Открытия, которые мы выбираем

П.Амнуэль

"Знание-сила", Nо 8, 1971

1.

В декабре 1960 года известный астроном Аллан Сендейдж доложил на заседании Американского астрономического общества об открытии квазаров. Потом были открыты рентгеновские звезды. И открыто их было сразу очень много. Потом, в 1965 году, обнаружили реликтовое радиоизлучение - однородный радиофон неба, доставшийся нам в наследство от ранней стадии развития Метагалактики.

Год 1967. Открытие совсем уж неожиданное - пульсары. Настолько неожиданное, что о нем и объявить-то решились только полгода спустя.

В 1969 году Вебер сообщил об открытии мощных всплесков гравитационного излучения из центра Галактики.

В 1970 стало известно, что ядра многих галактик излучают чрезвычайно, неожиданно большую энергию в инфракрасной области спектра.

Кажется, все? Больше астрофизики ничего не открыли? Ничего... пока. А что откроют завтра? Что еще преподнесет нам Вселенная?

Нет ответа на эти вопросы, ведь открытия нельзя предвидеть...

2.

Перед нами шесть астрономических открытий. Открытий неожиданных. Насколько неожиданных? Можно ли было хоть какое-то из них предсказать раньше?

Впервые я задал себе этот вопрос, когда в печати появились сообщения об открытии пульсаров. Строгая периодичность колебаний радиоблеска, маленький период колебаний - все это мне что-то очень напоминало, но что?

Вспомнил: за год до этого я рассчитал, что произойдет, если на нейтронную звезду падает из межзвездного пространства вещество. Нейтронные звезды сами по себе практически света не должны испускать. Но если такая звезда оказывается в облаке межзвездного газа, то частицы газа начинают падать на звезду, приобретая колоссальную скорость. Масса нейтронной звезды в сотни тысяч раз больше земной, соответстенно больше и притяжение этой звезды и скорость свободного падения на нее - эта скорость равна почти половине скорости света! У поверхности нейтронной звезды частички газа резко останавливаются - вся их кинетическая энергия превращается в тепло, в свет. Ну, а если нейтронная звезда обладает магнитным полем? Тогда падающие электроны и протоны будут отклоняться в этом поле, теряя в результате часть энергии еще в пути.

Из расчетов следовало, что около такой звезды должно возникать рентгеновское излучение (наш отдел в Шемахинской обсерватории занимался тогда источниками космических рентгеновских лучей, и этот диапазон нас вполне устраивал). Поразмыслив, я приписал в конце статьи: "Излучение может быть переменным с периодом, равным периоду вращения нейтронной звезды".

Нейтронные звезды маленькие, их оборот вокруг своей оси занимает мало времени. Легко было прийти к выводу, что излучение должно меняться: а) быстро и б) строго "по часам". Нетрудно было догадаться поискать, нет ли в природе явлений, соответствующих расчетам. Я этого не сделал.

Так, увы, мне не удалось открыть рентгеновский пульсар.

Кроме всего прочего, я даже не задумался: будет ли возникать излучение в каком-нибудь другом диапазоне, кроме рентгеновского? Скажем, в оптическом или радиодиапазоне. А два года спустя, когда природа пульсаров стала популярной темой научных споров, простой расчет показал: конечно же, радиоизлучение возможно.

Так неудача постигла меня и с радиопульсаром.

Я подробно рассказал об этом событии потому, что оно характерно. Многие исследования могли бы быть гораздо разностороннее, интереснее по выводам, если бы теоретики лучше вглядывать в собственную работу.

Конечно, трудно предсказать открытие, если оно связано с изменением наших основных представлений о мире. (Правда, и из этой ситуации есть выход, мы поговорим о нем позднее.) Но ведь ни одно астрономическое открытие последних лет не требовало принципиальной ломки наших представлений. Во всех случаях знаменитый "здравый смысл" мог быть спокоен. Действительно: противоречат ли нашим данным о мире, скажем, те же пульсары? Никоим образом. Объяснение им было найдено без особого труда - дождались своего часа нейтронные звезды, тридцать лет пролежавшие в столах теоретиков. Споры о пульсарах идут и сейчас и будут идти долго, но это уже споры скорее о деталях. А реликтовое излучение? Его существование вытекало из горячей модели Вселенной, предложенной еще в 1949 году. Но никто и не думал искать его, а когда полтора десятилетия спустя низкотемпературный радиофон неба случайно был открыт, то объяснять его, конечно же, долго не пришлось.

В чем дело? Если все так просто, почему эти открытия не были сделаны раньше? Может быть, техника не позволяла? А потом построили более мощный инструмент, и... Нет, радиотелескопы существуют четверть века, и пульсары были открыты далеко не на самом большом из них, сейчас пульсары наблюдают и с помощью инструментов довольно скромных размеров.

Дело в психологической инерции.

Методика изобретательства предусматривает, что прежде чем приступить к решению задачи, нужно избавиться от психологической инерции - научиться думать раскованно. Изречение Бора о "безумной теории" - тоже из этого класса утверждений. Но слова Бора повторяют все, а применяют их к чему угодно, только не к собственной работе.

Сейчас идет интеграция наук. Но на фоне этой общей интеграции каждый ученый все более специализируется. Вот слились физика, химия, биология. Великолепный синтез. А ученый, этот биофизхимик, занимается очень узкой отраслью объединенной науки и, в сущности, не знает хорошо и полностью ни одну из трех наук, породивших его специальность. Проделав исследование, он не в состоянии оценить его с позиций всех трех наук, да и не собирается этого делать. Вот он получил результат, применимый в его узкой области. Уверен ли он, что это ВЕСЬ результат, который можно выжать из его теории?

А экспериментатор? Ведь он, казалось бы, наблюдает реальное явление, и если оно существует, если приборы его фиксируют, то он должен это явление видеть. Должен? Не всегда. Методика измерений сейчас столь сложна, что сами по себе показания приборов приходится подвергать весьма долгой и сложной обработке. Один и тот же факт, одно и то же показание прибора нередко можно обработать по-разному и получить разные результаты. А поскольку каждый наблюдатель еще до эксперимента прикидывает, что он может получить, то... и ищет: есть это искомое явление налицо или нет. А "побочные" сведения оказываются неучтенными. Рентгеновское излучение Крабовидной туманности наблюдали несколько групп ученых. Они запускали ракеты, шары, стратостаты. Делали десятки, сотни измерений, проверяли и перепроверяли результаты. Потом в Крабовидной туманности открыли радиопульсар. Встал вопрос: если пульсар быстро меняет свой радиоблеск, то почему же рентгеновское излучение его постоянно?

А может, непостоянно, - сказали наблюдатели. - Мы об этом не думали.

Заметьте: не думали и потому не увидели. Не потребовалось новых ракетных стартов, только пересчитали старые данные с учетом того, что переменность рентгеновского излучения может быть быстрой. Переменность нашлась. Вот вам и точность наблюдательных данных...

Смущенные наблюдатели захотели реабилитировать себя до конца. Решили найти быструю переменность у оптического объекта в Крабовидной туманности. У звездочки, наблюдавшейся с конца прошлого века. Десятки лет наблюдений, тысячи снимков, очень изученный объект! Никакой переменности он никогда не показывал. Отлично, применили к нему ту же методику. И открыли оптический пульсар через восемьдесят лет после того, как увидели его.

Итак, наблюдателям мешает, кроме всего прочего, психологическая инерция.

Инерция изученной теории, изученных данных, груз тем, боязнь выйти за рамки знакомой области знаний, боязнь отстать от других исследователей. Вот по крайней мере некоторые тормозы для открытий.

3.

Представим ситуацию - у нас вообще нет никакой психологической инерции. Перед нами теория - новенькое, с иголочки, достижение теоретической мысли.

Как получить из нее ВСЕ возможные в ее рамках выводы?

В теории изобретательства есть такой прием - морфологический анализ Цвикки. В 1942 году американский астроном Цвикки принимал участие в разработке ракетных систем. Рассуждал Цвикки примерно так: изобретатель ищет новую техническую идею методом проб и ошибок, перебирает варианты наугад, и нет гарантии, что обязательно будет найдено лучшее решение. Нужен ПОЛНЫЙ СПИСОК всех возможных вариантов, тогда изобретатель сможет, просмотрев ВСЕ решения, выбрать наилучшее.

И Цвикки предложил строить морфологические ящики. Ящик - это таблица, на одной оси которой записаны основные части будущей конструкции, а на другой - возможные варианты выполнения каждой части. Цвикки составил морфологический ящик для одного только типа реактивных двигателей, и в ящике оказалось 36864 возможных комбинаций.

Морфологический анализ, - писал Цвикки, - включает в себя несколько шагов.

Первый шаг. Точно сформулировать задачу.

Второй шаг. Припомнить как можно больше параметров, которые необходимы при решении задачи. Лучше всего, конечно, записать ВСЕ мыслимые параметры.

Третий шаг. Построить морфологический ящик - в нем можно отыскать все решения задачи.

Четвертый шаг. Проанализировать эти решения, посмотреть, удовлетворяют ли они поставленным целям.

Пятый шаг. Выбрать лучшее решение.

4.

Вернусь к собственной работе, "неоткрытию" пульсаров. Я рассматривал излучение электрона в магнитном поле нейтронной звезды. Если электрон падает на магнитную нейтронную звезду, может возникнуть рентгеновское излучение. И это все? Это и есть весь вывод?

Построим морфологический ящик. Речь идет об электромагнитном излучении. Отложим на первой оси типы такого излучения. Если электрон движется в магнитном поле, то излучение будет синхротронным, если в поле ядра - излучение тормозное, если электрон сталкивается с фотоном, то наблюдается так называемый обратный комптон-эффект. Вам непонятны эти названия? Но это сейчас и неважно. Важно, что вы видите, как первая ось постепенно заполняется...

Вторая ось. Излучение бывает не только рентгеновское. Электромагнитные волны - это и видимый свет, и радио-, и инфракрасное излучение. Диапазоны самые различные. Отложим их на второй оси.

А почему мы все время говорим об электроне? Разве больше нет элементарных частиц? Отложим на третьей оси частицы, способные при различных взаимодействиях давать электромагнитное излучение: электроны, протоны, нейтроны, гипероны и мезоны...

Наконец, разве звезды обязаны быть только нейтронными? Вот наша четвертая ось: типы звезд. Гиганты, звезды Вольф-Райе, карлики, субкарлики, сверхгиганты...

Можно продолжить, но достаточно и этого. Что я получил, когда рассчитал рентгеновское излучение электрона? Одну точку на первое оси - синхротронное излучение. Одну точку на второй - рентгеновский диапазон (вот где было потеряно качество, выражаясь языком шахмат!). На третьей оси тоже одна точка - электроны. И одна точка на четвертой - нейтронные звезды. Только по одной точке на осях с почти бесконечным числом возможностей!

Не буду преувеличивать, такого рода морфологический анализ позволяет лишь поставить задачу о предсказании явления. Открытия ведь найдутся, скорее всего, лишь в ничтожном меньшинстве клеточек. А задачу-то еще нужно решить. Кроме того, велико число вариантов, а перебор отнимает много времени и сил. Иногда (чаще всего даже) он практически для данной работы невозможен. Но вот с каким призывом, пожалуй, можно обратиться к теоретикам. Посчитал какой-то эффект, ну, пожалуйста, построй для своего результата морфологический ящик, укажи клетки, в которых ты не работал, но которые СУЩЕСТВУЮТ, ведь часто даже идея работы может быть принципиально новой. Вспомним те же пульсары!

Глядя на морфологический ящик, мы увидим упущенные возможности: вот эта клеточка - ее неплохо было бы посчитать, но подгоняет плановая тема, а вот эта клеточка очень красива, но кто знает, может быть, она в конечном счете никак не связана с экспериментом? А может, она вообще противоречит разуму?

Возможно, в ящике найдется горсть идей, не укладывающихся в рамки существующих представлений.

Может быть, одна из них и есть самая ценная?

5.

Искать среди тысяч вариантов, тысяч упущенных возможностей единственный нужный вариант - дело трудное и долгое. Хорошо бы иметь какой-нибудь набор правил. Этот набор правил назовем ЭВРОРИТМОМ. Набора такого еще нет, но на пути его создания вряд ли можно пройти мимо статистики уже сделанных открытий. Сейчас нет еще исследования, в котором анализировалось бы, из какого морфологического ящика были вытянуты открытия, сделанные за две тысячи лет, и главное - КАК эти открытия были сделаны, по какому принципу. Речь не о психологии. Не о том, как открыватель не спал ночами или, напротив, крепко спал и увидел открытие во сне. Вовсе не об этом, потому что реально все открытия делались методом проб и ошибок - из ящика (о существовании которого исследователь и не подозревал) вытягивали возможные решения, пока не натыкались на то, что нужно.

Вот перед нами морфологический ящик, и вот - открытие, одна из клеток этого ящика. Стоит задача - исследовать при помощи каких формальных правил можно в ЛЮБОМ случае из ЛЮБОГО ящика доставать нужные открытия. И можно ли? Кропотливая работа, которая вкратце заключается в следующем. Собрать и разложить по карточкам как можно больше открытий (в идеале - все), сделанных, скажем, после 1500 года. Для каждого открытия указать его теоретическое обоснование. Построить морфологический ящик, из которого, по сути, "вынуто" открытие. Основной этап: эмпирически отыскать правила, по которым именно эти клеточки ящика оказались открытиями. Правила, по идее, должны быть с равным успехом применимы к ЛЮБОМУ ящику, для какой бы задачи он ни был составлен.

6.

Фантасты давно имеют дело с внеземными цивилизациями. Ученые - сравнительно недавно, и то сугубо теоретически. Самое время строить морфологический ящик. Но ящик несколько иного рода. Выше речь шла о морфологическом анализе на ВЫХОДЕ из теории. Но теории иного разума нет, и как ее строить, не вполне ясно. Проведем морфологический анализ внеземных цивилизаций. Анализ перед ВХОДОМ в теорию.

О чем, в сущности, говорят ученые, когда обсуждают проблему цивилизаций? О том, как наладить с ними связь с помощью радио- или оптического излучения. Наученные опытом, мы сразу видим, что это лишь небольшое окно, две не самые важные клетки в ящике "Межзвездная связь". Не будем говорить о психологической инерции. Все куда проще: ученые ведут радиопоиск потому, что средства радиообнаружения развиты наиболее полно. Если в будущем получат распространение локаторы гамма-излучения или локаторы нейтрино, то станут обсуждать и эти возможные каналы связи и наверняка найдут не один аргумент в пользу того, что именно эти каналы наиболее рациональны.

Но цивилизации бывают разные, и средства связи у каждой цивилизации свои. Прежде чем проводить морфологический анализ связи, построим морфологический ящик цивилизаций. Оси: среда обитания, микроструктура, форма объединения, направление эволюции, темп эволюции... Осей может быть много, форм цивилизаций еще больше. Если у вас есть желание, возьмите бумагу в клеточку и постройте ящик сами. Вы найдете в нем и нас - человечество, и мыслящий океан Лема, и многие другие формы разума, описанные и не описанные в фантастике.

Почему я заговорил о цивилизациях? По аналогии. Теории цивилизаций еще нет. Есть только общие предположения. Сравните теперь с ситуацией, когда у ученого скопилось некоторое количество наблюдательных данных и он намерен приступить к созданию теории. Он думает сначала, как эти данные интерпретировать, он придумывает оптимальную, по его мнению, интерпретацию и на ней строит теорию. И проходит мимо множества других возможных объяснений. Проходит мимо теоретических задач, мимо возможных открытий. Вот квазары. Сендейдж выдвинул идею о том, что это очень далекие внегалактические объекты. Террелл - что это близкие тела большой массы. Была даже предложена (в фантастическом рассказе) гипотеза о том, что квазары - это работающие двигатели "чужеземных" звездолетов. Разные гипотезы - только три клеточки из ящика возможных объяснений. И заранее неясно, какое объяснение верно. "Существует так много противоречивых идей относительно теории и интерпретации наблюдений, - писали Д. и М.Бербиджи в своей книге "Квазары", - что по крайней мере 95 процентов из них неверны; однако, в настоящее время никто не знает, что входит в эти 95 процентов".

Вывод: ящик может быть "изготовлен" не только ПОСЛЕ теоретических построений (для полноты выводов), но и ПЕРЕД ними (для полноты самих построений). Так мы, по крайней мере, будем уверены, что никакая возможность не упущена. И будущий эвроритм должен, вероятно, делиться на две части: на эвроритм выбора при входе в задачу (выбор задачи, непременно ведущей к открытию) и эвроритм при выходе (выбор предсказания - какое именно открытие будет сделано).

7.

Что дает морфологический анализ в той же астрофизике, с которой мы начали разговор? Взять хотя бы одну ось: приемная аппаратура. Сейчас она реагирует на электромагнитные волны разных частот, на частицы высоких энергий, на прямое попадание макротел (метеоров), на гравитационное излучение. И это все. А звуковые колебания? Вот совершенно незаполненные клетки. Убежден, что не пройдет и десятка лет, как мы научимся улавливать тончайшие АКУСТИЧЕСКИЕ колебания межзвездного газа (пустота ведь вовсе не пустота, а тишина космоса - вовсе не тишина). А научившись улавливать звук из космоса, мы откроем звуковые звезды, услышим, как поет Вселенная.

Но и в существующих диапазонах наблюдения нас еще ждут открытия. Мы только-только нащупали гравитационное излучение из центра Галактики. Сейчас группа Дугласа в Рочестерском университете проводит эксперимент по детектированию гравитационных волн от Крабовидной туманности. Но разве пульсар в Крабе исчерпывает список тел, способных излучать гравитационные волны? Составим соответствующую ось возможных излучателей. Поставим на первое место Вселенную. Да, на ранней стадии развития сверхплотное тело Вселенной могло излучать гравитационные волны. Сейчас волны эти растянулись на многие парсеки. И вот еще одно предсказание: мы откроем ФОНОВОЕ гравитационное излучение, источником которого была Вселенная в ранние периоды расширения.

8.

В кинофильме "Девять дней одного года" физики весело смеются над плакатом: "Откроем новую элементарную частицу в текущем квартале". Их веселье понятно: до сих пор работа мысли исследователей даже для них самих окутана таким густым туманом, что одно упоминание о планировании открытий вызывает смех. Но всегда ли так будет? Надеюсь, нет.