ДЕНЬ ДЕВЯТНАДЦАТЫЙ

КАК ДЕЛАЮТСЯ НАУЧНЫЕ ОТКРЫТИЯ!

— Можно ли научиться делать открытия? В ответ — молчание, правда, недолгое. Вот первые соображения:
— Наверное, можно, вы как-то говорили, что открытие — это тоже изобретение!
— Нет, изобретение и открытие — разные вещи.
— Ну и что? А если у них много общего?
— Чем отличается открытие от изобретения? Если изобретатель придумывает и создает то, чего никогда не было, то ученый открывает природные явления и закономерности, существующие в природе, но до сих пор человечеству не известные. Различие существенное, но нет ли сходства?

Разработка ТРИЗ началась с осознания того, что существуют объективные закономерности в развитии технических систем, которые можно выявить и сознательно Использовать для целенаправленного совершенствования техники. А есть ли подобные закономерности в развитии научных теорий?

— Наверное, есть! Ведь в науке тоже есть случаи одновременного открытия одних и тех же законов, как одновременные изобретения в технике, например закон Бойля — Мариотта! — Как всегда обстоятельно излагает Женя. — Бойль и Мариотт открыли его независимо!

Таких примеров немало. Есть и другие моменты, общие для развития науки и техники. Так, научная теория в своем развитии повторяет те же стадии, что и техническая система: зарождение, бурный рост, замедление и остановка. И если это сходство — не случайное совпадение, то многое из того, что нам уже известно в ТРИЗ, может оказаться полезным и в решении задач «на открытие».

Мы знаем, что двигатель развития технической системы — это противоречия. А в развитии научной теории?

... В 1893 году физик В. Вин, исходя из положений термодинамики, вывел закон распределения энергии по длинам волн в спектре излучения черного тела. В 1897 году экспериментальная проверка показала, что закон Вина согласуется с экспериментом только в области коротких волн. В 1900 году другой физик — Рэлей, исходя из других положений термодинамики, вывел свой закон распределения, причем форма этого закона радикально отличалась от закона Вина. Закон Рэлея, давая согласующуюся с экспериментом картину распределения в области длинных волн (где «не работал» закон Вина), в области коротких волн приводил к бесконечно большим количествам энергии, что противоречило всем понятиям термодинамики.

Оба закона были строго выведены из доказанных положений термодинамики, поэтому их странное поведение озадачило физиков. Они стали тщательно проверять все исходные моменты. Наиболее основательно этим занимался Дж. Джине, он даже нашел некоторые неточности в законе Рэлея, но положения это не исправило. Чем глубже вникал Джине в существо проблемы, тем яснее он понимал, что классическая физика не в состоянии решить проблему излучения. Возникло противоречие, настолько драматическое, что П. Эренфест назвал ситуацию «ультрафиолетовой катастрофой». Как известно, разрешил это противоречие М. Планк, предложивший идею неделимых порций энергии — квантов.

...Принцип относительности, сформулированный для классической механики Галилеем, гласил, что механические явления в системах, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, происходят одинаково и независимо от движения. Опыт Майкельсона доказал, что скорость света не зависит от скорости движения Земли, и значит принцип относительности должен быть справедлив и в электродинамике. Но электромагнитные уравнения Максвелла, многократно подтвержденные экспериментально, не допускали относительности в электродинамике. Это противоречие было разрешено А. Эйнштейном в специальной теории относительности. Таких примеров множество в самых разных науках. Они подтверждают, что противоречие в науке, как и в технических системах, является движущей силой развития научных систем — гипотез, теорий. Значит, должны быть и способы выявления и разрешения этих противоречий, овладев которыми, можно научиться делать открытия.

Какие же законы действуют в развитии науки? До XVIII века основным понятием оптики был световой луч. Геометрическая оптика, основанная на законах прямолинейного распространения, преломления, и отражения световых лучей, позволила заложить основы теории оптических приборов, объяснила многие световые явления. Из принципов геометрической оптики естественно вытекала корпускулярная теория Ньютона: свет — это поток особых мельчайших частиц, испускаемых светящимся телом и движущихся по инерции. Однако с позиций кор¬пускулярной теории оказалось невозможно объяснить дифракцию — проникновение света в область геометрической тени. Для объяснения этого явления современник И. Ньютона Гюйгенс создал новую оптику — волновую, основанную на представлении о свете как упругих волнах, распространяющихся в особой среде — эфире.

Волновая теория объясняла дифракцию и сложное явление двойного лучепреломления в кристаллах, но не могла объяснить поляризацию света и прямолинейность его распространения. Это оказалось решающим, и корпускулярная теория одержала победу. Ее господство продолжалось около ста лет, пока не был открыт Т. Юнгом принцип интерференции (наложения) волн. А решающий удар корпускулярной теории нанес О. Френель, восстановивший волновую теорию на основе синтеза принципов Гюйгенса и Юнга. Новая теория прекрасно объяснила и прямолинейность света, и явление дифракции, а заодно и поляризации. Для этого только нужно было допустить, что световые волны являются не продольными, а поперечными. Волновую теорию подтвердил опыт Фуко, который показал, что в воде скорость света меньше, чем в воздухе.

Торжество волновой теории длилось тоже около ста лет — до начала XX века. К тому времени она впитала в себя учение об электричестве и магнетизме, электродинамику Максвелла. Свет уже не считали механическим волновым процессом, а представляли как совокупность движущихся друг за другом электромагнитных волн. Но в начале XX века снова пришлось вернуться к корпускулярной теории, чтобы объяснить фотоэффект и другие явления. С этого времени обе теории стали сосуществовать, «работая» каждая в своей области: свет — череда бегущих волн; свет — поток летящих частиц — фотонов.

Как физики примирились с таким вопиющим противоречием? Почему вместо того чтобы доказывать, какая теория лучше, они перестали спорить и стали работать, изучая по своему выбору ту или иную сторону поведения света? В этом огромная заслуга Нильса Бора, предположившего, что противоречие лежит не в природе света, а в нашем представлении о ней, и сформулировавшего в 1927 году принцип дополнительности.

Оказалось, что двойственная природа свойственна не только свету, но и электрону и другим частицам. Для описания электрона как частицы В. Гейзенберг создал матричную механику, а Э. Шрёдингер — волновую механику для электрона — волны. Трудно было решить, какая из теорий справедлива. Тогда Бор понял, что обе они хотя и взаимно исключают друг друга, только в совокупности обеспечивают полное описание картины микромира. Сформулировав это важнейшее положение квантовой механики, Бор пошел дальше. Он осознал его как философский принцип: когда существуют две взаимоисключающие (конкурирующие), но согласующиеся с экспериментами теории, необходимо рассматривать их как взаимодополняющие. Что напоминает вам этот принцип?

— Закон объединения конкурентов!
— Конечно! Ведь корпускулярная и волновая теории несколько раз сменяли друг друга, значит было в обеих рациональное зерно! Еще до принципа дополнительности Нильс Бор сформулировал другой принцип, который тоже сначала относился к физике, а потом приобрел общенаучное, философское значение — принцип соответствия: научная теория, подтвержденная экспериментально в определенной области, с появлением новых знаний не отвергается полностью, а сохраняет свое значение для этой области как частный случай новой, более общей теории. Например, с появлением волновой оптики геометрическая оптика не утратила своего значения. Было доказано, что в тех случаях, когда длину волны света можно считать малой по сравнению с шириной светового пучка, законы геометрической оптики выводятся из волновой. Аналогично классическая механика — частный случай теории относительности.
— Похоже на согласование новой теории со старой.
— Да, наверно, можно считать его аналогом закона согласования в технике. А что такое идеальность в науке?
— Меньше формул — больше результатов!
— Или уменьшение исходных для теории аксиом?
— Есть немало примеров, когда первое доказательство теоремы сложное, со множеством выкладок, а постепенно оно упрощается.
— Вроде свертывания!
— Действительно, похоже. Но вопрос об идеальности в науке пока открыт, здесь только начинается работа. Итак, научная теория — это тоже система. Только состоит она не из «железок», как техническая, а из информации. Информационные системы — это не только теории, но и языки, литературные произведения. Здесь тоже проявляется системный эффект — объединение двух информационных элементов дает новую информацию.
— Как вы считаете, с чего следовало бы начать работу по созданию алгоритма научных открытий?
— С изучения уже сделанных открытий.
— С выявления тех приемов, которые использовались учеными.
— Как при создании ТРИЗ. Ведь у научных и технических систем много общего.
— В принципе верно. Начинать нужно с классификации открытий. Какие бывают открытия?
— Например, как у Лазаренко. Искали способ борьбы с искрением контактов — нашли способ получения порошков!
— И Беккерель обнаружил радиоактивность случайно!
— Резерфорд бомбардировал атомы альфа-частицами и открыл существование ядра.
— Экспериментальные открытия, когда открывают новое явление.
— Теоретические, теория объясняет какое-то явление.

Самая простая классификация — разделение на две группы: открытие новых фактов и объяснение уже известных, установление новых закономерностей.

Раз существуют открытия двух видов, то и приемы создания их должны в какой-то мере отличаться. Рассмотрим приемы открытий в первой группе.

1. Поиск нового за границами известного. Например, Камерлинг-Оннес, изучая электрическое сопротивление при все более низких температурах, открыл сверхпроходимость. Этим приемом практически всю жизнь пользовался П. Л. Капица: сначала получение и изучение сверхсильных магнитных полей, потом — сверхнизкие температуры, затем сверхвысокие — плазма.
2. Изучение ранее известных аномалий, отклонений от нормы, пусть даже совсем незначительных. Так из «маленького облачка» на горизонте классической физики — опыта Майкельсона — выросла теория относительности.

Неизменно достигали успеха исследования внутренней структуры уже известных объектов. Так постепенно уточнялась структура атома, атомного ядра, элементарных частиц. Приемы открытий второй группы — открытия новых закономерностей можно было бы назвать «изобретением гипотез», объясняющих те или иные факты. Преодоление противоречий в науке чаще всего происходило либо путем введения гипотетического соотношения, связывающего противоречивые положения, либо с помощью гипотетического явления, которое могло бы объяснить факты, не соответствующие уже имеющейся теории. ...На основе наблюдения неба древними Птолемей создал геоцентрическую теорию, согласно которой Земля находилась в центре Вселенной, а Солнце и другие планеты вращались вокруг нее. Но по мере повышения точности астрономических наблюдений выяснилось, что планеты время от времени описывают «петли». Была предложена идея «эпициклов», согласно которой каждая планета, двигаясь вокруг Земли, дополнительно вращается по небольшой по сравнению с орбитой окружности. Дальнейшее повышение точности наблюдений показало, что и эта картина не соответствует фактам, поэтому были введены еще дополнительные эпициклы. «Дошли» до семи эпициклов, и такое «уточнение» могло бы продолжаться до бесконечности, но слишком уж сложными стали расчеты положений планет. А без них не могла существовать одна из важных наук средневековья — астрология. Для составления гороскопов нужны были простые но точные методы расчета.

Н. Коперник сначала чисто формально предложил другую схему движения небесных тел, которая позволила отказаться от эпициклов и упростила вычисления; Солнце находится в центре, а Земля и другие планеты вращаются вокруг него. А потом стало ясно, что речь идет не просто о формальной картине, облегчающей вычисления, а о реальной гелиоцентрической картине мира.

Исследователи электромагнетизма Ампер, Вебер, Фарадей, Нейман проделали множество опытов, доказывающих, что электричество и магнетизм тесно связаны, порождают друг друга. Однако построить единую систему уравнений для электричества и магнетизма не удавалось, пока Максвелл не ввел чисто формально в уравнения еще один член — ток смещения, протекающий в диэлектриках и вакууме и никогда ранее не наблюдавшийся. В результате появилась идея об электромагнитных волнах, свободно, без всяких проводников распространяющихся в пространстве. Через двадцать лет эти волны экспериментально обнаружил Г. Герц.

Формально отнесся к своим знаменитым преобразованиям X. Лоренц, а вслед за ним и крупнейший ученый и теоретик науки Пуанкаре. А ведь этим преобразованиям, позволившим примирить принцип относительности с уравнениями электродинамики, Эйнштейн дал физическое толкование. Это и позволило создать теорию относительности.

Не было физического обоснования и у гипотезы кванта Планка, но Эйнштейн, предположивший, что кванты — не формальные образования, а реально существующие частицы материального мира, создал теорию фотоэффекта и заложил основы квантовой механики. Формально ввел свои орбиты и Бор...

Подобных примеров в науке множество, и все они отличаются некоторой последовательностью действий: сначала находится чисто формальный способ разрешения противоречия с помощью какого-то математического преобразования, затем формальное преобразование осмысливается и наполняется физическим содержанием и, наконец, на базе нового физического содержания делается шаг вперед к познанию новой объективной реальности.

Материал сегодня трудный, и ребята устали. Поэтому разговор об изобретении гипотез мы продолжим завтра. А сейчас поговорим о другом. Допустим, мы уже знаем, как создавать гипотезы. Но они не станут точным знанием до тех пор, пока не будет подтверждены практикой. Следующий шаг научного исследования — нужно поставить перед природой вопрос, верна ли наша гипотеза. Умение задавать такие вопросы — важнейшее качество исследователя.

... На далекой планете космонавты обнаружили мыслящее существо, по внешнему виду напоминающее мешок. Последний представитель некогда могущественной цивилизации «Мешок» обладает удивительным даром — отвечать на любые вопросы, в том числе и о будущем. В мире капитала этим даром распорядились хищнически. Расписали время «Мешка» на минуты, которые за огромные деньги продают всем желающим. И он трудится по 24 часа в сутки, исправно отвечая на вопросы типа «Разбогатею ли я, если куплю акции такой-то компании?» Небольшое время отведено и ученым. В конце концов «Мешок» устал от глупых вопросов. Он с разочарованием сообщает своему собеседнику, что вопросы, которые ему задают, совсем не те, которые следовало бы задать. А что спросили бы вы, если бы вам предоставилась возможность задать «Мешку» вопрос?

Объявляется конкурс на самый главный вопрос. У каждого — всего одна попытка.

— Как предотвратить войну?
— Как лечить все болезни?
— Как разрешить проблемы перенаселения и питания?
— Как научиться передвигаться быстрее скорости света и достичь звезд?
— Как сохранить нашу Землю?
— Вопросов много, и все они действительно важные. Но психологическая инерция помешала вам. Ведь «Что спросить у «Мешка»?» — это тоже вопрос.

«Что же мы должны спрашивать?» — «Вот вопрос, которого я ожидал»...

Это строка из фантастического рассказа У. Моррисона «Мешок». Самым главным «Мешок» считал вопрос, приносит ли он своими ответами пользу или вред.

Вопросы нужно уметь задавать, это ясно. Но какие из них самые «правильные»? Конечно, те, которые позволяют быстро и соответственно дешево найти ответ. Говорят, чтобы задать правильный вопрос, нужно наполовину знать ответ. «В каждой шутке доля правды», но в этой — все 100%.

... Новая игра: отгадать задуманного Преподавателем литературного героя. Можно задавать любые вопросы, на которые Преподаватель имеет право отвечать «да» или «нет», или «не могу ответить». (Не правда ли, именно так и отвечает природа на вопрос исследователя?)

— Это Гулливер? Дюймовочка?
— Таких вопросов можно задать сотни и не угадать. Главное условие игры — вопросов должно быть как можно меньше. Выберите капитана, пусть он отбирает лучшие вопросы и следит за тем, чтобы вы слушали друг друга и не повторялись. Дело пошло чуть-чуть лучше, но ненамного. Тогда мы рассказали о правилах задавания таких вопросов. Мы ищем литературного героя. Все возможные герои могут быть разделены на две группы: например реальные (человек или животное) и нереальные (сказочные, фантастические). Задав вопрос, реален ли наш герой, мы сразу отбрасываем одну группу. Допустим, наш герой нереальный. Тогда следующий вопрос: сказочный или фантастический? Снова разделили на две группы и так далее. Этот метод называется дихотомией — последовательным разбиением на две группы.

Теперь вопросы пошли толковые;

— Герой одушевленный?
— Да.
— Человек?
— Нет.
— Живет на суше?
— Нет.

Время от времени нужно подводить итоги, чтобы не запутаться.
Итак, наш герой — сказочное живое существо, живущее в воде.

— В море?
— Да.

Возникло затруднение. Не перебирать же всех морских обитателей! Теперь можно со стороны литературы.

— Сказка русская?
— Да.
— В прозе?
— Нет.

Морское существо, герой русской сказки в стихах... Да это же рыба-кит!

...Миллиарды тратятся во всем мире на экспериментальные исследования по принципу: «Спрошу у природы что попало, а там видно будет». Ставя эксперимент, исследователь заранее должен представлять, какой в принципе ответ он может получить. Всем известно изречение, что в науке отрицательный результат — тоже результат. Но его нужно уточнить. Оно справедливо только тогда, когда, получив от природы в ответ «нет», мы теперь точно знаем, в каком случае она ответит «да» без дополнительных экспериментов. То есть ставя решающий эксперимент по проверке той или иной гипотезы, нужно его спланировать так, чтобы получить ответ «да» или «нет».

Вечерние размышления

Есть закономерности развития научных теорий и закономерности природы, которые теории описывают. Как они между собой связаны? Не повторяют ли друг друга?

Представьте себе огромную, спрятанную в тумане вершину горы. Вот ветром отнесло туман в сторону, и мы увидели над головой выступ, закинули туда веревку. Вырубаем ступени, с трудом продвигаемся. За нами тянется веревочная лестница — другим подыматься будет легче. Уходят вверх передние, а завоеванные позиции обживаются: веревочные лестницы заменяют деревянные леса, появляются перила, правила техники безопасности. На следующих этапах перестраивается основание лестницы, возводятся каменные столбы, пускают лифты, пробивают туннели, наводят мосты через непроходимые ранее участки. Так «строятся» наука, отдельные научные теории. Строительство зависит и от конфигурации горы, расположения фактов-зацепок, к которым крепится теория-лестница, и от конструкции самой лестницы, от строительной механики, обеспечивающей ее прочность, то есть от собственных критериев построения научной теории. Законы развития научных теорий — это законы развития наших лестниц, перехода от веревки, по которой карабкается альпинист, к комфортабельному лифту.

Писатель М. Анчаров в повести «Теория невероятности» пишет: «Наше время не любит изобретений. Оно любит исследования. Кому труднее всего — изобретателям. А исследователю? Все институты научно-исследовательские, разве не так? Исследование — это значит исследование того, что природа изобрела. А изобретение — это человеческое создание, продукт творчества, синтез.

Без исследований не будет изобретений. — Правильно. А без изобретений вообще ничего не будет. Жизни не будет. Человек от обезьяны отличается не исследованием дубины, а изобретением дубины».

Конечно, автор этой цитаты и мы не против науки, исследований. Но очень хочется напомнить о том, что часто забывают: о роли изобретения, творческого скачка в создании самих теорий, в открытии новых явлений. Наши ребята начитаны, эрудированы, но представление о деятельности ученого у них мало соответствует истине. И если бы только у них!

Сколько раз приходилось слышать: «Ну, возможно, изобретательство еще можно как-то организовать, алгоритмизировать. Но не науку!» Наука — это нечто непознаваемое, пути ее неисповедимы, только гений может... Старая песня! Когда-то это говорили и о возможности алгоритмизации в изобретательской работе. Сегодня опыт, множество изобретений доказывают, что учить изобретательству можно. Теперь на очереди — поиск методов создания нового знания в науке. Многие наши ребята мечтают стать и, без сомнения, станут учеными. Ведь не зря у нас НОУ — научное общество учащихся. Поэтому очень хочется вооружить их современными сильными методами поиска нового. Сегодня мы познакомили их немного с некоторыми закономерностями, а завтра займемся непосредственным решением исследовательских задач.

ДЕНЬ ВОСЕМНАДЦАТЫЙ

ДЕНЬ ДВАДЦАТЫЙ