Текст книги "Инженерная эвристика"

Интуиция на пороге сознательного и бессознательного

Стимулировать «бессознательное» можно и необходимо вполне осознанно. Именно так рождаются не только совершенные инженерные идеи, но красивые произведения искусства.

Великий наш соотечественник, философ, ученый-палеонтолог и фантаст Иван Антонович Ефремов приоткрыл как-то раз один из приёмов писательского мастерства. Приведём фрагмент давнего интервью:

«– А теперь, Иван Антонович, два последних традиционных вопроса. Первый: ваше увлечение в свободное время?

– Дело в том, что у меня нет свободного времени.

– Нельзя так отвечать, это запрещенный прием.

– Ну хорошо, но тогда не увлечение, а так, мелкая страстишка. “Собирание красавиц”, как шутя называют у нас в семье. Когда нужно было иллюстрировать “Туманность Андромеды”, оказалось, что художники не умеют рисовать красивых женщин, разучились… Я стал вырезать из разных журналов фотографии, чтобы дать художникам материал. И вот у меня теперь несколько папок портретов красавиц, с которыми я не знаю, что делать…

– И последний вопрос. Над чем вы сейчас работаете?

– Я почти закончил историческую повесть из времен Александра Македонского.

– Как называется повесть?

– Название пока условное – “Легенда о Таис”» (Страна фантазия // Газета «Гудок», 24.11.1970, № 275 (13768)).

Речь о последнем знаменитом романе Ивана Ефремова «Таис Афинская», основанном на философии красоты. «Мелкая страстишка» на деле оказалась хорошим подспорьем.

Кстати из тех же соображений мы советуем участникам проводимых нами семинаров и тренингов собирать в отдельную тетрадь самые красивые с их точки зрения решения, самые оригинальные вопросы – на интеллектуальных состязаниях, формируя копошением «картинок» свежие мысли. Это ваш золотой фонд!

Историю авиации отсчитывают с 17 декабря 1903 года, когда братья Орвил и Уилбур Райты впервые поднялись в воздух на сконструированном ими аэроплане. В 1951 году американец Френсис Мелвин Рогалло получил патент на изобретение – «змей Рогалло», которое в дальнейшем привело к рождению дельтаплана и целого направления среди экстремальных видов спорта. А в январе 2004 года знаменитый итальянский путешественник, чемпион по свободному полёту Анджело д'Арриго, поднялся в воздух на «Пёрышке» – летательной конструкции воссозданной в точности по чертежам великого Леонардо да Винчи.

«…Мне приходит в голову как будто очень раннее воспоминание. Я лежал в колыбели, прилетел ко мне коршун, открыл мне своим хвостом рот и много раз коснулся хвостом моих губ», – это запись из дневников самого Леонардо да Винчи.

Трудно себе вообразить, что такое могло произойти в действительности. Но это как раз то бессознательное – грёза о возможности покорения воздушного пространства! Было ли оно откликом психики после напряженного и осмысленного поиска решения взрослым Леонардо, или, напротив, как божественное знамение – чудо, вдохновило мальчика на поиск?

Среди многочисленных эскизов и зарисовок гениального художника и инженера можно найти изображения птичьих крыльев. Леонардо оставил нам не менее 7 000 страниц рукописей (большинство из них зашифровано[46]46
  Писал левой рукой, справа налево, и прочесть его записки можно было, только вооружившись зеркалом. Среди прогнозов да Винчи находим: «Люди будут разговаривать друг с другом из самых отдалённых стран и друг другу отвечать, как будто находясь рядом», или «люди будут ходить, не двигаясь, смогут говорить с тем, кого нет, слышать того, кто безмолвствует». А на чертеже первого летательного аппарата Леонардо да Винчи написал пророчески: «Человек вырастит себе крылья».


[Закрыть]), и сотни из них испещрены заметками о воздухе, о ветре, о строении крыльев, о поведении пернатых в ту или иную погоду:

«Птица – действующий по математическим законам инструмент, сделать который в человеческой власти. Чтобы дать истинную науку о движении птиц в воздухе, необходимо дать сначала науку о ветре», – утверждал учёный и проводил «анатомирование крыльев птицы вместе с мускулами груди, движущими их», но приходил к выводу, что «хотя человеческая искусность способна многое изобрести, но всё же она никогда не создаст предмет более прекрасный, простой и правильный, чем создаёт природа. Потому что в её изобретениях нет ничего лишнего, ничего недостающего, ничего нельзя прибавить, ничего отнять».

Анджело д'Арриго, кстати, был и неплохим орнитологом, но изучал птиц в освоенном ими пространстве – прямо в небе, часами сопровождая перелётные стаи. Однажды ему удалось пролететь над Эверестом, высочайшей вершиной мира. Дельтапланерист специально выращивал кондоров, изучал их повадки и особенности поведения в воздухе.

Записи о возможности воздухоплавания прослеживаются в работах Леонардо да Винчи на протяжении доброй четверти века. Инженерная мысль эволюционировала. И хотя большинство из этого наследия издано только в конце 1930-х, когда уже независимо осуществилась масса его гениальных предвидений, сама одержимость идеей полёта на рубеже XV и XVI столетий и её воплощение в виде конструкций впечатляют по сей день.

В музее изобретений Леонардо в городке Винчи можно найти «воздушный винт» – прототип современного вертолёта, «орнитоптер» – летательный аппарат с машущими крыльями и пружинным двигателем – точные копии разработок 1480-1490-х годов. Автор предусматривал и выдвижное шасси, и поворотное хвостовое оперение, и фюзеляж в виде лодки, он хотел попробовать использовать силу не только рук, но и силу ног человека, для запуска в небо использовать гигантский лук, а для эвакуации из поднебесья гениальный инженер первым додумался до пирамидального парашюта.

В своё время на ТВЦ мы планировали запустить цикл передач, чтобы стимулировать техническое творчество молодёжи. Первая была бы о Леонардо. Но по разным причинам проект не состоялся, и даже работу над пилотными выпусками руководство телеканала под разными предлогами свернуло («зажав» смешную по меркам этой индустрии согласованную в договорном порядке сумму). Но при сборе материала нам на глаза попались сюжеты английского телевидения 2002 года, когда специально были реконструированы и опробованы в действии многие придумки средневекового инженера. Бюджет англичан исчислялся суммой в 1 миллион фунтов стерлингов.

Среди конструкций был аппарат, воспроизводящий скелет птицы. Изготовили его тогда в полном соответствии с методикой, указанной в ранних записках Леонардо да Винчи: из тростника, тополя, льняной ткани и сухожилий животных. Чемпионка мира по дельтапланеризму Джуди Лиден опробовала крылья да Винчи на холмах графства Суррей. На двадцатой попытке она сумела подняться в воздух на высоту 10 метров и удержаться в полёте 17 секунд. Разочарованная спортсменка сетовала: «Управлять крыльями было почти невозможно, летела куда и ветер».

Но то, что она постигла опытным путём, понято разработчиком ещё в 1505 году, когда в трактате «О летании птиц» Леонардо да Винчи сумел сформулировать принцип аэродинамического способа управления полётом (изменение положения центра давления относительно центра тяжести) и дошёл до идеи необходимости низкого расположения центра тяжести для улучшения устойчивости. Он отметил, что любое тело испытывает сопротивление среды, в которой движется, а подъёмная сила крыла пропорциональна величине угла, под которым оно при движении находится к потоку воздуха. Инженерная интуиция (вряд ли изобретатель ставил эксперимент) подсказывала, что у человека не хватит сил удержать себя в воздухе взмахами крыльев.

И тогда Леонардо да Винчи делает эскиз неподвижных крыльев, соединённых с остовом летательного аппарата – без рычагов. Изобретатель приходит к выводу, что не человек должен крыльями отталкивать воздух, а ветер должен ударять в крылья и нести их в воздухе, так несёт он по волнам парусник: «Не нужно много силы, чтобы поддерживать себя и балансировать на своих крыльях и направлять их на путь ветров и управлять своим курсом, для этого достаточно небольших движений крыльями» – суть инженерной идеи Леонардо да Винчи.

В 1996 году были найдены считавшиеся уже потерянными две рукописи Леонардо, известные как «Мадридский кодекс». На их полях одной из них учёные обнаружили сделанный Леонардо набросок ещё одного летательного аппарата…

«Впервые я взял в руки фолианты работ Леонардо да Винчи в его музее, – вспоминал Анжело д'Арриго. – Начал листать пергаментные страницы с рисунками и в углу увидел маленький набросок человека с очень знакомой конструкцией – летающим крылом. Я начал его прорабатывать, узел за узлом, начал делать расчеты и меня как молнией пронзило – Леонардо действительно был гением! Но у него не было нужных материалов, и только поэтому аппарат летать не мог».

Воссозданию конструкции способствовал и директор «Музея изобретений Леонардо» профессор Алессандро Веццози. Вместе с д'Арриго они учли неудачный опыт Джуди Лиден 2002 года и заменили все средневековые материалы на современные – вместо льна взяли синтетическую ткань «дакрон», а вместо тростника и дерева – алюминиевые трубки. Минуло два года расчётов и испытаний, прежде чем д'Арриго поднялся на «крыле Леонардо»[47]47
  По форме аппарат – трапеция, напоминающая раскрытые крылья, придуманные специалистами американского космического агентства НАСА в 1960-х годах для плавного возвращения с орбиты капсул «Джемини». Размах крыльев аппарата, по точным указаниям гения эпохи Возрождения, составил 7.51 м, высота – 3.9 метра.


[Закрыть] в воздух и непрерывно находился в небе два часа (при скорости воздушного потока 35 км/ч).

«Я понял, что доказал правоту великого ученого, – признался испытатель после полёта в январе 2004 года. – Я и не ожидал, что всё так получится, что мы действительно сделаем летательный аппарат по чертежам Леонардо да Винчи. Ведь всякое могло быть, математика любит пошутить. Но крыло оказалось действительно рабочим. И когда я «взлетел» на аппарате, придуманном 500 лет назад, то был просто потрясён! Возможно, если бы у Леонардо были необходимые материалы, мы бы отмечали не сто, а пятисотлетие первого полёта аппарата тяжелее воздуха».

Анжело д'Арриго (1961–2006) погиб во время аварии двухместного легкомоторного самолёта Sky Arrow 650 TNT, за штурвалом находился его друг, бывший пилот F-104, генерал в отставке.

Согласно легенде, Леонардо да Винчи (1452–1519) прошептал, умирая: «Если что-нибудь из мной написанного будет сделано, скажите мне». Наверное, гениальный инженер догадывался, как это сделать?[48]48
  Сто лет спустя Фрэнсис Бэкон (1561–1626) справедливо сообщал в романе «Новая Атлантида»: «…Мы знаем свойства и пропорции, необходимые для полёта по воздуху, наподобие крылатых животных». Но это уже было, как говорится, изобретение велосипеда.


[Закрыть]

И всё же он прожил жизнь счастливо, а ведь страшно подумать, что иной взлёт гения современники принимали за объективную глупость!

3. Универсализация знаний. Междисциплинарный диалог

Физиология вопроса. Асимметрия мозга

«В мире царствует относительная симметрия. Она лежит в основе и нашего восприятия красоты. Природная симметрия тесно связана с действием земной гравитации. Человек в своём анатомическом строении тоже обладает определённой симметрией, это относится и к головному мозгу, состоящему из левого и правого полушарий. Однако анатомическая симметрия мозга отнюдь не сочетается с функциональной…» (Воробьёв, 1989, С. 57–58).

Как мы отмечали ранее, человек ушёл в отрыв от остального животного мира не только по количеству извилин. Серьёзным ноу-хау «Творца» стало как раз разделение функций полушарий, причём с широкой «автономией» каждого из них.

Английский исследователь Тимоти Кроу предположил, что именно асимметрия мозга, то есть несимметричность функций правого и левого полушарий, способствовала появлению речи[49]49
  Crow T. A Darwinian Approach to the Origins of Psychosis // British Journal of Psichiatry (167), 1995; Crow T. Is schizophrenia the price that Homo sapiens pays for language? // Schizophrenia Research, (28) 1997. Эти статьи легко отыскать в сети Интернет.


[Закрыть]. Кроу исходит из того, что асимметрия полушарий есть результат генетической мутации. Она способствовала резкому росту мощи мозга, но, одновременно заложила основы серьёзных психических осложнений. Многие люди и по сей день не справляются с управлением асимметричным мозгом. Интеллектуальный локомотив, бывает, съезжает с пути. Происходит своеобразная неврогенная катастрофа. Одна из статей Кроу так и называлась «Is schizophrenia the price that Homo sapiens pays for language?», то есть «Шизофрения – цена, которую homo sapiens платит за речь?»

Но если научиться работать правым и левым полушариями синхронно, вы не только используете генетический потенциал мозга, но и в значительной степени защитите себя от расщепления сознания, характерного для шизофрении.

Впрочем, ещё ранее опытным путём было выявлено, что левое полушарие отвечает за абстрактное мышление, речь, письмо, логику суждения. Правое полушарие – за образное, чувственное, эмоциональное восприятие. Разумеется, и в каждом из них есть свои зоны ответственности. Ещё в 40-х годах прошлого века Александр Романович Лурия заложил основы нейропсихологии в результате исследований мозговых механизмов у больных с локальными поражениями мозга. На выборке солдат Красной Армии, получивших ранения в голову, наш учёный собрал богатый экспериментальный материал и доказал, что высшие психические функции имеют структуру функциональных систем – одна функция имеет несколько локализаций в разных частях мозга. Причём сделал он это безо всякого томографа.

И лишь сравнительно недавно, в 2010–2011 гг., американские учёные под руководством профессора неврологии Университета Иллинойса Арона Барби провели компьютерное томографическое исследование мозга ветеранов Вьетнамской войны, имевших поражения головы, а потом и ряд тестов, фиксирующих когнитивные способности: «Томографические данные были соединены в трехмерную карту коры головного мозга. Исследователи обнаружили, что участки мозга, обеспечивающие планирование, самоконтроль и другие “управленческие” функции, в значительной степени пересекаются с участками, ответственными за общую умственную деятельность. Структуры мозга, ответственные за умственную деятельность, локализованы в передней левой части коры (за лбом), слева в височной коре (за ухом) и слева в теменной коре (в затылке), а также в “каналах” белого вещества, связывающих эти области. Таким образом, получено новое свидетельство того, что мышление не связано с каким-то одним определенным участком мозга, но и не распределено по всему могу равномерно… Оно определяется совместной, скоординированной работой ряда специфических участков мозга»[50]50
  An integrative architecture for general intelligence and executive function revealed by lesion mapping / A.K. Barbey, R. Colom, J. Solomon, F. Krueger, C. Forbes, J. Grafman / Brain, 2012; DOI: 10.1093/brain/aws021.


[Закрыть]. Причём участки, ответственные за собственно ум, отделены от тех, что обеспечивают наши физиологические функции и потребности. Данные опубликованы 6 марта 2012 года в Оксфордском журнале неврологии «Brain».

Математика – это язык

«Лучшим тренером для развития обоих полушарий оказывается математика. Несколько упрощая, одним полушарием человек постигает алгебру, другим – геометрию. Или, скажем, если топологические “картинки” лучше изучаются одним полушарием, то Булева алгебра – другим. А вот чтобы “пробить” аналитическую геометрию или тензорный анализ, нужна уже совместная работа обоих полушарий. Математика – один из немногих учителей, способных научить полушария мозга работать вместе, как единое целое» (Латыпов, 2009).

ВОПРОС № 20

Как измерить обычной длинной линейкой диагональ кирпича, не прибегая к вычислениям по теореме Пифагора? Решите задачу двумя способами.

Математика возникла в античном мире как способ упорядочения всех накопленных к тому времени приёмов размышлений. Она даёт каждому, кто удосужится погрузиться в её основы, громадный набор не только готовых способов думания, но и приёмов дальнейшего упорядочения всех собственных находок. То есть именно математика – главный инструмент борьбы с энтропией (мерой хаоса) сознания.

«Выдающийся отечественный философ Эвальд Васильевич Ильенков установил: в мозгу человека практически нет встроенных структур с конкретными рефлексами и навыками поведения. Зато необычайно – куда лучше, чем у большинства прочих животных – развита способность к установлению взаимосвязей между малейшими крупицами накапливаемого опыта. С твёрдой уверенностью можно заявить, что математика – дизайнер мысли» (Латыпов, 2009).

Рассказывают, что великий физик Гиббс был весьма замкнутым человеком и на заседаниях ученого совета университета, в котором он преподавал, пребывал в молчании. Но когда решался вопрос о том, чему уделять в новых учебных программах больше места – математике или изучению иностранных языков, он не выдержал и произнес речь: «Математика – это язык!» – сказал он.

Так вот, математика – это универсальный искусственный язык естественнонаучных дисциплин.

Не первый год и даже десятилетие обсуждается возможность универсализации теоретических знаний и как следствие – возможность их трансляции из одних областей науки в другие. Замечено также, что люди, владеющие несколькими языками или осмысленно развивающие свой родной, проявляют значительно более высокие способности к творчеству. Полиглоты способны воспринимать во всём богатстве разные культуры, а обладатель универсального искусственного языка – удалённые друг от друга на первый взгляд отрасли знания.

«Решение проблем универсализации и стандартизации способно изменить в корне взгляд на науку, на само знание, разработать системы поддержки научных исследований, достичь лучшего взаимопонимания между специалистами узких областей, что, приведёт к множеству новых открытий.

Несомненно, специализация есть очевидное общественное благо. В сегодняшнем мире узких специалистов это аксиома, не требующая доказательств. Времена великого Леонардо да Винчи, времена великих ученых-энциклопедистов, как представляется, ушли в прошлое навсегда. И, тем не менее, крупнейшие открытия делаются именно на стыке различных дисциплин. Удивительнейшие изобретения представляют собой следствие соединения, как казалось, несоединимого. Так ушла ли, действительно, навсегда универсальность мыслителей? И возможна ли сегодня “тотальная” универсализация знаний?

Сама постановка такого вопроса в нашем безумно разнообразном мире, поначалу, кажется не менее “безумной”. Но, может быть, все-таки, прав Нильс Бор, считавший что идея, чтобы быть верной, должна быть “достаточно безумной”?» (Ёлкин, Куликов и др., 2006).

Кстати, Альберт Эйнштейн высказался в том же ключе: «Здравый смысл – это сумма предубеждений, приобретенных до восемнадцатилетнего возраста». Мы же считаем, что хотя никакая инструкция не заменит здравый смысл, нередко изобретения лежат в той области, куда можно попасть, только перешагнув через них обоих – и здравый смысл, и инструкцию.

Что характерно, приблизительно в одно и то же время – середина 1980-х годов – все три автора этой книги обратились к возможностям математики как универсального языка науки и, соответственно, к математизации междисциплинарных знаний, включая философию (Латыпов, 1986).

Пожалуй, первым из европейцев, в полной мере оценившим универсализм математики, был гениальный английский естествоиспытатель, францисканский монах Роджер Бэкон (около 1214 – после 1292). В том, что он был гением, нет никаких сомнений. Например, в работе «Epistola fratris Rogerii Baconis de secretis operibus artis et naturae, et de nullitate magiae» – Бэкон уже рассуждает о способах технического использования различных явлений природы для создания в будущем полезных человеку механизмов и приспособлений. Он предсказывает создание домкратов, подводных лодок, летательных аппаратов, механических «колесниц», безопорных мостов, телескопа и микроскопа[51]51
  Изобретателем микроскопа считают голландца, очковых дел мастера Ханса Янсена, который застал своего пятилетнего сына Захария в 1590 году за игрой. Мальчишка стащил линзы для очков и, вставив с обоих концов в полую трубку, забавлялся увеличенным многократно миром. Захарий Янсен впоследствии изобрёл телескоп. Впрочем, такую же легенду складывают и о другом голландце, Иоганне Липперсгее (ум. 1616), который делит с Янсенами славу изобретателя.


[Закрыть], астролябии, а также лазерного оружия, пользуется разработанными собственноручно очками. Зашифровывает в виде анаграммы состав независимо открытого им пороха, указывая на разные аспекты его военного применения. И это XIII век!

В своих разработках Бэкон, казалось бы, шёл против здравого смысла (с точки зрения современников), и даже пятнадцать лет провёл в заключении, но на века опередил других гениев, Парацельса и Леонардо да Винчи. За 300 лет до Коперника Роджер Бэкон подверг сомнению правильность геоцентризма Птолемея, доказывал, что Луна светит отражённым от Солнца светом, а Млечный Путь – это скопление звёзд, подобных дневному светилу, расположенных от Земли неимоверно далеко.

Бэкон привёл доказательства, что Земля по форме – шар на основании наблюдений за горизонтом во время плавания из Англии во Францию: линия горизонта представлялась ему дугой, но не прямой: «Опыт, – писал Роджер Бэкон, – один дает настоящее и окончательное решение вопроса; этого не могут сделать ни “авторитет” (который не дает “понимания”), ни отвлеченное доказательство. Полезно и необходимо изучать также математику, которую ошибочно считают наукой трудной, а иногда даже и подозрительной, потому что она имела несчастье быть неизвестной отцам церкви». С её помощью он хотел проверять данные всех остальных наук, и считал доступной каждому. Бэкон подразумевал, что есть действительный жизненный опыт и «опыт-доказательство, полученный через внешние чувства». Но наравне с опытом «материального» толка, он предлагал опираться и на духовный опыт, через «внутреннее озарение». Его идеи предвосхищают понимание значимости творческой интуиции и эвристических методов.

Затем уже «Г. Лейбниц уподобил процесс логического доказательства вычислительным операциям в математике. Вычисление суммы или разности чисел осуществляется на основе простых правил, принимающих во внимание только форму чисел, а не их смысл. Результат вычисления однозначно предопределяется этими не допускающими разночтения правилами, и его нельзя оспорить. Лейбниц попытался умозаключение преобразовать в вычисление по строгим правилам. Он верил, что если это удастся, то споры, обычные между философами по поводу того, что твердо доказано, а что нет, станут невозможными, как невозможны они между вычислителями. Вместо спора философы возьмут в руки перья и скажут: “Давайте посчитаем”. Примерно через два столетия аналогия между математическими и логическими операциями произвела переворот в нормальной логике и привела к современному этапу в развитии этой науки – математической логике» (Ивин, 1986, С. 62).

Но при всём формализме, как выяснилось впоследствии, математическая логика оказывалась одним из многочисленных отражений логики куда более универсальной – диалектической.