Благодаря изобретению и развитию различных ускорительных технологий энергия элементарных частиц, достигаемая в современных ускорителях, резко возросла в течение последних десятилетий. Однако ученые уже сегодня обеспокоены возможностями дальнейшего прогресса в этой области. Андрей Серый, директор Института Джона Адамса (Великобритания), профессор Оксфордского университета, задается вопросами: можем ли мы подходить к решению этой проблемы более эффективно? И реально ли направлять изобретательский процесс при разработке будущих крупномасштабных ускорительных проектов с помощью рационализаторской методологии, используемой в инженерии?

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом –

Вселенная, где сто планет;

Там – все, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

Мир электрона

(Валерий Брюсов, 1920)

Слева: Джон Адамс, британский физик-ускорительщик, генеральный директор Церна (1960—1061 г.); В центре: Герш Ицкович (Андрей Михайлович) Будкер, советский физик, основатель и первый директор ИЯФ СО РАН; Справа: Генрих Саулович Альтшуллер, автор теории решения изобретательских задач (ТРИЗ)

Ускорительные наука и технология демонстрируют богатую историю изобретений, охватывающую к настоящему времени почти столетие. Эта увлекательная цепь событий, прекрасно изложенная в книге «Engines of Discovery: A Century of Particle Accelerators» (авторы A. Sessler и T. Wilson), компактно представлена в виде так называемого графика Ливингстона, где уровень эквивалентной энергии ускоренного пучка частиц является функцией времени. График наглядно иллюстрирует, что в течение многих десятилетий уровень эквивалентной энергии ускоренного пучка частиц экспоненциально возрастал, а новые продвинутые технологии вытесняли устаревшие, полностью выработавшие свой потенциал. Последние десятилетия тоже были богаты на изобретения, примеры которых включают в себя концепцию фотонного коллайдера (которая пока находится еще на стадии идеи) концепцию коллайдера с «крабовидным фокусом» (проверенная экспериментально на накопителе элементарных частиц DAFNE в Италии), а также интегрируемая оптика для накопителей, проверка которой планируется на ускорителе IOTA в Фермилабе.

График Ливингстона

Существует, однако, несмотря на все эти недавние открытия и изобретения, причина для беспокойства относительно прогнозов на будущее. Дело в том, что три последние десятилетия, когда были построены Тэватрон и Большой адронный коллайдер (БАК), характеризуются гораздо более медленным темпом роста энергии самых мощных ускорителей. Это может быть признаком того, что ныне существующие технологии ускорения частиц достигли пика в своем развитии, и что дальнейший прогресс будет требовать создания принципиально новых ускорительных устройств – более компактных и экономичных. И хотя сегодня уже существует несколько новых методов ускорения (например, на лазерной или плазменной основе), которые, возможно, вернут кривую энергии на графике Ливингстона на путь экспоненциального роста, тем не менее, вдохновляясь прошлыми успехами и мечтая о будущем, мы имеем право поставить вопрос: как можно изобретать еще более эффективно?

Давайте вспомним некоторые факты из биографии двух выдающихся ученых-ускорительщиков. Один из них – Джон Адамс, который в 1950-е годы сыграл ключевую роль в воплощении смелого решения отменить уже утвержденный проект слабофокусирующего ускорителя на 10 ГэВ ради создания полностью новаторской машины – протонного синхротрона на 25 ГэВ на основе сильной фокусировки для ЦЕРНа. Другой – А.М. Будкер, основатель и первый директор новосибирского Института ядерной физики, автор многих инноваций в области ускорительной физики, таких как электронное охлаждение. В нашем контексте важно то, что обоих ученых отличало уникальное сочетание научных и инженерных способностей (Лев Ландау даже как-то назвал Будкера «релятивистским инженером»). Это сочетание примечательно тем, что искусство изобретательства, которое я собираюсь обсудить, пришло в науку именно из инженерии.

Наверное, все знают о таких подходах к решению проблем, как мозговой штурм или его улучшенная версия – синектика. Кстати, одним из ее методов является использование описания проблемы языком сказок или легенд. Но в то же время весьма возможно, что большинство работающих в науке людей никогда не слышали об изобретательских методиках, широко используемых в промышленности инженерами. И это неведение воистину удивительно. Оно широко распространено в западных лабораториях. В России про метод ТРИЗ многие слышали, но почти никто, тем не менее, его не применяет в исследовательской работе.

Одним из таких подходов является ТРИЗ – Теория Решения Изобретательских Задач, разработанная в СССР в середине прошлого века Генрихом Альтшуллером, работавшим в начале своего жизненного пути в патентном бюро. Начиная с 1946 г. он проанализировал многие тысячи патентов, пытаясь выявить ключевые моменты, которые делают патент успешным. Основные алгоритмы ТРИЗ он сформулировал в 1956—1985 гг., а потом развивал их вместе с командой единомышленников. +

Постепенно эта теория стала одним из самых мощных инструментов развития в индустриальном мире. Ярким примером этого служит статья «Российские "мозги" Samsung: как россияне помогли этой компании стать лидером в информационных технологиях» известного обозревателя-аналитика журнала Forbes Гайдна Шонесси, опубликованная 18 марта 2013 г. По словам Шонесси, именно ТРИЗ «стала основой инноваций в Samsung», и что «знание ТРИЗ в настоящее время является обязательным требованием к претенденту, желающему делать карьеру в этой компании».

Методология изобретательства

Авторы ТРИЗ сформулировали следующие четыре «краеугольных камня» этого метода:

• В различных отраслях промышленности возникают одни и те же проблемы, и те же самые решения для них находятся снова и снова.

• Существует определенный путь технологического развития для всех отраслей промышленности.

• Инновационные патенты (составляющие около четверти от общего числа патентов) используют научные и инженерные теории, взятые за пределами своей области знания.

• Инновационный патент раскрывает и разрешает противоречия.

Команда Альтшуллера также разработала подробную методологию, которая использует таблицу типичных противоречий и удивительно универсальную таблицу из 40-ка изобретательских принципов. Основной метод ТРИЗ состоит в выявлении в технической задаче пары противоречащих параметров. После чего инженер, используя таблицы ТРИЗ, сразу же получает небольшой список изобретательских принципов, подходящих для решения этой задачи. Ограничение числа вариантов, которые нужно перебрать, приводит к более быстрому решению проблемы.

Учебники по ТРИЗ часто ссылаются на изобретения камеры Чарльза Вильсона (1911 г.) и пузырьковой камеры Дональда Глейзера (1952 г.) в качестве примера системы и антисистемы, используя терминологию ТРИЗ. Суть в том, что камера Вильсона работает по принципу появления капелек жидкости в газе, в то время как пузырьковая камера использует пузырьки газа, возникающие в жидкости. Если бы при создании этих устройств был применен изобретательский принцип «система – антисистема», то пузырьковая камера была бы изобретена сразу же после создания камеры Вильсона, а не через полвека, как это произошло в реальности.

Схематическое изображение треков частиц в камере Вильсона и камере Глейзера как пример системы и антисистемы

Другой изобретательский принцип ТРИЗ – принцип «матрешки» – встречается не только в технике, но и во многих других областях, включая физические и естественные науки и даже филологию – всем известный «Дом, который построил Джек» из британских «Сказок Матушки Гусыни», а также процитированное в эпиграфе стихотворение Валерия Брюсова, где электрон описывается как планета в мире связанных элементарных частиц, иллюстрируют этот принцип. Захватывающим примером научной «матрешки» является структура детектора для физики высоких энергий, где много различных субдетекторов вставлены друг в друга для повышения точности обнаружения неуловимых частиц. Такие детекторы используются, чтобы определить, есть ли на самом деле внутри электрона свой «мир» – круг замкнулся!

Многослойный детектор частиц как пример принципа матрешки

Методы ТРИЗ могут быть применены и в ускорительной науке. Например, двойной нейтральный антисоленоид в точке взаимодействия пучков коллайдера или ЯМР-сканер иллюстрируют сразу два изобретательских принципа – «матрешка» и «система-антисистема». В антисоленоиде два соленоида противоположной полярности вставлены друг в друга таким образом, что весь магнитный поток сосредотачивается между ними, а снаружи силовое поле практически отсутствует, то есть во внешнем поле на него сила не действует. Этот прием в ЯМР практически снимает проблему магнитного экранирования, а в коллайдере снижает интерференцию с главным соленоидом детектора.

Примечательно, что эту же комбинацию изобретательских принципов можно найти в методике STED-микроскопии (флуоресцентной микроскопии на основе подавления спонтанного излучения), авторы который были награждены в 2014 г. Нобелевской премией по химии. А иллюстрацией изобретения по принципу ТРИЗ, известному как принцип «заранее подложенной подушки», может служить финальная фокусирующая система в ускорителе с «нелокальной коррекцией хроматизма».

В то время как многие из изобретательских принципов ТРИЗ могут быть применены для решения проблем ускорительной науки непосредственно, было бы заманчиво добавить к ТРИЗ и изобретательские принципы, специфичные для ускорительной науки. Например, исходя из уравнений Максвелла, где интеграл по поверхности связан с интегралом по объему, добавить принцип изменения соотношения объема и площади поверхности объекта. Прекрасную иллюстрацию этого принципа можно увидеть в природе, когда обычная домашняя кошка в жару вытягивается, разворачивая свою «поверхность», а на холоде сворачивается клубком, уменьшая ее. Тот же принцип в ускорительной технологии демонстрируют, например, «плоские» встречные электрон-позитронные пучки или волоконные лазеры. Другой принцип изобретения, который можно привнести в ускорительную науку – использование неповреждаемых или уже «поврежденных» материалов (например, лазерной «нити» для диагностики ускорительного пучка, струи жидкой ртути в качестве мишени, плазменного ускорения, плазменного зеркала, и т.п.).

Вокруг простого соленоида существует заметное магнитное поле. Два соленоида противоположной полярности вставлены друг в друга таким образом, что весь магнитный поток сосредотачивается между ними, а снаружи силовое поле практически отсутствует, Изобретение такого двойного антисоленоида, могло быть сделано при использовании изобретательских принципов ТРИЗ, известных под названиями «матрешка» и «система-антисистема»

Итак, методы ТРИЗ, изначально разработанные только для инженерии, являются универсальными и могут быть применены в науке. Методология ТРИЗ – это еще один способ смотреть на мир. А в сочетании с наукой она превращается в еще более мощный метод. ТРИЗ особенно полезна для наведения мостов между принципиально различными научными дисциплинами, поэтому должна быть востребована образовательными и исследовательскими организациями, пытающимися сломать междисциплинарные барьеры.

И все-таки опыт показывает, что в научных отделах западных университетов ТРИЗ практически не изучается и не используется. Более того, неудачей заканчивались даже попытки ввести ТРИЗ в аспирантские спецкурсы. Во многих (даже в большинстве) таких случаев вероятная причина неудачи состоит в том, что аспирантам преподавалась каноническая версия ТРИЗ, как и инженерам в промышленных компаниях. По-видимому, в этом-то и состоит ошибка – ведь студенты, специализирующиеся в науке, объективно настроены скептически в отношении методов, которые чрезмерно, «шаг за шагом», регламентируют рабочий процесс. В самом деле, любой критически мыслящий ученый сразу бы подверг сомнению «каноническое число» 40 (принципов изобретения), а потом отметил бы, что выявление всего лишь пары противоречивых параметров является приближением «первого порядка», и т.д.

Приняв во внимание неудачи предшественников, следует, вероятно, выбрать другой, более приемлемый подход к курсу ТРИЗ для аспирантов. Вместо того, чтобы излагать готовую к употреблению методологию, лучше провести слушателей через сам процесс создания элементов ТРИЗ, предлагая анализировать различные новые изобретения и открытия из разных научных дисциплин, демонстрируя тем самым, что изобретательские принципы ТРИЗ могут быть эффективно применены в науке. В этом творческом процессе могут быть найдены дополнительные принципы изобретательской деятельности, которые больше подходят для научных дисциплин и которые, возможно, будут впоследствии добавлены к стандарту ТРИЗ. В своем недавно вышедшем учебнике я назвал это расширение теории «Ускоряющая науку ТРИЗ» (Accelerating Science TRIZ, УН-ТРИЗ), где слово «ускоряющая» теперь уже подчеркивает, что ТРИЗ может способствовать ускоренному развитию науки – любой, а не только ускорительной.

Многие из рассмотренных выше примеров «тризоподобных» изобретений в науке были сделаны без использования этих принципов, и я намеренно «провоцирую» читателя, подключая эти примеры к ТРИЗ постфактум. Тем не менее, естественно задаться вопросом: способны ли ТРИЗ и УН-ТРИЗ реально помочь, вдохновляя на новые научные изобретения и инновации, особенно в отношении проектов, для реализации которых имеется много нерешенных препятствий?

Один из примеров такого проекта – кольцевой коллайдер FCC, 100-километровая по окружности ускорительная машина, рассматриваемая в настоящее время в качестве преемника БАК. В этом проекте до сих пор имеется множество научных и технических задач и проблем, которые требуется решить. Примечательно, что полная энергия каждого протонного пучка в этом коллайдере, как ожидается, будет превышать 8 ГДж, что эквивалентно кинетической энергии аэробуса «Airbus-380», летящего на скорости 720 км/ч. Нужно, чтобы каждый такой мощный пучок не только безопасно транспортировался поворотными магнитами, но чтобы все эти пучки одновременно столкнулись в точке взаимодействия коллайдера – участке микрометрового размера, много меньшем, чем игольное ушко.

Нам предстоит узнать на практике, можно ли применять методологии ТРИЗ и УН-ТРИЗ к таким масштабным проектам как FCC, который ставит перед нами нам целый ряд новых сложных и интересных задач. Ведь это как раз тот проект, который может «расцвести» лишь при условии применения немалых знаний и большой изобретательности.

Об авторе

Андрей Серый, директор Института Джона Адамса Оксфордского университета (Великобритания). Автор монографии Unifying Physics of Accelerators, Lasers and Plasma (2015, CRC Press), которую читатели могут приобрести с 20%-ной скидкой, указав код AZP98 при заказе онлайн на CRC Press

Автор рисунков: Елена Серая

По теме читайте также

Г. С. Альтшуллер. Алгоритм изобретения. М.: Моск. рабочий, 1973. 296 с.

G. Altshuller. The Innovation Algorithm: TRIZ, Systematic Innovation and Technical Creativity. Technical Innovation Center, Inc., 1999.

По материалам: CERN Courier, 25/09/2015

Публикации автора

Серый А. А. «Эпоха Ускорения»

Серый А. А., Серая Е. И. «Мы –  жители мира. Где работа – там наш дом»

Источник: «НАУКА из первых рук»