Одним из ярких примеров математизированной теории является теория информации К.Шеннона, в которой понятие информации не связано ни с формой, ни с содержанием сообщений (сигналов), передаваемых по каналу связи, а является абстрактной фикцией, умственным конструктом, не существующем в физической реальности подобно логарифмам или мнимым числам. Данная теория оперирует не реальными физическими объектами (источниками и каналами связи), а математическими моделями. Она использует, главным образом, математический аппарат теории вероятностей, изучающей закономерности случайных явлений: случайные события, случайные величины, их свойства и операции над ними, и математической статистики, разрабатывающей математические методы систематизации и использования статистических данных для научных и практических выводов. «Истоки математической статистики, – пишут Кирьянова Л.В. и Мацеевич Т.А., – можно найти уже в сочинениях создателей теории вероятностей начиная с XVII века. Роль математической статистики была значительной на разных этапах развития общества, она выросла в XX веке и продолжает возрастать в наше время. Математическая статистика применяется при изучении массовых явлений, где имеется вариация признаков у отдельных единиц совокупности (в целом однородной по каким – либо существенным признакам). Например, при выборе оптимальных решений для повышения качества строительных материалов, использования многокомпонентных составов, добавок-регуляторов свойств и структуры материалов требуются статистические методы, позволяющие оценивать варианты и сравнивать их между собой. Для того, чтобы обеспечить необходимую прочность конструкций, требуется при их проектировании предвидеть все возможные риски, которым может подвергнуться проектируемый объект. Никто заранее не имеет полной информации об этих рисках и, тем более, об их взаимной корреляции. Поэтому, необходимо знание теории принятия решений в условиях неопределенности (так называемые «игры с природой») и основ теории нечетких множеств»[25].
Рассмотренные выше этапы формирования неклассической технической теории являются, по В.Г.Горохову, революционным способом смены одной фундаментальной теоретической схемы другой при переходе технических наук в «новое семейство». Одним из примеров такого перехода является, по его мнению, смена парадигмы научного и инженерного мышления в радиолокационной системотехнике, заменившей электродинамическую картину мира системно-кибернетической. В результате этого радиолокация перешла в «новое семейство» технических дисциплин, которые имеют системную ориентацию. «Переход от классической радиолокации к радиолокационной системотехнике, – продолжает он, – это прежде всего переход от разработки отдельных РЛС (радиолокационных станций. – М.С.) различного назначения к созданию многофункциональных систем. Несколько РЛС, замкнутых на один пункт сбора и обработки информации, составляют радиолокационный узел; несколько таких узлов, обменивающихся информацией, образуют радиолокационную систему… Радиолокационная система является, в свою очередь, подсистемой более крупной системы – системы управления, которая входит в еще более крупную систему, например навигационную»[26].
Теоретическими основами неклассических технических наук являются не одна какая-либо теория, а совокупность теорий и отдельных теоретических положений ряда наук, притом не обязательно только естественных. Так, например, теоретические основы той же радиотехники включают теорию колебаний, теорию информации, теоретические положения радиофизики, физики полупроводников и др. По мере развития любой конкретной технической науки происходит расширение ее теоретических основ, но это расширение имеет свои пределы, связанные с особенностями ее объекта исследования. Теоретические основы могут быть общими для всех неклассических технических наук и специфичными для каждой из них в отдельности. К общим теоретическим основам современного технического знания относятся принципы организации автоматизированного управления, например, упорядочение технологии, потоков информации, методов управления; принцип соответствия между потребностями производства и возможностями системы управления; принципы унификации и стандартизации и др. В некоторых неклассических технических науках можно выделить главную теоретическую основу. Например, для атомной энергетики – это теория цепных ядерных реакций, для квантовой электроники – квантовая теория вынужденного излучения. Во многих случаях в концептуальное ядро теоретических основ входят одновременно несколько теорий. Следует также отметить, что неклассические технические науки опираются, как правило, на результаты фундаментальных и прикладных исследований в различных отраслях естествознания и общетехнических наук. Космонавтика, ядерная энергетика, робототехника, компьютерная техника и т.д. обязаны своим появлением и развитием целому комплексу таких исследований. В этом отношении неклассические технические дисциплины во многом отличаются от прикладных отраслей современных естественных наук, использующих результаты своих фундаментальных отраслей. Техническая физика, например, занимается поиском путей и средств применения открытых физикой общих закономерностей, управляющих физическими явлениями. Прикладная химия стремится найти способы использования вновь обнаруженных в теоретической химии закономерностей в химической технологии и т.д. Для производства же материалов с заданными физико-химическими свойствами или при создании атомных реакторов приходится опираться на результаты фундаментальных и прикладных исследований не только в физике и химии, но и в других отраслях естествознания и технических наук. Поскольку понятия «фундаментальная наука» и «прикладная наука» относительны, вполне можно говорить о непосредственных теоретических основах неклассических технических наук и более фундаментальных теоретических основах, взаимодействующих с этими науками опосредованно. При этом во всех типах знания, используемых в технике и технологии, существуют относительно самостоятельные эмпирические компоненты. Если классические технические науки подчас ошибочно относили к прикладным отраслям науки, то теперь такое утверждение тем более не отвечает современному уровню развития технического знания. В рамках самого этого знания можно выделить науки, которые выступают в качестве теоретического фундамента для специальных технических дисциплин и инженерных разработок. Поэтому нередко такие науки сегодня называют «общетехническими» или «теоретическими». Так, например, теоретическая электротехника служит тем фундаментом, на который опираются специальные технические дисциплины – теории электропривода, электрических машин, электроматериаловедения и т.п. То же самое можно сказать о теории сопротивления материалов, служащей основой для расчета прочности деталей машин, узлов и конструкций. Методы такого расчета изучаются соответствующими техническими дисциплинами.Сложная структура научно-технического знания и необходимость тесной и постоянной связи с инженерной деятельностью обусловливает наличие в неклассических технических науках одновременно фундаментальных, научно-технических и инженерных типов исследования. На это особое внимание обращает, в частности, В.Г.Горохов. По его мнению, фундаментальные исследования присущи не только естественным, но и техническим наукам.
К фундаментальным, или поисковым, исследованиям он относит исследования, предпринимаемые для развития самой технической науки, вытекающие из внутренней логики движения ее понятий и теорий. Эти исследования рассчитаны на перспективу (пять лет и более). Они направлены на развитие определенной теории в конкретной дисциплине. Для этих исследований не планируются проектные результаты в ближайшем будущем. Признанным выходным результатом считаются публикации книг, учебников, статей, рецензий и т.д. На первых этапах поисковые, фундаментальные исследования в научно-технических дисциплинах осуществляются преимущественно специалистами из других областей научного знания (математиками, представителями родственной естественнонаучной дисциплины и т.д.).
Критерий фундаментальности часто связывается со свободным поиском новых законов, принципов и идей. В результате этого поиска, с одной стороны, возрастает фундаментальность технических наук, делается органической их связь с исследованием глубинных сторон и соотношения явлений сторон действительности, а с другой – усиливаются технические аспекты «фундаментальных» наук (математики, физики, химии и др.). Вся система научного познания в итоге не только теснее, но и непосредственно связывается со сферой технического знания.
Решение комплексных технических проблем приводит к постановке новых задач и способствует появлению новых отраслей и направлений фундаментальных исследований. В качестве примера приведем кибернетику, информацию, алгоритмы, моделирование. Их развитие показывает, что между фундаментальными и прикладными исследованиями имеются тесные взаимосвязи и взаимодействия. Неслучайно ряд ученых подчеркивают относительный и условный характер деления исследований на фундаментальные и прикладные. Например, П.Л.Капица считает, что деление науки на базисную (фундаментальную) и прикладную «во многом следует считать искусственным, и трудно указать точку, где кончается базисная и начинается прикладная наука»[27]. А.Ю.Ишлинский также подчеркивает, что «часто самые отвлеченные науки вносят крупный вклад в развитие общества… и наоборот, используя науку в различных областях знания, мы сталкиваемся с явлениями, которые приводят к важным открытиям фундаментального характера»[28].
Квантовая физика, например, отказывается от поиска основополагающих фундаментальных законов и склоняется к своего рода комплексному исследованию, описанию физических явлений с помощью системы пересекающихся моделей, представляемых каждый раз новой комбинацией частичных теорий. Такая перестройка уже началась и в сфере теории, и в области практики. Она связана с развитием более широкого, системного подхода к изучению и проектированию сложных систем, главным требованием которого является необходимость учета самых разнообразных факторов и последствий научного и инженерного действий.
Научно-технические исследования являются «развитием и конкретизацией результатов фундаментальных исследований под решение определенного класса инженерных задач. Они планируются на срок от одного года до пяти лет и представляют собой научно-исследовательские разработки, результатом которых являются помимо отчетов методические рекомендации (для инженеров, проектировщиков, изобретателей и т.д.), руководящие технические материалы или техническое задание на опытно-конструкторскую работу»[29]. Эти исследования осуществляются представителями конкретной научно-технической дисциплины. Работа для них в данной области является основным видом деятельности.
Инженерные (технические, прикладные) исследования, наоборот, проводятся в срок до одного года. Они представляют собой научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР). «Инженерные исследования, – пишет В.Г.Горохов, – включают предпроектное обследование, научное обоснование разработки, анализ возможности использования уже полученных научных данных для конкретных инженерных расчетов, эффективности разработки, а также необходимости проведения недостающих научных исследований и т.д… Инженерные исследования, как правило, осуществляются инженерами-проектировщиками, изобретателями, конструкторами, для которых научное исследование является побочной деятельностью. Иногда формируются специальные подразделения, из инженеров-исследователей. В отдельных случаях могут привлекаться эксперты-специалисты в области научно-технических исследований. Инженерные исследования проводятся в основном в отраслевых НИИ (с проектной тематикой), конструкторских бюро (КБ) и заводских лабораториях. Публикации в данном случае являются редкостью, исключением из правила»[30].
Неклассическая техническая теория, в отличие от классической, не строится по образцу естественнонаучной теории. Для нее характерно включение в теоретические исследования общей методологии. В настоящее время, по мнению В.Г.Горохова, выдвигаются два основных методологических идеала организации такого рода теоретических исследований:
1) В качестве методологической нормы построения современных технических наук рассматривается синкретизм развиваемых в них теоретических представлений, связанный с необходимостью использования самых различных наук и знаний при решении комплексных по своей сути инженерно-проектных задач.
2) Второй идеал связан с разработкой особых способов абстрактного изображения таких синкретических представлений, что стимулируется в первую очередь необходимостью применения в той или иной научно-технической дисциплине определенного математического аппарата и программных средств имитационного моделирования на ЭВМ.
Оба этих методологических идеала равнозначны, рядоположены, являются взаимодополняющими способами организации теоретических знаний в неклассических технических науках.
Для теоретических исследований этих наук, в отличие от технических наук классического типа, характерны междисциплинарность, системность, проблемная ориентация и т.д., так как «объектом исследования такого рода наук становятся не только технические средства, устройства, изделия, но и человеко-машинные, субъектно-объектные отношения, что роднит их с неклассической физикой»[31].
Главной особенностью теоретических исследований в современных технических науках являются преимущественно не внутридисциплинарные, как в классических технических науках, а междисциплинарные исследования, обусловленные процессом интеграции научно-технического знания. В последние десятилетия стали образовываться самостоятельные технические теории на стыке двух или более уже существующих наук, которые занимаются исследованием проблем, являющихся общими для тех отраслей знания, на границе которых они образовались; происходит дальнейший процесс сближения не только однородных теорий, исследующих одну и ту же форму движения материи, но и таких теорий, которые изучают разные области действительности (биотехнология, инженерная психология и др.).
К середине XX в. дифференциация технических наук и инженерной деятельности достигла пределов, за которыми дальнейшее их развитие стало невозможным без проведения междисциплинарных исследований и системной интеграции самой инженерной деятельности. Именно тогда начали формироваться самые разные неклассические технические науки и соответствующие им сферы инженерной практики. В результате этого появились весьма «узкие» специалисты, знающие «все ни о чем», и «универсалисты», напротив, знающие «ничего обо всем». Наличие «универсалистов», по мнению В.Г.Горохова, необходимо для того, чтобы быстро находить решения комплексных проблем, для разрешения которых узкоспециализированным специалистам обычно требуется длительное время.Ныне процессы интеграции настолько захватили как многие области научно-технического знания, так и методы и средства познания, методологические приемы и процедуры теоретического исследования, что противоположные им процессы дифференциации оказались оттесненными на задний план. Это объясняется не только изменением характера предмета исследования, но и знанием основных форм движения материи, взаимосвязи, взаимозависимости и взаимообусловленности этих форм, а также открытием ряда общих принципов и закономерностей развития действительности.
Необходимость синтеза научных теорий, отражающих разные области действительности, детерминируется также тем, что возникающие узкоспециальные теоретические построения приводят к определенной разобщенности ученых, к их изоляции от других систем научно-технических знаний какой-либо другой области материального или духовного мира, когда, например, один математик перестает понимать другого математика. Такие ситуации неизбежно возникают и в других науках, если процесс формирования наук не сопровождается созданием определенных пограничных, междисциплинарных теоретических построений и более широких логически стройных и непротиворечивых систем научно-технических знаний, позволяющих рассматривать все входящие в них знания с некоторой общей точки зрения. Эта задача может быть выполнена путем соответствующего объединения технических теорий, ставших уже недостаточными для объяснения новых явлений и структурных образований, в новые, более общие теории, которые не отбрасывают прежние технические теории, а включают их в себя в качестве частных случаев.
Осуществление синтеза научных теорий, отражающих различные стороны действительности, в единое теоретическое построение становится все более насущной необходимостью и даже одной из основных форм развития научно-технических знаний. За последние десятилетия значительно возросло число проблем, которые можно исследовать лишь средствами различных теорий и научно-технических дисциплин. Сегодня стало ясно, что междисциплинарные исследования приобретают в развитии научно-технических знаний все большее значение. Так, например, проблему освоения космоса, проблему механизации и автоматизации производства, экологическую проблему и многие другие проблемы невозможно исследовать средствами одной теории или научно-технической дисциплины. Сложная природа этих проблем требует объединения усилий нескольких, а порой и множества наук.
Важно также подчеркнуть, что объединение различных научно-технических теорий вокруг какой-либо одной глобальной проблемы и внутренняя логика развития этой проблемы порождают новые ее аспекты, новые идеи и положения, требующие для своего исследования привлечения новых научных теорий и научно-технических дисциплин, что нередко приводит к тому, что такие междисциплинарные проблемы становятся общенаучными. Теперь общенаучными можно считать такие проблемы, как автоматизация и механизация производства, проблемы управления и ряд др.
Исследование общенаучных проблем требует также изыскания и новых методов, форм и способов познания. Не случайно в научном познании стали появляться и приобретать большое значение такие методы познания, как системно-структурный, структурно-функциональный, вероятностный, информационный и др.
Раньше, когда главным образом происходил процесс дифференциации научного знания, когда отпочковавшиеся науки развивались самостоятельно, относительно независимо от других наук, органическое единство естественных, технических, социально-гуманитарных наук проследить было трудно. В настоящее же время это единство выступает особенно отчетливо. И это единство определяется органическим единством мира, означающим, что все его области, части, стороны неразрывно связаны между собой, обусловливают друг друга, оказывают влияние друг на друга (разумеется, в разной степени).
В настоящее время каждая отдельная область действительности изучается, как правило, не одной, а многими теориями, каждая из которых исследует свою, вполне определенную сторону этой области действительности. Именно поэтому сегодня уже нет, например, химии как одной науки, физики как особой науки, как было прежде, а существует целый комплекс физических наук, химических наук, биологических наук, технических наук и т.п.
Более того, в процессе развития науки стало отчетливо проявляться неразрывное единство между такими ее областями, которые, как представлялось раньше, не имеют между собой ничего общего. Совсем недавно ученые были уверены, что, например, биологические и технические теории мало чем связаны между собой. Однако возникновение кибернетики опровергло это мнение. Возникла специальная наука – бионика (наука об особенностях строения и жизнедеятельности организмов для создания технических приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих), которая объединяет в единое целое эти, казалось бы, совершенно различные теории.
Особенно ускорился процесс взаимного сближения и взаимопроникновения естественных, технических и социальных теорий в последние десятилетия. Одним из первых обратил на это внимание академик М.В.Келдыш. Будучи Президентом АН СССР, он, в частности, сказал: «Нет резкой грани между науками общественными, естественными и техническими. Тенденция развития наук – дальнейшее укрепление союза между ними, их взаимосвязи. Например, применение методов статистики, теории вероятности в экономике намного усиливает эту область знания. Современные методы физики и химии проникают даже в археологию, математические методы – в лингвистику. Такие области соприкосновения и взаимодействия наук необходимо всемерно развивать, это сулит эффективные результаты как в практическом, так и в теоретическом отношении»[32].
Взаимосвязь наук создает условия для максимально эффективных исследований в области как фундаментальных, так и прикладных теорий, сближает и укрепляет союз исследователей в самых разных областях действительности, порождает возможность осуществлять междисциплинарные исследования, совместными усилиями представителей различных наук формировать теории, имеющие общенаучное значение. Путь современной науки – это масштабное использование многих научных и технических направлений, их синтез в единую неразрывно совершенствующуюся систему. Одним из ярких примеров осуществления такого синтеза является космонавтика, которая способствует изысканию новых путей подхода к изучению человека и общественных отношений, его духовного богатства и культурных ценностей. Она порождает ряд социальных проблем, связанных с развитием психологии (космической и медицинской), юридических наук (разработкой правовых норм исследования космоса и использования космического пространства), исследования космических цивилизаций и т.п.
Органическая связь естественнонаучных, технических и социальных теорий проявляется также в единстве научных методов познания. Причем речь идет не только о всеобщем, диалектическом методе, но и об общих методах познания, таких, как эксперимент, анализ и синтез, моделирование, математические методы и др. Экономическая наука, например, не может эффективно разрабатывать теории наиболее плодотворного использования достижений науки и техники в народном хозяйстве без тесного сотрудничества с математическими, техническими, естественными, гуманитарными и другими общественными науками. Например, философия в содружестве с естествознанием осмысливают и обобщают новейшие достижения науки и техники, разрабатывают методологию научно-философского познания; естествознание помогает историографии уточнять исторические факты, хронологию и т.д.
Разумеется, мы не говорим о том, что вообще исчезнут всякие грани между математическими, естественными, техническими и социально-гуманитарными науками. Мы считаем важным подчеркнуть лишь общую сущность этих наук, их единую природу. Многосторонность и дифференциация же научных теорий не только не сохранится, но и многократно возрастет. Поэтому систематизация научных теорий на различных этапах развития науки будет и впредь составлять важнейшую научную задачу.
В качестве примера приведем классификацию неклассических технических теорий по степени их абстрактности, осуществленную Г.И.Рузавиным:
1) теории с наивысшей степенью абстрактности, отличающиеся наибольшей общностью в изучаемой области реального мира (механика, электродинамика);
2) теории, изучающие специфические формы действия общих законов (теория колебаний или удара в механике, теория цепей или волноводов в электродинамике);
3) теории, относящиеся к прикладным отраслям соответствующих наук (прикладная механика, прикладная химия и технология);
4) теории, по уровню абстрактности не отличающиеся от частных теорий соответствующей базисной науки (теоретические основы электротехники, электроники и электрических машин, опирающиеся на законы и принципы электродинамики; по отношению к таким техническим теориям, как теория электропривода или электрических машин, выступают как фундаментальные отрасли технического знания).
Развиваясь нестандартным путем, неклассическая техническая теория, с одной стороны, отличается от классической технической теории тем, что последняя строилась под значительным воздействием базовой естественнонаучной теории и первоначально как раз у нее заимствовала теоретические средства и идеалы научной деятельности. С другой – в ней вырабатываются новые методы и собственные технические средства, отсутствующие в синтезируемых дисциплинах. Основываясь на общенаучных представлениях и понятиях (системных, кибернетических и др.) и универсальных средствах имитационного моделирования, неклассическая техническая теория вместе с тем сегодня сохраняет определенные параллели с современным естествознанием.
Методологическое единство современных естественных и технических наук опирается, прежде всего, на то, что и в природе, и в технике люди имеют дело с материей, существующей и развивающейся по единым законам. Отсюда следует, что универсальные принципы познания не могут не быть общими. Это относится и к применению соответствующего аппарата исследования, например, математического, методов кибернетики, а также более частных приемов и методов (моделирование, эксперимент, формализация и т.д.). Правда, в последнем случае начинает проявляться специфика реализации этих методов и приемов в естественных и технических науках. При этом, с одной стороны, речь идет об «онаучивании» техники, которое заключается в том, что технические методы во все возрастающей степени опираются на методы и результаты исследований естественных наук, а с другой – о «технизации» естественных наук (без технических приборов, инструментов сегодня уже немыслимо никакое естественнонаучное исследование). Эти методологические аспекты, проявляющиеся на каждом этапе развития познания, особое значение приобретают в условиях научно-технической революции. Если в предшествующие исторические периоды технические науки использовали преимущественно достижения естествознания, то теперь они сами во все возрастающей степени зависят от прогресса техники. «Все эти обстоятельства, – пишет Р.И.Косцов, – приводят к тому, что в технических науках и в технической практике изменяются определенные элементы методологии, вносимой естественными науками. Например, новые состояния материи (плазма), новые разновидности элементов (изотопы) и новые материалы (полимеры, полупроводники) заставляют изменять прежние классификации, стандарты, а также методы установления внешних и внутренних связей в технических науках»[33]. Прежняя точка зрения о том, что фундаментальные науки генерируют все знания, которые инженеры и техники затем применяют, не вполне соответствует действительности. В настоящее время неоспоримым фактом является то, что научные исследования, которые проводят инженеры в промышленных лабораториях, приводят так же к важным научным открытиям, как и ученые, работающие в научно-исследовательских институтах или университетах, приходят к большим технологическим достижениям. Однако даже поверхностное сопоставление современных естественных и технических наук показывает не только их тождество по ряду параметров, но и различия между ними. Если естественнонаучное знание (закон, теорема, соотношение зависимых величин и др.), как правило, относится к идеальному объекту, отличающемуся от объектов практики (идеальный газ в отличие от реальных газов, равноускоренное падение в вакууме в отличие от падения тела в среде и т.п.), то техническое знание имеет дело с объектами, которые являются одновременно и идеальными (колебательный и электрический контур, двухполюсник и т.д.), и реальными (технические устройства, механизмы, орудия). Если естественнонаучное знание необходимо обосновать как истинное в опытном аспекте (экспериментальное обоснование), то техническое знание также и в вопросе эффективности (оно должно быть и истинным, и эффективным в контексте инженерных разработок). Поскольку технические знания, по В.М.Розину, прямо или опосредованно связаны со знаниями родственного им естествознания и, кроме того, могут быть использованы для создания инженерных объектов, постольку они истинны. И поскольку эти знания успешно используются в инженерных разработках, в расчетах, инженерном проектировании и т.п., постольку они эффективны. Качественно новые отношения между современным естествознанием и неклассическими техническими науками сформировались в ходе научно-технической революции. Именно тогда произошло внедрение формализованного мышления практически во все сферы производства, именно тогда возникли обширные частные науки, на одном полюсе которых господствует то, что обычно называют фундаментальным поиском, а на другом – глубокое и органичное проникновение их в технологию и создание новых технологий. Современное естествознание входит в теоретические основы неклассических технических дисциплин не всем своим содержанием, а только той частью, которая носит характер фундаментального знания по отношению к этим дисциплинам. Современные концепции естествознания служат основой объяснения существующих и первоисточником создания новых научно-технических концепций. В то же самое время задача повышения эффективности материального производства, внутренняя логика развития технического знания влияют также на постановку цели исследований в самих естественных науках. Строго разграничить техническое знание и его теоретические основы часто не представляется возможным. Поэтому при расширительной трактовке технического знания (как знания естественно-технического) теоретические основы технических наук включаются в его структуру. При этом теоретические основы рассматриваются как фундаментальные отрасли технического знания.Основными видами современного естественнонаучного знания, представленного в структуре теоретических основ неклассических технических дисциплин, являются физика, химия и биология.
Физика, обладая статусом общей фундаментальности, прямо или опосредованно входит в структуру теоретических основ любой технической дисциплины. Из всех ее разделов наиболее широкое техническое применение имеет классическая механика.
Классическая механика, которая является одной из традиционных областей естествознания, продолжает обогащаться новыми идеями, концепциями и теориями. В связи с этим возникают новые возможности ее применения в технике и технологиях. Так, например, усовершенствование механики трения позволило создать практически безызносные трущиеся пары. Это научное достижение нашло широкое использование в технике и технологиях, которые связаны с экстремальными условиями протекания процессов в вакууме, агрессивных средах и т.д.
Научные результаты теоретических исследований анизотропных и неоднородных деформируемых тел легли в основу производства различного рода композиционных материалов. Одним из примеров прогрессивных технических решений являются теоретические исследования также в таких областях механики, как, например, нелинейная механика сплошных сред и теория тонких оболочек.
Другой раздел физики – термодинамика – тоже применяется в технических науках. Она используется в качестве необходимой теоретической основы при исследовании процессов растворения, охлаждения, химического и фазового превращения веществ и т.п.
Наряду с классической механикой и термодинамикой теоретическими основами современных технических наук являются и другие разделы физики. Так, исследование квантово-волновых процессов привело к созданию субмикронной технологии производства интегральных схем, элементы которых измеряются нанометрами. Наноэлектроника теперь имеет дело с многомерными схемами. Это создало принципиально новые возможности в развитии электроники, приведшие, в частности, к возникновению функциональной электроники. Так в научные основы ряда новейших направлений техники постепенно вошла квантовая механика.
Теория относительности также нашла свое применение в технике, хотя до сих пор многие считают, что техника не имеет дело с релятивистскими эффектами. В качестве примера применения теории относительности можно привести ускорители заряженных частиц.
Как наиболее общая наука об основных законах природы, физика первая породила новый тип наук – частных. Так, в свое время возникли физическая механика, электрофизика, физическая газодинамика, лазерная физика и другие «физические физики». Одной из первых таких физик была теплофизика, истоки формирования которой относятся к 20-м годам ХХ в. Емкое и эффектное название «теплофизика» возникло не сразу, ему предшествовал термин «физическая теплотехника». Первоначальное становление физической теплотехники было связано с необходимостью создания научных основ теплоэнергетики. Теория теплообмена, физическая гидродинамика (особенно термогидродинамика парожидкостных систем), изучение калорических и транспортных свойств веществ, методы физического моделирования рабочих процессов энергетических машин и аппаратов стали фундаментом нового научного направления. Термогазодинамические проблемы сверхзвуковой авиации, ядерной энергетики, космической техники привели уже к становлению теплофизики как науки о переносах энергии и вещества, сопровождающихся тепловыми эффектами.
Тепловое движение является одним из наиболее медленных в природе и обычно определяет суммарную скорость тех или иных энергетических превращений в технологических процессах. Поэтому области научных и практических приложений теплофизики поистине неограниченны. Например, допустимая плотность нейтронного потока в ядерном реакторе определяется условиями теплоотвода, что, в свою очередь, диктует применение таких теплоносителей, как кипящие жидкости с большой скрытой теплотой парообразования, щелочные металлы, гелий. Задачи промышленного освоения сверхпроводимости в электротехнике, создания мощных высокоточных электрических машин непосредственно связаны со сложными теплофизическими проблемами, возникающими при массовой технологии на уровне гелиевых температур. Прямое отношение теплофизика имеет и к решению глобальных экологических проблем, в первую очередь к термохимическому загрязнению биосферы. Взаимосвязь ряда фундаментальных разделов физики и технологии в рамках теплофизики можно отчетливо проследить на следующих примерах. Так, вычисление теплового и газодинамического поведения летательных аппаратов, проходящих в верхних слоях атмосферы планет, связано с решением уравнений тепломассопереноса, газодинамики, электродинамики, горения, поскольку высокотемпературный пограничный слой, возникающий вокруг корабля при больших скоростях полета, содержит в себе ионизованный газ (плазму), взаимодействующий с внешней атмосферой, с защитной горючей обмазкой стенок, с магнитным полем планеты. При этом физические свойства среды в относительно тонком пограничном слое меняются самым радикальным образом в интервале температур порядка 20 000 К. Создание магнитногидродинамических генераторов электричества, электротрудовых технологических плазмотронов требует решения набора задач о термических, газодинамических, электромагнитных процессах, сопровождающихся многими физико-химическими превращениями вещества.
Одной из важнейших и сложнейших технологий является металлургический процесс. При масштабном металлургическом производстве даже небольшое повышение производительности основных технологических процессов (например, вытяжка профилей, вакуумно-дуговой переплав) сулит огромный экономический эффект. Все это открывает широкое поле приложения теплофизики. Использование вторичных энергетических ресурсов промышленных предприятий не только является источником огромных резервов экономии топлива, но и непосредственно связано с решением проблем защиты окружающей среды от отходов производства, в том числе проблемы очистки от химического и теплового загрязнения водных ресурсов нашей планеты.
Это многообразие и сложность физических взаимодействий сказываются на фундаментальных теплофизических исследованиях. Здесь часто приходится сталкиваться с проблемами, физико-математические формулировки которых до сих пор далеки от завершения и в которых решающую роль играют крупномасштабный эксперимент и метод подобия. В первую очередь следует назвать такую глобальную проблему макрофизики, как турбулентность, термогидродинамику многофазных систем, динамику физико-химических превращений в сильно неравновесных потоках разреженного газа и т.п.
В науках о Земле теплофизика находит широкое поле приложения для решения не только уже названных проблем термогидродинамики атмосферы и гидросферы, но и также проблем биосферы. Техническое освоение вечномерзлых земель, термогидродинамическое воздействие на нефтяные месторождения, перспективы использования физического тепла литосферы – вот те области, где может быть также приложена теплофизика.
Химия является главной теоретической основой химической технологии, одной из важных теоретических основ материаловедения и ряда других дисциплин. В настоящее время химизация технологий тесным образом связана с межотраслевым характером химико-технологических процессов: каталитических, электрохимических, фотохимических, плазмохимических и др. Возрастание роли химии в структуре теоретических основ технического знания обусловлено ускоренным развитием производства современных материалов и химических продуктов, интенсивной химизацией народного хозяйства. В частности, в строительстве широкое применение нашли конструкционные и композиционные материалы, получаемые на атомарно-молекулярном уровне на основе взаимодействия физических и химических процессов, например полипропилен: «Из него изготавливают трубы, пленки, листы, вентиляционные решетки и санитарно-техническое оборудование. Полипропилен обладает большей жесткостью, чем полиэтилен, и поэтому может применяться для изготовления весьма ответственных конструкций. В частности, он используется в строительстве бассейнов и кровли. Полипропилен сравнительно легко перерабатывается с помощью обычного оборудования, и изделия из него получаются путем экструзии, а также литьем под давлением»[34].
Биология непосредственно связана со всеми общими неклассическими техническими науками. Так, биологическая кибернетика как раздел общей биологии является вместе с тем одной из основ технической кибернетики. Инженерная психология базируется на физиологии, антропологии, биомеханике и других областях биологического знания. Инженерная экология решает задачи целенаправленного воздействия на природную среду средствами производственной деятельности. В первую очередь при этом учитываются изменения состояния биосферы. Поэтому для экологической техники биологические концепции имеют значение непосредственной теоретической основы. Отдельные разделы биологии входят в структуру теоретических основ ряда неклассических технических наук, прежде всего, биотехнологии. Вслед за физикой и химией биология активно вовлекается в процесс превращения науки в непосредственную производительную силу. Биология сегодня начинает непосредственно использоваться в качестве теоретического фундамента развития техники, дальнейшего совершенствования различных областей промышленного производства и преобразования всего технологического облика материального производства. Например, успехи микробиологии позволили создать бурно развивающуюся микробиологическую промышленность. Прогресс молекулярной биологии приводит ко все более широкому использованию биологических методов и материалов в фармацевтической промышленности и промышленности, производящей минеральные удобрения. Важной особенностью современного усиления связи теоретического освоения мира с его техническим преобразованием является также возникновение и бурное развитие ряда научных дисциплин, предметы которых так или иначе представляют собой определенные пересечения предметов биологических и технических наук, лежат в сфере и биологии, и техники. Примером может служить комплекс новых наук (например, генная инженерия, бионика, биоэлектроника, биокомпьютеры), связанный с изучением информационно-управляющих систем различной материальной природы. Для нашего времени наиболее характерным становится процесс возникновения интегральных наук нового типа. В них объединяющим фактором выступает либо единый подход к решению самых разных проблем, либо единая проблема, к решению которой привлекаются различные подходы и методы науки. Причем особенно знаменательным в современном росте синтетических наук является возникновение ряда научных дисциплин, объединяющих традиционно оторванные друг от друга биологические и технические науки. Возникновение такой особой формы соединения биологии с практикой, как биологизация техники и материального производства, детерминировано прежде всего вызреванием во второй половине ХХ в. крупных технических проблем, решение которых возможно лишь на основе широкого применения результатов, полученных в процессе глубокого изучения различных биологических систем. Однако биологизация техники обусловлена не только теоретическими успехами науки, достижениями биологического знания, но и социальными, практическими проблемами. Так, например, С.Н.Смирнов подчеркивает, что «решение проблемы условий и оснований синтеза биологических и технических знаний предполагает рассмотрение по крайней мере следующих вопросов: прогресс современной биологии как научно-познавательное условие сближения биологических и технических наук; проблемы технического прогресса как социально-практическое условие вовлечения достижений биологических наук в технический прогресс; объективная закономерность развития технологических способов производства и практическая необходимость его биологизации (социально-практическое основание синтеза биологических и технических знаний); общность закономерностей построения и функционирования биологических и технических целесообразных систем (онтологическое основание синтеза биологических и технических знаний)»[35]. Таким образом, усиление ранее существовавших и формирование совершенно новых связей современного естествознания с неклассическими техническими науками в значительной степени определяет развитие последних. Физика, химия и теперь уже биология тесным образом смыкаются с ними. В настоящее время процесс синтеза биологических и технических знаний стал одним из ярких выражений сущности неклассических технических наук. Это ныне передовой рубеж развития естественнонаучного и технического знания, на котором биология превращается в одного из лидеров современного естествознания, в одну из важнейших теоретических основ создания принципиально нового технологического облика производства, новой, экологически более совершенной техники, нового способа технической жизнедеятельности, взаимодействия общества с природой.
