Существуют ли какие-то простые изобретательские принципы, общие для всех областей — от физики до поэзии? Как поймать за хвост суперсимметричную частицу? Как будут выглядеть следующие коллайдеры и детекторы гравитационных волн? Обо всем этом можно было услышать в НГУ на прошедшей в рамках EUREKA!FEST-2016 лекции профессора Андрея Серого, автора книги «Изобретая инструменты науки будущего: Ускоряющая науку ТРИЗ: физика ускорителей, лазеров и плазмы».
«Для большинства из нас величайшая опасность состоит не в том, чтобы выбрать слишком высокую цель и потерпеть неудачу, а в том, чтобы наметить цель слишком низкую и достичь ее». Микеланджело Буонарроти, (1475—1564 гг.) скульптор, живописец, архитектор, поэт
«Все открытия разделяются на две категории: в первом случае сама теория подсказывает, где нужно искать, во втором она не дает никаких однозначных ответов», — рассказывает директор Института ускорительной физики имени Джона Адамса (Оксфорд), профессор Оксфордского университета Андрей Анатольевич Серый.
Именно по первому сценарию происходило обнаружение гравитационных волн. Там теория очень четко предсказывала, что конкретно будет происходить в зависимости от массы, расстояния и других факторов. Надо было просто дождаться, когда это случится. Очень похожим образом открыли бозон Хиггса (правда, здесь все же имели место события, которые не укладывались в предшествующую теорию): еще в 1964 году было предсказано существование некой частицы, необходимой для обеспечения наличия массы у всех других элементарных частиц. Проект эксперимента задумали в 1984 году, в 1998-м началось строительство коллайдера, и вот в 2012-м на нем удалось зафиксировать новую неизвестную частицу. Измерив ее свойства, ученые поняли, что это ожидаемый бозон Хиггса.
Во втором случае, теория не дает подсказок, неизвестно при каких параметрах событие может происходить (и может ли вообще?). Очень хорошо подобную ситуацию иллюстрирует несостоявшееся этим летом открытие суперсимметричной частицы.
«На самом деле стандартная модель и Хиггс не объясняют всего. Есть темная материя, которая заполняет 90 % Вселенной, и пока мы не знаем, что она такое, из каких частиц состоит. В попытках разрешения этой загадки прибегают к теориям суперсимметрии. Проблема в том, что их десятки», — объясняет исследователь. Великая надежда была на Большой андронный коллайдер. Предполагалось: когда он заработает, тут же будет найден бозон Хиггса и несколько суперсимметричных частиц, однако последние до сих пор не обнаружены.
Весной этого года ученым показалось, что на совершенно не предсказанной энергии они увидели пик, который не сильно превышал помехи, но тем не менее мог обозначать новую физику, открытие долгожданных недостающих. За три-четыре месяца теоретики выпустили несколько сотен работ, объясняющих: как раз здесь и должна была возникнуть суперсимметричная частица. Однако в августе, когда накопилось больше статистики, стало понятно, что ничего подобного нет, а пик «рассосался».
«Мы точно знаем: новая физика должна быть, поскольку в стандартной модели концы с концами не сходятся, нужны какие-то новые частицы. Но для их открытия необходимо гораздо больше данных. Получение этой статистки и есть задача БАК на следующие 20 лет», — говорит Андрей Серый. Однако здесь потребуется сделать еще много всего: построить вокруг детекторов тоннели, установить новые фокусирующие магниты, дополнительный токомак и так далее.
Сегодня в мире существует около 30 тысяч ускорителей, причем для науки используются только несколько десятков из них. Физика высоких энергий, изучение структуры материи, безопасность, медицина, получение новых материалов. В основном такие установки находят свое применение в промышленности: ионная имплантация, электронная резка-сварка, различные стерилизации. Есть и совсем экзотические области. Так, под одной из картин Ван Гога был обнаружен портрет женщины, а не так давно с помощью этих «машин» удалось улучшить рецепт шоколада.
«История развития ускорителей равна истории развития любой технологической системы, она состоит из чередования скачков и периодов насыщения. Сейчас мы снова находимся на стадии последнего. Чтобы быстро продвинуться к новым энергиям, строить огромные установки становится очень дорого, надо искать новые, более эффективные методы», — отмечает исследователь. И здесь встает вопрос: как изобретать более эффективно?
Самый простой и примитивный из известных нам способов решения задач — это метод перебора, здесь всё вроде бы понятно. Второй — психологический штурм. Его плюс в том, что разделяются процессы генерации идей и критического анализа. Но это же является и минусом, поскольку вы разрываете обратную связь, которая нужна для улучшения идеи. Третий — метод селектики — представляет собой несколько усовершенствованный мозговой штурм. Здесь делается акцент на свежий взгляд и его генерацию через аналогии с природой, идентификацию себя с кем-то, символическое или даже метафорическое описание проблемы. Однако, как отмечает Андрей Серый, селектика — это непродуктивно, поскольку очень искусственно, она представляет собой предел того, что может быть достигнуто грубым методом перебора. «Чтобы что-то решить и завести, действие должно произойти само собой, использовать только те материалы и ресурсы, которые уже есть в системе. Это как раз и есть суть метода», — говорит ученый.
Работу над теорией решения изобретательских задач начал советский инженер и ученый Генрих Саулович Альтшуллер в 1946 году. В его жизни была трагическая страница, когда за предложение по улучшению изобретательства в СССР его сосали в лагерь, где он провел несколько лет. Плюс был в том, что там он встретил много образованных людей, которые читали ему лекции по всем интересующим его предметам. Когда Альтшуллер вернулся к нормальной жизни, он, во-первых, сохранил свою идею развивать изобретательство, а во-вторых, стал гораздо более образованным и сформулировал ТРИЗ. Им были проанализированы тысячи изобретений, в результате чего удалось составить таблицы, в которых показано, какие именно изобретательские принципы помогают разрешать конкретные задачи.
Краеугольные камни ТРИЗ: одни и те же решения появляются снова и снова, но в различных отраслях, существует определенный путь технологической эволюции для всех областей промышленности, научные идеи надо брать за пределами своей области, информационные патенты раскрывают и разрешают противоречия.
«Изобретательских принципов очень мало, всего 40. Конечно, они сформулированы очень общо. ТРИЗ не дает вам решения сразу, но он подводит к нему быстрее», — утверждает Андрей Серый. Рассмотрим работу ТРИЗ на принципе матрешки: его можно найти и в мебели (столы, сдвигающиеся друг в друга), и в поэзии («Дом, который построил Джек»), и в коллайдерах (так, гравитационная волна приводит к очень небольшому искажению пространства, чтобы ее «поймать», надо отсечь все посторонние шумы, и конструкция «матрешки» в этом помогает).
Однако для применения ТРИЗ в науке необходимо внести в этот метод некоторые дополнения, в том числе и новые принципы, например, изменение отношения объема к поверхности. Так, масса блинов и булочек примерно одинаковая. Однако в линейных коллайдерах сталкиваются именно «блины», что позволяет уменьшить поле вокруг пучков. Этот же принцип используется для охлаждения волоконных лазеров — он дает возможность повысить мощность, эффективность и частоту повторения импульсов. Этот изобретательский принцип подсмотрен у природы. Например, кошка варьирует отношение поверхности к объему (растягивается на полу «в ниточку» или сворачивается клубком) и в зависимости от этого может охлаждаться лучше.
«Зачем мы это делаем? На самом деле, достаточно трудно преподавать ТРИЗ в научных университетах, обычно студенты относятся к ней очень критично, думают, зачем мне какие-то формулы, таблицы, я самый умный, изобрету всё без всяких подсказок. Hо ТРИЗ на самом деле помогает, — говорит исследователь. — Чтобы вовлечь их в изучение этого метода изобретательства, лучше всего его немного поломать и затем попытаться пересобрать и построить заново».
Затем лектор вернулся к будущему коллайдеров. Предполагается, что следующим после БАК будет линейный электрон-позитронный коллайдер. Такая установка, в 30 км длиной, уже разработана (скорее всего, она будет построена в Японии), пока проект находится на рассмотрении. Кроме того, электрон-позитронные коллайдеры, возможно, появятся в Китае и в Швейцарии (под Женевским озером). Сам же БАК до 2037 года должен набрать в 100 раз больше статистики и в 10 раз больше разрешения. «Я думаю, к 2030 году точно будет открыта недостающая часть физики стандартной модели», — говорит Андрей Серый.
Диана Хомякова
Фото Антона Горковенко, Фотоклуб НГУ
