Гернот Бёме, Вольфганг ван ден Дале, Вольфганг Кронa Сциентификация техники

Развитие техники внутри науки в конце XVII и в XVIII веке состояло в совершенствовании приборов и процедур и в их теоретическом объяснении. Эта «сциентификация» техники не была непосредственно связана со сферой производства, не существовало также и значительной потребности в научной технологии на производстве.

Однако ввиду бурного хозяйственного развития после промышленной революции в XIX столетии наука и производственная техника опять пришли в тесное соприкосновение. С увеличением экономических возможностей для технических изобретений технические достижения

118

В XIX веке предложения науки производству состояли первоначально из синтетических процедур и приборов, сначала разработанных для научных целей. Иллюстрацией может служить изобретение телеграфа. Оно основывалось на научных процедурах и приборах, которые не создавались по образцу ремесленной техники, но вели к эффектам, которые невозможно было произвести исходя из практической технической стратегии.

В 1820 г. датский профессор физики Христиан Эрстед открыл магнитный эффект токов. Технический потенциал этого открытия для передачи сигналов был понят немедленно, и роль ученых в разработке электромагнитного телеграфа была значительной. Вклад в решение этой проблемы был сделан Шиллингом, русским статским советником, и физиками Генри (Принстон), Якоби (Петербург), Гауссом и Вебером (Гёттинген). В 1837 г. Кук и Уинстон построили первый телеграф, который был введен в действие на железной дороге между Лондоном и Бирмингемом. Сам Кук не имел научного образования. Он зарабатывал на жизнь продажей самодельных анатомических моделей. Когда он начал свою работу над телеграфом, то столкнулся с электромагнитными проблемами и, чтобы решить их, соединил силы с Уинстоном, который был тогда профессором Королевского колледжа в Лондоне. Электрическая телеграфия была сначала обширной сери ей новых видов техники, являющихся результатом непосредственного использования принципов и научных открытий в области электричества. Другими примерами этого рода были беспроволочный телеграф Маркони, который вышел из результатов работ Максвелла и Герца, и телефон Белла, разработанный не только в развитие оснований электромагнитной индукции, сформулированных Эрстедом, Ленцом и Фарадеем, но также исходя из фундаментальных исследований Гельмгольцем физиологической акустики. Во всех этих случаях наука уже приобрела роль поставщика производству.

119

До сих пор мы анализировали ориентацию на технику, присущую развитию теоретических наук. Мы будем теперь исследовать тенденции согласования науки и техники, которые питались прогрессом в технике, не связанной с научными целями. Технический прогресс, первостепенный для научной революции, развивался без помощи научных теорий и без сколько-нибудь значительного переноса экспериментальных результатов из академической или университетской науки. Это верно для первых сберегающих труд машин (ткацкий станок), силовых двигателей (усовершенствованный двигатель), транспорта (локомотив) и металлургии (литая сталь).

Взаимоотношения между наукой и техникой были видимы только в их частично совпадающих методах исследования. Экспериментальное варьирование, измерение и квантификация и геометрическое описание становятся процедурами, которые способствуют развитию техники. Многие достижения промышленной революции после 1750 г. происходят из такого методологического развития техники. С другой стороны, при абсолютизме государственное регулирование и контроль над производством тормозили нововведения и, соответственно, замедляли темпы технического прогресса в том, что касалось разработки специальных научных приборов. Промышленная революция, вызванная несколькими нововведениями ключевого значения, в свою очередь создала новые стимулы для технического исследования, как и спрос на научное знание и методы в технике.

Следующие четыре пункта показывают растущую потребность промышленности в технической помощи, которая вызвала обращение техники к науке:

1. 
   Дополнительное сырье. Во многих отраслях дефицит сырья ограничивал развитие промышленности. Наличие селитры, соды и стали определяло объем связанной с техникой продукции в химической промышленности и машиностроении. Были сделаны усилия, чтобы преодолеть эти ограничения с помощью научного анализа, часто через попытки синтетического производства соответствующего сырья.
   
2. 
   Возрастающая эффективность. Низкая эффективность может сделать технику экономически бесполезной. Так, первая паровая машина Ньюкомена из-за потреб-
   

ления огромного количества угля могла быть использована только в области горного дела. То же самое можно сказать и о паровозах, используемых в начале XIX века, которые имели скорость несколько километров в час и, таким образом, не могли быть использованы для иных целей, нежели для перевозок в горном деле. Оптимизация эффективности парового двигателя стала задачей науки. Карно, французский инженер и физик, теоретически установил принцип теплового двигателя и определил максимум эффективности, достижимой в каждом случае.

3. 
   Повышение критических порядков технических величин. Увеличение в размерах, массе, давлении, температуре и т. п. технических процедур вело главным образом к нелинейным изменениям в стабильности условий, в качестве материалов и в способах функционирования, которые невозможно было больше получать на базе существующей техники.
   
4. 
   Большая точность технических процедур. Точность включает в себя гарантию чистоты продуктов и материалов (так, наличие чистых дрожжей для соответствующей ферментации было главной проблемой пивоваренной техники), точности и постоянства величины и качества материала частей машин и, наконец, точного контроля промышленных процессов и коррекции искажающих факторов.
   

Чтобы вывести технику за пределы этих ограничений, научный анализ хотя бы в конечном счете определяет лучшую стратегию. С одной стороны, теория дает технические принципы, которые не могут быть открыты на

121

основе экстраполяции известных процессов. Теория может играть роль эвристики в изобретении¹⁵. С другой стороны, научное исследование может открыть «черный ящик» функциональных взаимосвязей подчинением факторов, вовлеченных в причинный и элементный анализ. В этом случае становятся определимыми и теоретический оптимум технического процесса, и ограничительные условия применяемых материалов и процедур. Таким образом, теория дает технические прогнозы в некоторых случаях даже для нелинейных модификаций, к которым метод проб и ошибок неприменим.

Вторым является пример «законов конструирования локомотивов» Фердинанда Редтенбахера (1855). Создание локомотива и разработка конструкторских проблем, связанные первоначально с именем Роберта Стефенсона, который заверял, что вес двигателя распределяется в равной степени на все колеса, так что они не должны были бы вертеться, и разработал непосредственный привод между цилиндрическим поршнем и приводящими ко лесами, не были результатом сколько-нибудь заметного содействия со стороны науки. Во введении в свои «законы» Редтенбахер заявил, что практика «с ее здоровы-

122

ми инстинктами и восприятиями» достигла почти полно го совершенства. Как и в отношении других видов конструкторской инженерной техники, все, что оставалось делать науке,— это имеющимися теоретическими объяснениями следовать за технической динамикой. Но был пункт, где создание локомотивов было связано с наукой, а именно в проблеме устойчивости локомотивов при высокой скорости. Несбалансированные взаимные веса поршней, ползунов, шатунов, которые первоначально ставились, чтобы сводить на нет лишь прямые продольные силы, на высоких скоростях вели к опасным вибрациям, которые могли привести к аварии и сбросить локо мотив с путей¹⁶. Инженеры пытались смягчить проблему с помощью более равномерного распределения веса на локомотивах (например, перемещением цилиндров назад), но было трудно спроектировать размеры и положение взаимоуравновешивающихся тяжестей. Редтенбахер, который был профессором Политехнической школы в Карлсруэ и одним из основателей научного конструирования, предпринял попытку дать фундаментальное решение этой проблемы с помощью теории нарушающих эффектов для курьерских локомотивов. Он определил раз личные формы нарушающих эффектов — движение резким толчком, качание, капотирование, раскачивание, вздымание — и сил, являющихся их причинами. Он раз работал систему дифференциальных уравнений, определяющих эти движения, и изложил методы их решения, а далее определил и условия и ограничивающие факторы для устранения нарушающих эффектов дисбаланса взаимоуравновешивающихся тяжестей. Нет уверенности в том, стали ли формулы Редтенбахера пригодными для практики. Возможно, лишь теория баланса Ле Шателье (1849), который был более тесно связан с созданием локомотивов, чем Редтенбахер, действительно нашла применение. Тем не менее именно теория нарушающих эффектов окончательно разрешила проблему динамического уравновешивания, сделав возможным предсказывать с определенной уверенностью результаты вышеупомянутых эффектов. Эта теория даже сегодня является существенным элементом локомотивостроения.

123

В представлении ученых XIX века растущее значение науки для техники видится часто не как результат спроса техники на научное решение проблем, а, скорее, как результат поставки новой техники, следующей за автономным развитием теоретической науки. Промышленное развитие общества действительно привело к тому, что в XIX веке технический потенциал научных открытий все шире применялся в технике. Мы проиллюстрировали этот пункт телеграфом и другими техническими средствами в области электричества, которые, являясь приме ром технического прогресса, стали возможными благодаря предложениям, исходящим от науки. Это породило то общее мнение, что чистое и фундаментальное исследование является основой технического прогресса. С помощью этого аргумента ученые стремились защитить свою незадолго до того приобретенную профессиональную автономию от спроса на науку, ориентированного на технические применения. Пастер сказал, что не существовало никакой категории науки, которая могла бы называться «прикладной наукой». «Существует наука, и существуют приложения науки, соединенные вместе, как фрукты на дереве, на котором они растут»¹⁸. Однако сам Пастер потратит много лет своей жизни на поиск научных решений специальных практических проблем, и его глав ной заботой всегда было выявление причин тех или иных проблем и научное объяснение выявленных факторов.

Если не считать упомянутой выше идеологической причины, трудно понять, почему этот тип ориентированного вовне исследования, направленного на медико-техническое решение неотложных проблем, не мог бы носить названия прикладной науки. Пастеровское медико-ориентированное микробиологическое исследование, как и агрономическая химия Либиха, является связанным с «моделью спроса» научно ориентированной техники, которая была проиллюстрирована примером томасовского конвертера и теорией локомотивов.

124

Взаимосвязь научного прогресса и технических инноваций в XIX веке была еще несистематической. Это относится к переводу предложений науки в новую технику и к спросу на научные решения существующих технических проблем. Взаимоотношения науки и техники определялись такими случайными факторами, как личные контакты ученых и практиков, технические и экономические интересы, стимулировавшие отдельных ученых, и степень доступа ИТР к научному обучению.

Техническое развитие в конце XIX века и в растущей степени в XX веке, вызванное капитализмом и войной, ведет к расширению исследований и разработок в промышленности, к созданию независимых институтов по прикладным исследованиям и к сдвигу технического образования от обучения на рабочем месте к академическому. Соединение научного и технического прогресса является во многих аспектах плодом «модели поставок» XIX века. Новая техника возникает в качестве побочного продукта фундаментального исследования. Структура, которая характеризует новый уровень взаимодействия науки и техники в XX веке, является, однако, ответвлением науки в специальные технические теории или с точки зрения техники достижением технических целей с помощью построения теорий.

Знание о природе и техника больше не являются лишь методологически эквивалентными и связанными лишь эпистемологической структурой операционального знания. Они теперь имеют тенденцию к унификации на уровне теории. В XX веке разработка полезной техники через построение научной теории становится возможной и может быть стратегически планируемой. Ее основой являются удачно сформулированные теории для ряда объективных областей. В противоположность условиям, при которых начинала наука в XIX веке, теперь она располагает не только успешными теориями механики, но также надежными электродинамическими и химическими теориями: для таких явлений, как движущиеся тела, теплота, свет, электричество, наука достигла решения большинства фундаментальных проблем, и эти решения могут служить основой для специальных теоретических моделей, объясняющих сложные технические явления. Процесс увязывания технических явлений с фундамен-

125

тальнои теорией посредством специальных моделей имеет два дополнительных аспекта. Он включает и формулировку теорий для технических структур, и конкретизацию общих научных теорий. Химическая технология и механика сплошных сред будут служить иллюстрацией обоих этих аспектов.

Вторая стадия «сциентификации» — особенно в США после первой мировой войны — заключается в классификации производственных процессов на базе элементарных операций. Элементы технических операций, такие, как дистилляция, фильтрация, смешивание, дробление, шлифование и т.п., были отделены друг от друга и организованы в соответствии с практическими требованиями. Эти операции рассматривались с помощью научных методов, но данные методы не нацеливались на теоретический анализ на уровне фундаментальных наук, таких, как молекулярная химия, термодинамика или гидродинамика. Приблизительно к 1930 г. химическая технология была создана как научная дисциплина с ее собственными методами, стандартными решениями и концепцией в рамках феноменологической теории.

Третья стадия, начавшаяся в 30-е годы и ускорившаяся

126

В идеальном случае теоретическая обработка химической технологии делает возможным теоретический рас чет режимов технического аппарата и обрабатывающих операций. Это также позволяет инженерам проектировать продуктивные средства с минимумом неопределенной экстраполяции на основе существующих процессов или экспериментирования методом проб и ошибок.

Второй пример «теоретической техники» — механика сплошных сред, с ее различными специальными моделями, такой, как модель трения подшипников и смазки, или той, что содержится в теории крыла. Как и в случае с химической технологией на третьей стадии ее развития, механика сплошных сред не только «в принципе» связана со специфическими техническими устройствами (как была связана, например, ньютоновская теория с ветряной мельницей), но ее специфические теоретические модели также являются инструкциями для инженера при конструировании отдельных устройств; они сделали возможным расчет требуемого технического решения, хотя его осуществимость может оставаться проблематичной. Эти теории делают возможным, варьируя определенные параметры и принимая другие постоянными, выбрать оптимальные решения. Они также предсказывают, что случится, если превышаются пороги определенного порядка величины, и идентифицируют причины ограничений, которым подвержено отдельное техническое средство.

В противоположность химической технологии теория

127

механики сплошных сред может быть названа теоретической техникой: она не возникает путем систематизации соответствующей техники. В XIX веке теоретическая и техническая гидравлика развивались параллельно, почти без связи друг с другом. Это было обусловлено тем, что уравнения Навье — Стокса, которые «в принципе» составили классическую гидродинамику, заключающую в себе все процессы механики сплошных сред, были разрешимы только в очень немногих случаях, которые имели отношение к технике. Переход к техническим теориям в области механических эффектов жидкости был результатом не систематизированной техники, а теоретических усилий. Это было понятие граничного слоя Прандтля, которое дало возможность перехода к создаваемым «реальным» техническим процессам. Излагая это коротко, понятие граничного слоя позволяло трактовать сплошную среду в целом как свободную от вязкости, но требовало, чтобы обращалось внимание на эффекты вязкости в граничном слое. Понятие граничного слоя сделало возможным специфицировать общую гидродинамическую теорию в отдельные теории, охватывающие отдельные типы технического действия, такие, как смазка, аэродинамическая поверхность и пропеллер.

128

Стало быть, это теория, утверждения которой всегда имеют непосредственную техническую ценность и которые являются также открытыми для дальнейшего развития в соответствии с состоянием техники. Использование бипланов и пропеллеров вело к выработке многопрофильной теории, в которой более высокая скорость воздуха требовала сначала теории стреловидного крыла, а затем — и специальной аэродинамической поверхности, которая принимала бы в расчет проблемы звукового барьера, и, наконец, теории сверхзвукового полета.

Эти два примера представляют теоретическую технику, которая базируется на правильных фундаментальных физических теориях и в то же время руководствуется целями, которые не даны в этих фундаментальных теориях²⁰.

Другого рода связь с естественной наукой может быть найдена в более формальных теориях техники, как, напри мер, в теории систем или теории информации (кибернетике). Они используют математику и логику для того, чтобы понять формальные структуры искусственных систем обработки информации. Первоначально разработанные как теории технических систем, они были впоследствии применены также к естественным организмам.

Вначале теория информации столкнулась с задачей разработки техники для передачи сообщений, изобретая различные системы кодирования и передачи сообщений без избыточности или искажения. Были сформулированы определенные количественные понятия, такие, как информация и избыточность, и были установлены определенные отношения, которые сделали возможным теоретическое решение оптимизационных проблем. Теория информации была впоследствии интегрирована в общую теорию систем обработки информации. Эта теория теперь применима не только к информатике (computer science), но и в кибернетических моделях биохимических, психологических и коммуникационных структур. Технический прогресс достиг стадии, на которой его теоретические способности производят как побочный продукт специальные теории естественных процессов.