Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления
Все эти изобретения можно рассматривать как своего рода научные открытия; крупнейшие из них делаются так же неожиданно и так же непредвиденно, как и научные открытия, и также являются проявлениями человеческого гения. Большие методические изобретения так же, как и научные открытия, могут привести к созданию целой научной области и привести к решению основных задач, стоящих перед наукой уже много времени. Как пример из прошлого можно указать на изобретение Ньютоном дифференциального исчисления или изобретение Гюйгенсом маятника часов.
Одним из таких крупнейших современных методических изобретений, которое сильно продвинуло ряд областей, является создание электронных кибернетических машин. Происходящее сейчас бурное развитие кибернетических машин дает возможность решения ряда задач большой сложности, которые еще недавно лежали за пределами доступности (быстрые и точные расчеты траекторий полетов космических кораблей, расчеты структур атомов, молекул, кристаллических решеток и ряд других проблем). Несомненно, электронно-кибернетические машины будут в ближайшем будущем интенсивно развиваться, и с их помощью будет решено еще много важных задач, которые лежали до сих пор за пределами досягаемости.
Сейчас я хочу обратить внимание на несколько важнейших задач, которые необходимо решить и иметь их теоретическое решение; но пока они столь сложны, что их приходится решать грубым эмпирическим или полуэмпирическим путем. Нужно помнить, что эмпиризм как метод научного искания еще далеко не изжил себя.
Применение эмпиризма в этих исследованиях обычно связано с трудоемким накоплением больших количеств опытных данных и с большой сложностью их систематизации и использования. Разберем как пример такого рода эмпирических исследований, которые часто производятся теперь, проблему создания вещества с определенными механическими свойствами — прочностью, жароустойчивостью, пластичностью и пр. Хорошо известно, что в области достижений предельных показателей в авиации, космонавтике, турбостроении прочность и жаропрочность материалов являются обычно главным ограничивающим фактором. Достаточно было бы поднять жаропрочность сплава на несколько сот градусов и предельную прочность — на 20—30%, и это дало бы возможность решить ряд новых технических задач. Однако несмотря на то, что все механические свойства металлов сейчас хорошо и быстро измеряются, количественной теории, связывающей эти свойства вещества с его химическим составом и физической структурой, пока нет, хотя природа сил между атомами хорошо известна. Математическая задача столь сложна, что даже не может быть сформулирована. Поэтому основной путь искания здесь — эмпиризм. Но нетрудно показать, что даже эмпиризм не может полностью решить эту задачу. Нам известно около 100 элементов, которые образуют сплавы. Положим, что описание новых свойств одного металла или сплава, его прочность, жаропрочность, упругость, электропроводность и т. д., занимает одну страницу. Для описания свойств самих элементов потребуется 100 страниц, для описания бинарных сплавов потребуется уже 10 тысяч страниц. Сплавы тройных систем уже займут миллион страниц. Легко видеть, что исследовать и систематически описать тройные сплавы является предельной возможностью. Таким образом, эмпирический метод изучения имеет свои естественные пределы. Изобретение кибернетических машин табуляторного типа, конечно, и тут тоже расширит наши возможности, но все же нужно признать, что проблема научного создания новых сплавов с заданными свойствами более чем из трех компонентов не разрешена. Но известно, что на практике уже используются сплавы из четырех компонентов или даже больше и такими сплавами уже были решены важные задачи.
Будет ли это всегда так? Я не думаю. Такие многокомпонентные сплавы, может быть, были найдены случайно, но вероятнее — интуитивным «нюхом» талантливого ученого, который, как искусный повар, умеет готовить вкуснее других. Если есть интуиция, значит, есть и закономерность. Задача науки — выявить эти закономерности, но метод решения таких сложных проблем до сих пор не найден, и это, несомненно, одна из проблем будущего.
Существует еще одна, менее известная проблема, которая в ближайшем будущем представит большой интерес, — она пока что тоже решается эмпирически. Это — создание сверхпроводящего сплава с критической температурой, близкой к комнатной, и с достаточно высоким критическим магнитным полем, то есть полем, которое разрешает эту сверхпроводимость. Как известно, в сверхпроводниках электрический ток течет без потерь, поэтому уже сейчас сверхпроводимостью начинают широко пользоваться для создания высокодобротных радиоколебательных систем, для катушек, создающих сильное магнитное поле, для конструирования малогабаритных запоминающих устройств в электронных счетно-решающих машинах.
Но главное затруднение практического использования сверхпроводимости в том, что все эти устройства работают при очень низкой температуре, температуре жидкого гелия (4,2° К). Поэтому наибольшее практическое значение имело бы открытие материала, обладающего сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это вызвало бы революцию в современной электротехнике, так как позволило бы вести передачу электроэнергии без потерь. Но пока что теория указывает, что сверхпроводимость в чистом металле не может существовать при температуре выше температуры Дебая, и, следовательно, в настоящее время открытие такого материала можно ждать только в сплавах, теория свойств сверхпроводимости которых полностью еще не понята. Тут тоже встает проблема эмпирического изучения многокомпонентного соединения, о котором я уже говорил.
Одна из крупнейших задач, стоящих перед физикой твердого тела, — это создание полимеров с заданными свойствами. Полимеры в живой природе всегда являются основным «строительным материалом», который выполняет всевозможные функции. Наш век не только будет веком использования атомной энергии, но и веком, когда человечество научится приготовлять полимеры, а также широко использовать их в жизни как основной «строительный материал».
Разнообразие полимеров беспредельно, их может быть даже больше, чем сплавов. Механические, электрические, магнитные свойства полимеров так же разнообразны. Перед наукой будет стоять задача создания полимеров с заданными свойствами. Тут эмпиризм будет недостаточно эффективным, как и в примере со сплавами. Возможно, что из-за большой регулярности в строении полимеров тут скорее, чем для сплавов, удастся найти теоретическое обобщение, которое избавит исследовательские работы по отысканию полимеров с заданными свойствами от эмпирического пути.
Успехи в изобретении новых методов экспериментальных исследований явлений природы за последние годы исключительно крупны. По-видимому, это надо связывать с бурным развитием теоретической и промышленной электроники и теми новыми возможностями, которые открыло развитие ядерной промышленности и физики.
Интересно отметить, что сейчас изменение частоты измеряется с точностью до 16-го знака (используется Мёссбауэр-эффект), а время — с точностью до 11-го знака (с помощью молекулярных генераторов). Используя электронные пучки и различные методы увеличения, можно видеть молекулы и т. д. Такие достижения в изобретении новых методов наблюдения и измерения сейчас идут непрерывным потоком. Нет никаких признаков, что в будущем развитие наших экспериментальных возможностей прекратится. Какие будут следующие достижения в изобретении методов наблюдения или измерения, так же трудно предвидеть, как и указать новые открытия. Но все же мне хотелось бы указать одну область измерения, где люди отстают от природы и где следует в ближайшем будущем ждать новых изобретений.
Надо отметить, что сейчас физика располагает приборами во много раз чувствительнее наших органов чувств. Микрофон слышит лучше, чем человеческое ухо, фотоэлемент видит лучше и большую часть спектра, чем глаз. Сейсмограф более чувствителен, чем наше осязание, и, конечно, температуру по сравнению с термометром человек совсем плохо определяет.
Только одно чувство — обоняние, то есть определение и обнаружение небольших количеств примесей органического вещества, у животного более совершенно, чем у существующих приборов.
Или возьмем дегустаторов. Им, например, был крупнейший физик Ланжевен. Я хорошо помню — на меня это произвело большое впечатление, — как однажды перед обедом на конгрессе в Цюрихе в 1925 г. Ланжевен попробовал вино и сразу правильно определил по вкусу не только марку вина, но и год урожая. Он был признанным дегустатором и очень гордился этим, может быть, даже больше, чем своими успехами в физике. Но нет таких физических приборов, которые могли бы даже приблизительно проделать то же, что и он.
