Рассылка ''Как делать открытия. Приемы решения научных задач''
http://subscribe.ru/catalog/science.natural.triz
Выпуск № 98. 14 ноября 2005 г.
Сайт ''Русловые процессы и ТРИЗ''
http://bedload.boom.ru ancondratyev@peterlink.ru

Здравствуйте, уважаемые друзья!

Прошу прощения за технический сбой. Высылаю правильный номер рассылки.

Предлагаю Вашему вниманию уникальный текст. Он представляет из себя историю открытия, популярно изложенную одним из главных авторов.

Уникальность и интерес для любителей открытий заключается в том, что в этом эссе  прослеживается путь от зародыша идеи открытия до широчайшего его развития в виде системы законов природы.

Надеюсь, это окажется для Вас интересным и полезным.

Скворцов Г.Е.

Великий созидатель

От удивительного факта к законам мироздания и новым технологиям

Изучение природы имеет перед собой высшую задачу: объединить многообразие явлений в единую систему. Физическая картина Мира, удовлетворяющая этому требованию, приобретёт неодолимую силу и завоюет всеобщее признание.

Макс Планк.

Созидающая роль физики в мировом развитии общества демонстрируется на указанной в заголовке цепочке, реализованной в ближайшее десятилетие. Представляется путь от обнаружения неустойчивости ударных волн к системе законов природы и основанном на них широком ряду эффективных технологий [1, 2].

Физика, будучи одним из столпов цивилизации, является величайшим открывателем, то есть в ней фундаментальное соединяется с новым, неожиданным. Всё сделанное ею не описать в десятках томов; она окружает нас в быту, в обычном будильнике задействованы несколько законов физики, любая технология имеет в своей основе десятки законов. Открытие ядерной энергии (одного из законов) и её использование обеспечат потребности человечества навсегда.

Ни одно из творческих занятий человека не является столь увлекательным, как научный поиск, а физика – родоначальница наук о природе, кажется самой интересной.

1. Что же в ней такого привлекательного?  Ответить на этот вопрос и почувствовать, увлечься можно лишь познакомившись с чем-то поразительным, раскрыть эту загадку, восхититься, стать первым в мире обладателем нового знания, иногда бесценного. Всё это похоже на обычную любовь, но в стократ восхитительней и длительней.

История физики дала нам много примеров того, как удивительный факт перешёл в цепочку, а затем в лавину открытий. Как правило, первооткрыватели не представляли последствий своего удивительного факта и не видели гигантских результатов. Такие результаты получали следующие за ними открыватели двух и трёх поколений.

Напомним один из таких эпизодов, начавших вековую эпопею. Гальвани в конце XVIII века обнаружил судорожные движения лапок лягушек при действии вблизи них электрической искры, а затем и без искры при соединении нервов и мышц проволоками из разных металлов. По существу, автор стоял у истоков нескольких законов. Эти наблюдения развил Вольта и создал первый достаточно ёмкий источник тока (вольтов столб). Далее полтора века следовали открытия одно плодотворнее другого, которые создали окружающий нас мир электричества, радиосвязи, вычислительной техники на каждом рабочем столе.

Вторая эпопея – ядерная, открывается в самом конце XIX века после того как Беккерель обнаружил засветку фотопластинки, лежащей вблизи малой дозы ничем не примечательного радия. Далее этот факт возбудил интерес супругов Кюри, которые всю жизнь посвятили открытию и изучению радиоактивности. В итоге мы получили атомную энергетику, которая обеспечивает первостепенные нужды. О всеуничтожающих варварских средствах борьбы властей разных стран говорить не хотелось бы, это не дело физики.

2. Перейдём к главному. Чтобы воспринять привлекательность физики и приобрести интерес к этой самой увлекательной деятельности, проделаем путь рядом с открывателем длиной в тридцать ближайших лет. Эта эпопея будет изложена по необходимости кратко, но в полном масштабе и по обилию коллизий она не уступит объёму «Войны и мир».

Итак, в 1976 году остепенившийся специалист в области процессов сильной неравновесности (большие поля, высокие частоты, взрывные воздействия) обнаружит странное обстоятельство. Оно связано с ударными волнами (УВ), которые представляют собой скачки плотности, скорости, температуры и давления, возникающих при движении сред, например, газов, с скоростями большими скорости звука. Странность заключалась в том, что существующая теория описывает волну как регулярно изменяющуюся при сколь угодно большой скорости распространения её. Эксперимент, как правило, подтверждает регулярную картину. Такое согласие существовало лет тридцать и никого не смущало. Правда, были в опытах для больших скоростей УВ плохие картины – снимки сверхскоростной фотографии, но они относились за счёт неудачных условий опыта.

Специалиста вдруг не стало устраивать регулярная «благодать». Причина этого лежала не в физике, а в производной от неё обобщающей науке – философии. В основном её разделе – диалектике, великий Гегель двести лет назад открыл всеобщие законы. Один из них, широко известный, провозглашал непременный переход количества в качество. Эту общую формулировку Гегель сопроводил простым примером перехода воды в лёд или пар с изменением температуры. Регулярное без качественного изменения распространение УВ при любой скорости явно противоречит общему закону. Получается, что либо в законе имеются исключения (и тогда он не общий), либо явление имеет иной вид, чем представлялось.

Очевидное противоречие побудило к нелёгкому разрешению его с двух сторон. Как показало исследование, длившееся пять лет, закон в буквальном виде неверен, но и явление выглядит не так, как казалось. Недостаточность общей формулировки было установлено достаточно быстро на основе простой теории, которая указала необходимые ограничения. Попутно выяснилось, что Маркс, применяя этот закон к экономической системе, обнаружил отсутствие её качественного изменения при широкой мере финансового воздействия.

Заметим, что аналитик, вместе с которым идём по пути открытий, неплохо знал труды Гегеля и Маркса и считал, что фундаментальные законы физики при подходящей формулировке перейдут во всеобщие, то есть охватят химические, биологические и социально-экономические системы.

Раскрытие истинной картины поведения ударных волн при увеличении их скорости потребовало проведения широкомасштабного исследования. Энтузиасты из трёх ведущих центров по изучению УВ проделали сотни опытов на трёх различных установках для многих газов и разных условий. На баллистической трассе ФТИ, ударной трубе физического факультета МГУ и плазменной установке ИХФ, по сути были сделаны открытия. Для каждого газа и варианта условий были обнаружены неустойчивости ударных волн, определены их режимы, раскрыт физико-химический механизм явления. Общая картина поведения УВ с ростом скорости выглядела так: до некоторых определённых значений скорости своих, для каждого газа и условий, картина УВ была регулярной; при превышении границ волна становилась неустойчивой, разрушался её фронт, появлялись необычные линии излучения, хаотическое распределение плотности типа микровзрывов; дальнейшее увеличение скорости приводило к регулярному режиму до второй границы, за которой волна вновь становилась неустойчивой, и так далее до пределов возможного установки. Для СО₂ в ударной трубе было получено четыре интервала регулярности и четыре окна неустойчивости; предложенная теория предписывала восемь хорошо наблюдаемых интервалов.

3. Таким образом, противоречие было выяснено, но встал вопрос о том, какой закон описывает открытое явление в полной мере. Среди имеющихся законов такового не было. Обнаружение общего закона, охватывающего рассмотренный случай ударных волн, а также все прочие виды воздействий на системы разного рода потребовало лет пять. Установленный закон «потребовал» необходимого окружения, то есть дополнительных законов. Так родился класс законов реакции. Он выглядит следующим образом: была выбрана мера действия (закон меры действия), и в зависимости от её величины предписано регулярное поведение системы, линейное (закон малого воздействия) и нелинейное (закон умеренного воздействия), отражено противодействие системы (закон обратной связи); при достижении мерой действия значения, близкого к единице, поведение системы качественно меняется, что отражает закон границы качества, далее за границей качества устанавливается аномальное поведение системы (закон аномальности), при увеличении воздействия система, изменившая качество, демонстрирует регулярное поведение подобное двум первым фазам, указанным выше, вплоть до второй границы качества, что фиксирует закон чередования режимов; дальнейшее увеличение после ряда смен режимов приводит к полному разрушению системы (закон разрушения).

Полученный класс законов реакции стал регулярно применяться к всевозможным физическим и химическим системам, и к моменту опубликования законов в 1990 году были указаны сотни возможных эффектов и устройств, основанных на них. Несколько устройств были сделаны в ближайшие годы, среди них лазер на красителе в 20 раз более мощный первоначального образца, который не претерпел конструктивных изменений, мощный источник ультрафиолетового излучения с узкой линией в широком диапазоне УФ на основе серийной лампы. Эти устройства позволили осуществлять белый рез биополимеров, стерилизацию различных жидкостей, ускорение сбраживания и другие эффективные операции.

Вопрос применения законов реакции к биологическим системам помогли решить, не ведая об этом, три медико-биолога: Гаркави, Уколова и Квакина из Ростовского НИИ. Их исследования общих адаптивных реакций при воздействии на животных магнитного и электрического поля, всевозможных препаратов и механических факторов выявили чрезвычайно интересную картину [3]. Она заключалась в том, что увеличение воздействий приводило к изменениям организма, имеющим чередующийся характер. При этом были выделены четыре основных режима и серии, в которых они повторялись. Авторами эти режимы были названы – тренировка, активация, стресс, ареактивность. Были обнаружены особые приспособительные свойства организмов в этих режимах: тренировка давала умеренную «закалку», активация приводила к излечению, стресс ухудшал состояние, ареактивность давала нейтральную реакцию. Были разработаны методики эффективного лечения на основе этих результатов. Всего в ходе опытов было обнаружено более десяти серий, включающих эти четыре режима, что означает, по сути, наличие лестницы здоровья (или нездоровья в случае стресса). Эти результаты в точности соответствуют предписаниям законов реакции. Можно безмерно удивляться, что распространение ударных волн высокой интенсивности в точности воспроизводит картину реакции живого организма (или наоборот), но это является следствием общих законов.

4. Как только законы реакции были распространены на биологию и химию, естественно появилось стремление придать им всеобщий характер, на их основе предсказывать возможные новые эффекты для систем естествознания, предлагать новые технологии. Такие задачи были частично решены в десятке публикаций 1996-2000 годов в «Журнале технической физики» [4, 5]. При формировании класса законов реакции естественным образом встал вопрос о системе законов физики и всего естествознания. Просмотр имеющихся законов физики выявил их нерегулярное множество, они не составляли системы, а система – мощный источник получения новых полезных результатов. Началось построение системы законов естествознания возможно более полной и конструктивной.

Движение в этом направлении выявило возможность предоставить для обучения хорошо организованную систему знаний, прежде всего, системно построенную физику. Она включила в себя шесть функциональных разделов: объекты и общие положения, законы, принципы, методы, основные проблемы. Такую же полезную конструкцию можно было рекомендовать для математики и других дисциплин.

Построение системы законов естествознания с учётом полноты привело к формированию десяти классов законов, упорядоченных естественным образом: законов сохранения, взаимодействия, структурно-системных, причинно-следственных, законов реакции, динамики, статистических, законов эволюции, подобия и законов взаимодействия сложных систем. В каждом из классов оказалось около десятка законов; пример законов реакции был дан выше.

Существенным шагом стало применение системы законов для формирования созидающего образования. Оно составлялось, исходя из наилучших свойств образования, и включало три поля знаний: ядро знаний, поле развития, поле творчества. В качестве ядра знаний было использована учебная версия системы законов естествознания, а два других поля строятся на нём и служат для развития знаний учащихся и творческого их освоения. Концепция созидающего образования была реализована в виде технологии обучения математике и физике и апробирована на учащихся разного уровня, от седьмого класса до доцентов университета. Такая технология позволяет обучать проще, интересней, быстрее и с лучшим качеством усвоения.

Введение созидающего образования способствует переходу на новый уровень, соответствующий информационной эпохе, развивает творческий потенциал, даёт возможность человеку реализовать свои способности и чувствовать себя счастливым.

5. Предлагаемая система законов служит источником множества новых эффектов и технологий; ряд их указан в [4, 5]. Любой читатель данной статьи может взять интересную для него область знаний и применить систему законов, приведённую в [1], с целью получить новое понимание ранее известного, новые результаты, технологические предложения, решения ряда новых задач и другие полезные плоды. В книге [1] содержится много примеров такого рода из разных областей знаний. Например, закон соответствий структур и полей естественным образом указывает на существование биополя, закон аномального гистерезиса даёт основу для определения режимов двигателей типа второго рода (реализация таких устройств защищена двумя авторскими свидетельствами).

Закон чередования режимов в силу своей общности применяется к социально-экономическим системам, объясняет циклы Кондратьева и краткосрочные, позволяет предсказать кризисы в экономических системах. Подобное предсказание проверено на данных по кризису 1929 года. Несомненна перспективность применения системы законов к всевозможным областям, проблемам и задачам.

Литература

1.   Скворцов Г.Е. Система законов природы.  – СПб., 2004.

2.   Скворцов Г.Е. Картина мира природы. – СПб., 2003.

3.   Гаркави Л.Х., Квакина Е.Б., Уколова М.А. Адаптационные реакции организма. – Ростов на Дону, 1992.

4.   Скворцов Г.Е. Ж.Тех.Физ.  1999. Т. 69. В. 10. С. 1-6.

5.   Скворцов Г.Е. Письма в ЖТФ. 1999. Т.25. В.7. С. 57.

Дорогие друзья, буду рад Вашем откликам. Наиболее интересные передам Генриху Евгеньевичу для ответа.

В письмах, пожалуйста, используйте информативный Subj (чтобы не ушло в корзину со спамом), а также указывайте - "в рассылку" или "ни в коем случае не в рассылку"

Уважаемые открыватели!
Желаю Вам счастью!
Ведущий - Александр Кондратьев  ancondratyev@peterlink.ru

Рассылка ''Как делать открытия. Приемы решения научных задач''
http://subscribe.ru/catalog/science.natural.triz
Выпуск № 98. 14 ноября 2005 г.
Сайт ''Русловые процессы и ТРИЗ'' http://bedload.boom.ru

АРХИВ рассылки ''Как делать открытия''