують вчені. Згадаймо, що фізик, намагаючись виділити ефект в чистому вигляді, свідомо пригнічує шуми, тобто всіляко прагне до умов стерильності. Для інженера важливо зовсім інше: змусити працювати ефект у звичайних, досить «брудних» умовах цеху. «Сувора» робоча ситуація типова для багатьох машин і приладів. Вона мінлива і залежить від різних випадкових причин, ігнорувати які інженер не вправі. Чітко усвідомлюючи це, інженер не пригнічує ці причини, а заздалегідь виважено і холоднокровно враховує їх у своїй творчості. Типові для лексикону механіка-конструктора поняття — допуски і посадки, деформація, втрати на тертя і т. д. — відображають як раз саме цю найважливішу особливість інженерної діяльності.
Можна піти далі і сказати, що, створюючи нову конструкцію і прагнучи забезпечити певний «запас міцності», інженер, по суті, не тільки не усуває, але й посилює можливу роль перешкод. Саме тому випробування нових автомобілів та інших технічних пристроїв проводять, як правило, у свідомо обважнених умовах.
Проблема, таким чином, полягає у відтворенні лабораторного результату в значно більш «брудній» і несприятливій обстановці. Загальний метод розв’язання такої проблеми ґрунтується на тому, що прискіпливо відібрана з великого наукового арсеналу новинка повинна бути примхлива в міру. Вона зобов’язана не дуже болісно реагувати на той мінімум комфорту, який в змозі створити їй трудяга-інженер.
Історія рясніє прикладами, коли шлях наукової ідеї в промисловість виявлявся не лише довгим, але і повним пригод і розчарувань. Головною і найбільш очевидною перешкодою на цьому шляху зазвичай вважають суто технічні труднощі.
Парова турбіна виглядає куди простіше і витонченіше громіздкої і малоефективної парової машини. Однак з-за труднощів у виготовленні така турбіна була запатентована Парсонсом лише в 1884 році, а встановлена на англійських військових кораблях і того пізніше — лише на початку минулого ХХ століття. Одержимий ідеєю диво-двигуна, знаменитий Дизель спирався на цілком строгі наукові уявлення, заповідані геніальним Карно. Але, на жаль, красивий і бездоганний в принципі задум після низки болісних спроб і провалів перетворився в кінці кінців в досить громіздкий оригінал з відносно низьким ккд. Втім, цілком надійний і не вимагаючий для виготовлення особливо міцних матеріалів.
Доля двигуна змінного струму, запатентованого в кінці ХІХ століття Томпсоном, довгий час висіла на волосині з-за сильного іскріння металевих «щіток», що швидко руйнує колектор. Наполегливі і відчайдушні пошуки винахідника призвели, зрештою, до успіху: ковзний электроконтакт був виконаний з шматка графіту, що поєднує в собі хорошу провідність з чудовою мастильною дією.
Народжена майже сто років тому наукова ідея створення морського гірокомпаса спочатку здавалася фахівцям божевільною. Адже мова йшла про те, щоб відчути швидкість обертання Землі в штормовому морі. Успішна реалізація такої ідеї через кілька десятків років у вигляді надзвичайно дотепних конструкцій стала справжнім тріумфом союзу науки і техніки. Не менш характерна історія створення «абсолютного компаса», заснованого на численні курсу шляхом вимірювання та подвійного інтегрування прискорення тіла в просторі. Ця разюче проста ідея інерціальної навігації була реалізована і набула поширення на морських човнах і космічних кораблях тільки після того, як були винайдені надзвичайно чутливі аксельрометри та повітряні підшипники, практично позбавлені тертя.
Не злічити прикладів того, що технологічний бар’єр був і залишається суттєвою перешкодою на шляху реалізації наукових ідей. Правда, зараз прийнято вважати, що подолання цього бар’єру забирає все менше часу, оскільки загальний рівень техніки та обізнаність фахівців у суміжних галузях науки різко зросли. І можливо, що в майбутньому цей парадокс проблеми науки і техніки буде повністю подоланий.
Автор: А. Сілін.