English version Для преподавателей ТРИЗ
(копия статьи,направленной в журнал "Техника и наука" 20.09.78 г.)

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ПРЕОДОЛЕНИЯ ПРОТИВОРЕЧИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РЕШЕНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Е. Б. Карасик
Copyright © 1978 Евгений Борисович Карасик

Роль противоречий в творческом процессе,особенно в научном и техническом творчестве, хорошо известна. Она не раз отмечалась выдающимися учеными и инженерами. Так, П.Л.Капица говорил,что "основным двигателем развития физики,как и всякой другой науки, является отыскание... противоречий" [1].

Однако механизмам преодоления противоречий уделялось мало внимания. Оставался открытым вопрос: существуют ли какие-нибудь закономерности в преодолении противоречий и если да,- то какие? Ниже мы попытаемся частично восполнить этот пробел. Обратимся сначала к конкретному примеру преодоления противоречия, например, из области военного искусства.

Современники Наполеона ни раз поражались тому, как он, имея меньше сил, разбивал неприятеля, который был сильнее. Но там, где современники видели только противоречие - противник должен быть слабее, чтобы его можно было разбить, но является сильнее - там Наполеон видел еще и способ его преодоления. Много раз и по разным поводам говорил он, что все военное искусство заключается в умении сосредоточить в нужный момент и в нужном месте больше сил, чем есть в этот момент и в этом месте у противника. Наполеон старался с молниеносной быстротой бросаться на разрозненные силы врага и бить их по частям. И во всяком таком отдельном нападении он оказывался сильнее, хотя общее количество солдат во всей армии неприятеля было больше, чем общее количество солдат у Бонапарта.

Проанализируем эту формулу преодоления противоречия, вошедшую с тех пор во все учебники по военному искуству, - можно быть слабее в целом, но надо суметь быть сильнее в каждом частном случае. Нетрудно видеть, что в этой формуле наряду с противоположностью "слабее-сильнее", составившей противоречие, присутствует еще одна противоположность - "часть-целое". Как говорится, клин клином вышибают.

Оказывается,что это не случайность,а проявление довольно общего правила: преодоление широкого класса противоречий связано с введением еще одной пары противоположностей в дополнение к той, что содержится в формулировке противоречия. Если противоречивые требования, составляющие противоречие, обозначить через А и "не А", а вводимые противоположности - через В и "не В", то преодоление противоречия заключается в том, что В наделяется свойством "не А", а "не В" - свойством А.

Анализ большого числа примеров преодоления противоречий, взятых из самых различных областей науки и техники, показал, что имеется ограниченное количество типовых противоположностей, по которым разносятся противоречивые требования.

1. Противоположность "субстанциональное-функциональное".

Субстанциональными называются те свойства объекта, которыми он обладает сам по себе, будучи в свободном состоянии. А функциональными называются те свойства, которые приобретает объект, будучи включенным в некоторую систему.

Использование этой противоположности для преодоления противоречий типа "объект должен обладать свойством А и не должен обладать свойством А" дает следующий способ "разнесения" противоречивых требований: свойство А является функциональным, а свойство "не А" - субстанциональным. Говоря проще, в свободном состоянии объект обладает свойством "не А", а, будучи включенным в соответствующую систему, приобретает свойство А.

Например, в 1934 г.супруги Жолио-Кюри, бомбардируя альфа-частицами атомы алюминия, получили фосфор-30, который спонтанно излучал позитроны и превращался в кремний-30. Это могло быть только в том случае, если предположить, что внутри ядра происходит превращение одного протона в нейтрон с излучением позитрона. Однако, такое предположение наталкивалось на то обстоятельство, что протон легче нейтрона. Получалось противоречие: с одной стороны, протон должен превращаться в нейтрон, чтобы можно было объяснить опыт Жолио-Кюри, а с другой стороны, не должен превращаться, поскольку это противоречит закону сохранения массы и энергии.

Это противоречие удалось преодолеть,когда было установлено,что протон действительно легче нейтрона, если речь идет о свободных частицах. Внутри ядра, однако, массы нуклонов слегка меняются, и превращение протона в нейтрон становится возможным. Таким образом, в свободном состоянии протон действительно не может превратиться в нейтрон, но в некоторых ядрах такое преврашение возможно.

Особенно распространен рассматриваемый способ преодоления противоречий в технике там, где часто приходится придавать объектам те или иные свойства, которыми они сами по себе не обладают. Существует много способов придать объекту нужные свойства: ввести добавки, воздействовать на объект теми или иными полями, погрузить его в специальную среду... Вот конкретный пример применения описанного выше способа для преодоления противоречия в сельско-хозяйственной технике [2].

Известно, что 99% воды,потребляемой растением, не оказывает на его рост никакого влияния. Она выкачивается из почвы и испаряется в окружающий воздух. Таким путем 1 гектар пшеницы за вегетационный период перекачивает около 5 тысяч кубометров воды. Если учесть, что к 1980 г. площадь орошаемых земель должна удвоиться, то возникает проблема: где взять миллионны кубометров пресной воды? Можно попытаться изыскать эти миллионы, но это не снимает проблемы, а лишь отодвигает ее решение. Поэтому мелиораторы не побоялись поставить проблему радикально: найти способ преодолеть противоречие, заключающееся в том, что надо обильно поливать почву, и нельзя этого делать, ввиду ограниченных запасов воды. После долгих поисков было предложено: рассматривать почву не в отрыве от всего остального и орошать ее не саму по себе, а в системе "почва-воздух". Если припочвенный слой воздуха сделать влажным, то почва будет испарять гораздо меньше воды, а значит и поливать ее можно будет гораздо меньше.

2. Противоположность "часть-целое".

Выше уже был приведен пример использования этой противоположности для преодоления противоречия в полководческом творчестве. На очереди - пример из научного творчества.

Когда в конце XIX века исследования катодных лучей привели к открытию электрона, который, как оказалось, можно выделить из любого вешества, обнаружилось противоречие этих экспериментальных данных хорошо установленному факту нейтральности атомов и предположению об их неделимости.

Как известно, преодолеть это противоречие сумел Дж.Дж.Томсон, который предположил, что атом не является неделимым, а обладает собственной структурой, такой, что в целом /В/ он нейтрален /"не А"/, хотя состоит из частей /"не В"/, обладающих электрическим зарядом /А/.

В технике тоже довольно часто приходиться сталкиваться с тем, что противоречие - объект должен обладать свойством А и не должен обладать свойством А - преодолевается путем перехода от "сплошного" объекта к такой конструкции, что части ее обладают свойством А, но вся конструкция в целом организована так, что она обладает свойством "не А". Например, при исследовании акустических полей применяются датчики, содержащие звукопровод. Для точного измерения акустического поля необходимо, чтобы звукопровод был тонким. А для того, чтобы датчик был "производительным" и позволял снять информацию с достаточно большого участка поля, звукопровод должен быть толстым. Преодоление этого противоречия привело к изобретению [3], где сплошной звукопровод в датчике заменяется рядом волокон звукопроводящего материала. Каждое волокно - тонкое, а звукопровод в целом - по-прежнему толстый.

3. Противоположность "форма-содержание"

На использовании этой противоположности основан следующий способ преодоления противоречий, заключающихся в том, что нечто должно обладать свойством А и должно обладать, или обладает, свойством "не А": это "нечто" по форме обладает свойством А, а по содержанию - свойством "не А". Вот пример использования этого способа для преодоления противоречия в науке.

Когда в середине 20-х годов появились матричная механика Гейзенберга и волновая механика Шредингера, многим казалось, что это две независимые теории - настолько они были различны по своим постулатам и по используемому математическому аппарату. Однако, как оказалось, обе эти теории применимы для объяснения одних и тех же явлений атомной физики, причем, дают одинаковые результаты. Получалось, что, с одной стороны, обе теории должны быть идентичны, а с другой - они совершенно различны.

Объяснить это противоречие и тем самым преодолеть его удалось Шредингеру, который показал, что, хотя по своей форме /В/ матричная механика совершенно отлична /не А/ от волновой механики, по своему содержанию /не В/ обе теории идентичны /А/. И в той и в другой главную роль играют не сами измеряемые величины, а их операторы, и теории отличаются лишь различным представлением этих операторов. В матричной механике они представлены в виде матриц, а в волновой - в виде дифференциальных операторов.

Рассмотрм теперь пример применения противоположности "форма-содержание" для преодоления противоречия в технике. Предварительно отметим, что в технике под содержанием часто понимается вещество или состав объекта, а под формой - его собственная геометрическая форма/конфигурация или форма того объекта, в котором это вещество распределено/растворено.

При проведении ускоренных износных испытаний двигаталей внутреннего сгорания надо подавать различные сыпучие материалы - песок, пыль, частицы глины и т.д. в фильтры. Количество добавок обычно велико, подавать их надо строго по графику определенными порциями и смешивать их нельзя. Поэтому использовать дозаторы невыгодно, так как требуется слишком много дозаторов, и испытательная установка получается слишком громоздкой. А отмерять вручную подаваемые порции тоже недопустимо: добавки подаются маленькими порциями и точно их вручную не отмеришь. Итак, противоречие: чтобы процедура отмера была простой, а значит грубой, отмеряемые порции должны быть большими, но, чтобы соблюдались условия испытаний, добавки надо подавать маленькими порциями. Разнесение разноречивых требований по противоположности "форма-содержание" дает следующую формулу преодоления этого противоречия: по количеству вещества порция должна быть маленькая, но при этом ее надо размазать по большому пространству/объекту. Именно так преодолено противоречие в изобретении [4], где сыпучий материал равномерно наносят на поверхность ленты, так что малое количество порошка оказывается размазанным по сравнительно большой площади. Поэтому достаточно точно отмерить нужную порцию вручную нетрудно (ее, например, можно отрезать ножницами).

4. Противоположность "причина-следствие"

Предметом нашего исследования являются механизмы/способы преодоления противоречий в конкретных областях науки и техники. Поэтому может показаться странным, что в формулировках этих способов используются философские категории, такие как "субстанциональное-функциональное", "часть-целое", "форма-содержание", "причина-следствие" и т.п.

Это несоответствие имеет свое оправдание и объяснение. Философские противоположности - это наиболее общие противоположности. Каждая из них - квинтэссенция многих схожих конкретных противоположностей, характерных для той или иной области науки и техники. Например, быть причиной чего-то - это обобщение таких понятий, как "выводиться из чего-то", "объясняться чем-то", "вырастать из чего-то" и т.д. и т.п.

В самом общем виде способ преодоления противоречий, основанный на рассматриваемой здесь противоположности, заключается в том, что причина со свойством А имеет следствие со свойством "не А".

Рассмотрим его применение в химии. В начале XIX века, после победы Пруста в споре с Бертолле, в химии утвердилось представление, что во всех химических реакциях вещества реагируют в кратных отношениях. Поэтому, когда было обнаруженно, что в каталитических реакциях не выполняется закон кратных отношений, этот факт не мог не вызвать живейшего интереса. Но вместе с тем, он не мог стимулуровать пересмотра стехиометрических идей, которым досталась трудная победа. Так химия оказалась перед лицом противоречия: закон кратных отношений должен выполняться в каталитических реакциях и не должен выполняться, о чем свидетельствуют некоторые факты. У. Генри, А. де ля Рив, Г. И. Гесс, А. И. Ходнев попытались преодолеть это противоречие путем объяснения нарушения закона кратных отношений в каталитических реакциях посредством самих этих законов (т.е. выведением "не А" из "А"). По их мнению катализатор К принимает точно такое же участие в реакции, как и реагент Р1, образуя соединения постоянного состава: Р1 + К = Р1К. Это соединение взаимодействует со вторым реагентом Р2 с выделением катализатора: Р1К + Р2 = Р1Р2 + К [5].

И хотя эти представления оказались ошибочными, ценность данного примера от этого не меняется. Применение того или иного способа для преодоления противоречия, как всякое теоретическое построение, не гарантирует получения решения адекватного действительности. Оно лишь гарантирует выработку такой гипотезы, в которой противоречие оказывается снятым. А всякую гипотезу надо проверять практикой. И если она оказывается неверной, надо менять способ преодоления противоречия и формулировать новую гипотезу.

В технике, особенно вычислительной технике, тоже очень часто приходится сталкиваться с описанным выше способом преодоления противоречий. Так, в вычислительной технике нередко возникает ситуация, что одна программа для ЭВМ просто записывается, но долго выполняется, а другая программа, дающая те же результаты, сложно записывается, но быстро выполняется. Снимается это противоречие тем, что создают простую программу, которая порождает сложную, но быстро выполняющуюся (программа со свойствлм А порождает программу со свойством не-А). Выполнение этой второй программы и дает нужный результат. Выигрыш во времени получается при многократном ее использовании.

5. Противоположность "детерминированное - случайное"

Использование этой противоположности для преодоления противоречий типа "нечто должно обладать свойством А и должно обладать свойством не-А" заключается в том, что это "нечто" раздваивается на детерминированную чем-то и случайную по отношению к тому же части. Детерминированная часть обладает свойством А, случайная - свойством не-А.

Примером применения этого способа может служить следующее [6]. Когда было доказано предположение, что на Солнце идут термоядерные реакции синтеза, сразу возник вопрос: почему Солнце не взрывается ? На Солнце много вещества и высокая температура. Следовательно, количество столкновений между атомами с энергией достаточной для синтеза должно быть огромным. Но Солнце не взрывается - значит, взаимодействий гораздо меньше, чем показывают рассчеты. Прежде, чем говорить о том, как было преодолено это противоречие, попробуем разнести противоречивые требования - взаимодействия должны происходить часто и долны происходить редко - по противоположностям "детерминированное" и "случайное". Получим: взаимодействие, приводящее к синтезу, должно состоять из двух частей - детерминированной внешними условиями (температурой, количеством вещества) и случайной. Первая часть взаимодействия происходит часто, вторая - редко. Так оно и оказалось. Было установлено, что для того, чтобы наступил синтез необходимо но не достаточно, чтобы атомы с нужной энергией столкнулись. Должно произойти еще что-то. Это "что-то" не зависит от внешних условий, носит случайный характер и происходит чрезвычайно редко. Оно получило название слабого взаимодействия. Так было объяснено, почему Солнце не взрывается.

6. Проивоположность различий

Преодоление противоречия не обязательно связано с разнесением противоречивых требований по противоположностям. Противоположные требования могут разноситься по различным объектам, различным условиям, различным участкам пространства или моментам времени и прочим различиям. Противоположность - это крайний случай различия. Но если стремиться к унификации, то легко усмотреть в каждом различии какую-то противоположность. Например, два объекта только потому и различны, что один из них обладает каким-то качеством, которым не обладает другой.

Вот несколько примеров использования различий при преодолении противоречий в науке.

В 1935 г. японский физик Х. Юкава предсказал существование частицы с массой промежуточной между массой протона и электрона. Вскоре частицы с такой массой были обнаружены в космических лучах. Они были названы мезонами. Было известно, что мезоны неустойчивы, и, следовательно, приходят не из космоса, а образуются в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей. Неожиданно оказалось, что мезоны в нижних слоях атмосферы поглощаются примерно в 100 раз менее интенсивно, чем возникают в верхних слоях. Это противоречило теории Юкавы, по которой мезон должен интенсивно и быстро взаимодействовать с веществом. С целью преодолеть возникшее противоречие - по теории мезон должен интенсивно поглощаться веществом, а в действительности этого не происходит - американский физик Маршак в 1947 г. предположил, во-первых, существование двух типов мезонов. Один из них интенсивно взаимодействует с веществом - это мезон Юкавы, другой - нет. Во-вторых, Маршак предположил, что в верхних слоях атмосферы мы имеем дело с мезоном Юкавы, а в нижних - с другим мезоном. Третье предположение Маршака заключалось в том, что менее интенсивно взаимодействующий мезон образуется в результате распада более интенсивно взаимодецствующего мезона Юкавы, пронизывает атмосферу и достигает поверхности Земли, где и регистрируется нашими приборами. Последующие эксперименты подтвердили правильность этой гипотезы.

Этот пример интересен тем, что в нем противоречие преодолено разнесением противоречивых свойств не по одной какой-то противоположности или различию, а сразу по трем: по различным частицам, по различным участкам пространства (атмосферы) и по противоположности "причина - следствие" (дочерняя частица - материнская частица).

А вот пример разнесения противоречивых свойств по различным моментам времени [7]. Известно, что система Сириуса представляет собой двойную звезду - Сириус А и Сириус В. Разумно предположить, что обе звезды образовались одновременно. И все же Сириус А находится в расцвете жизни (одна из самых ярких звезд), а Сириус В - глубокий старик (светит в 8000 раз слабее и еле видим, хотя его масса всего лишь вдвое меньше массы Сириуса А). Если возраст обоих звезд одинаков, это может означать только то, что Сириус В жил намного быстрее Сириуса А. Для этого, согласно соотношению масса-светимость, Сириус В должен обладать большей массой, чем Сириус А. На самом деле он имеет вдвое меньшую массу. Это противоречие удалось объяснить, когда было высказано предположение, а потом обоснованно теоретически, что белые карлики, каким является Сириус В, могут образовыаться в результате взрыва звезды как Сверхновой. Таким образом, противоречие объясняется тем, что раньше Сириус В имел гораздо большую массу, чем теперь.

А вот пример разнесения по различным моментам времени в технике. Для защиты антенны радиотелескопа от молний необходимо иметь молниеотвод. Но молниеотводы задерживают радиоволны, создавая радиотень. Получается, что для того, чтобы пропускать радиоволны, молниеотвод должен быть непроводником, а для того, чтобы ловить молнию, должен быть проводником. Это противлречие преодолено в изобретении [8], по которому молниеотвод в обычное время изолятор, а в момент подавления молнии переходит в проводящее состояние.

Интересный технический пример преодоления противоречия путем разнесения противоречивых свойств по различным объектам приведен в [9]. В ЭВМ второго поколения скорость всей машины еще лимитировалась скоростью самой медленной ее компоненты. На многих ЭВМ дорогие центральные процессоры почти все время простаивали в ожидании медленных переферийных устройств, осуществляющих операции ввода-вывода. Отличное решение этого противоречия - машина способна работать быстро, послольку имеет быстрый процессор, и не может реализовать свои способности вследствие медленной работы устройств ввода-вывода - было найдено фирмой IBM. В разработанном ею проекте вся вычислительная система состояла из быстрой "главной" машины IBM 7090 и одной или нескольких малых медленных машин IBM 1401. Первая осуществляла счет, остальные - ввод-вывод.


В нашей стране и за рубежом все более широкое применение находит теория решения изобретательских задач [10, 11]. Аппарат выявления и преодоления противоречий является одним из основных элементов этой теории. Поэтому результаты данной работы могут быть использованны в деле уточнения и совершениствования этого аппарата.

Кроме того, из вышеизложенного материала можно сделать важный вывод о подобии основных механизмов научного и технического творчества, первая аргументация которого в рамках ТРИЗ была дана еще в [12]. В наш век узкой специализации такой вывод может свидетельствовать о том, что в будущем, возможно недалеком, история вновь совершит виток по спирали и опять наступит век универсалов. Предыдущая эпоха универсалов была эпохой энциклопедистов. Человек мог плодотворно работать в самых различных областях науки и техники в силу энциклопедичности своих знаний. Это время кончилось, т.к. объем знаний вырос настолько, что не мог уже уместиться в голове одного человека. Стремление знать все или почти все в своей области породило специализацию. Однако сейчас рост знаний обратился в свою противоположность: все чаще можно услышать, что информационный взрыв породил информационный голод, что легче самому переоткрыть необходимые результаты или переизобрести какое-то устройство, чем искать их описание в информационной лавине. Поэтому все большее значение приобретает не анализ огромного числа второстепенных и третьестепенных фактов, которые в каждой области свои, а знание и умение применять механизмы творческой работы, которые едины для различных областей науки и техники. В будущем, по-видимому, основное внимание будет уделено воспитанию научно-технических работников, имеющих фундаментальные политехнические знания в сочетании с совершенством владения инструментами теории решения научных и технических проблем. Такое сочетание должно позволить легко переключаться с одной области науки или техники на другую, поскольку узкоспециальные следствия фундаментальных концепций будут для них практически очевидны.

Ну а пока на повестке дня стоит задача: использовать обнаруженное подобие основных механизмов научного и технического творчества для распространения высокого потенциала теории решения изобретательских задач на научное творчество.

Л и т е р а т у р а:

  1. П.Л. Капица, Эксперимент, теория, практика, "Наука", М., 1974, стр. 18.
  2. "Изобретатель и рационализатор", № 1, 1978, стр. 6-8.
  3. Бюллетень "Изобретения, открытия,...", № 15, 1968, стр. 97.
  4. Бюллетень "Изобретения, открытия,...", № 18, 1971, стр. 134-135.
  5. В.Л. Кузнецов, Диалектика развития химиии, "Наука", М., 1973, стр. 140-142.
  6. "Наука и жизнь", № 7, 1977, стр. 27-32.
  7. А. Азимов, Вселенная, "Мир", М., 1968, стр. 169-300.
  8. Бюллетень "Изобретения, открытия,...", № 1, 1966, стр. 47.
  9. А. Колин, Введение в операционные системы, "Мир", М., 1975, стр. 15.
  10. Г.С. Альтшуллер, Алгоритм изобретения, "Московский рабочий", М., 1973.
  11. Г.С. Альтшуллер, Творчество как точная наука, "Советское радио", М., тем. план 1979.
  12. К общей теории творчества, - сб. статей под ред. Г.С.Альтшуллера, препринт, Баку, 1974.