5 марта 2017 г.

Кондратьев А.Н. Морфологический ящик природы.

Кондратьев Александр Николаевич (Санкт-Петербург, Россия)

Kondratiev Alexander (St. Petersburg, Russia)

 

Морфологический ящик природы.

Morphological box of a nature.

«Ничто не мешает повторить путь, пройденный при построении теории изобретательства, и построить теорию решения научных задач, теорию открывательства.

При этом нужно искать в науке инварианты тех объективных закономерностей, которые действуют в технике, в изобретательстве».

Г.С. Альтшуллер [2]

В этой статье предлагается ещё один прием, подсказывающий путь решения научных задач. Его можно назвать «Морфологический ящик природы».

Суть этого приема заключается в составлении из набора близких по генезису явлений много факторной таблицы или n-мерного куба. Осями этой таблицы являются причинные оси.

Многомерный морфологический ящик природы позволяет нам с пониманием подходить к разбору изучаемого явления. Парадоксально, но изолированное изучение только того явления, которое как раз и надо изучить, очень мало даёт исследователю. На порядок более продуктивно изучать не только это явление, а рассматривать весь набор аналогичных по природе явлений. При таком широком охвате выявляются новые причины, новые закономерности и даже новые явления.

In this clause one more reception prompting way of the decision of scientific tasks is offered. It is possible is named «by a Morphological box of a nature».

The essence of this reception consists in drawing up of a set of the phenomena, close on genesis, a lot of factors of the table or n-factor Cuba. Axes of this table are reasons of an axis.

A lot of factors the morphological box of a nature allows us with understanding to approach to analysis of the investigated phenomenon. Is paradoxical, but the isolated study only of that phenomenon, which just and should be studied, gives to the researcher very little. On the order it is more productive to study not only this phenomenon, and to examine all set of the phenomena, similar on a nature. At such wide scope the new reasons new laws and even the new phenomena come to light.

По определению В.В. Митрофанова сделать открытие – это значит найти причину явления. Найти причину, объяснить генезис – вот задача учёного.

При изучении любого явления природы полезно иметь программу действий по выявлению причин явлений. Такую программу можно найти в книге В.В. Митрофанова «От технологического брака до научного открытия» [11], которую очень рекомендую всем причитать. Сейчас Митрофанов разрабатывает компьютерную «Машину открытий», в которой разрабатывается алгоритм решения научных задач [10]. Книга и программа явились побудительным основанием к написанию этой статьи.

1. Многообразие явлений на одном системном уровне

Явление природы никогда не бывает само по себе, в одиночку, уникально. Чаще всего существуют многие другие похожие и непохожие явления, которые немного или значительно отличаются от него. Или же само явление может проявляться по-другому, изменять свою форму под воздействием движущих причин или ограничивающих факторов.

Каждое явление природы не существует уникально, вокруг него есть непрерывный ряд явлений-«соседей» или модификаций, которые образуются при разной степени воздействия определяющих факторов.

2. Причинная ось

Набор явлений-«соседей» можно выстроить по определяющей причинной оси.

Учёному удобно представить разные степени воздействия определяющих причин явления как ось – «причинную» ось, а различные явления (или формы проявления явления) расставить по этой оси.

Например, если река переносит много песка, то из него образуются острова, если песка меньше, то река без островов, а если его совсем мало, то река будет размывать берега и извиваться. В зависимости от количества наносов (песка) река принимает различные формы.

Из такого рассмотрения можно сформулировать правило поиска факторов (как причин, так и ограничивающих условий, о которых мы будем говорить в 6-ом разделе) изучаемого явления:

1)    Найди похожие явления,

2)    Выстрой их в таком порядке, чтобы в непрерывной последовательности менялась морфология (внешний вид) или другие параметры этих явлений.

3)    Попробуй определить, какой внешний фактор предопределяет такое изменение явлений.

Это правило подсказывает причину изучаемого явления.

Кроме того, этот алгоритм позволяет искать новые явления. В знаменитой статье Г.С. Альтшуллера [1] описывается набор приёмов, которые помогают открывать и объяснять явления природы.

Белые пятна. Для обнаружения новых явлений нужно искать белые пятна (пропуски) в ряде явлений, расположенных по определяющей причинной оси.

Так получилось у Менделеева, когда он  в ряду химических элементов позволил себе сделать пропуски, допустил, что могут быть ещё какие-то неизвестные элементы, которые расположены между известными.

Переступить пределы. Такие же белые пятна всегда есть и за пределами известных явлений. Надо задаться вопросом: «А что может быть ещё больше (быстрее, сильнее, и другие «-ее»), чем самое большое (быстрое, сильное и т.д.)?» [4]. Иногда оказывается, что какое-нибудь явление, которое обычно относится к другому классу (виду и т.п.) и может рассматриваться в другом разделе науки, на самом деле является разновидностью рассматриваемых явлений.

Например, при помощи этого приёма было выяснено, что кроме известных режимов движения жидкости: ламинарного и турбулентного, существует и третий режим движения жидкости, который ламинарнее ламинарного – кавитация. В классической гидравлике кавитация относится не к режимам движения жидкости, а называлось «особым состоянием» жидкости. Выстраивание известных режимом движения жидкости по определяющей оси (которой является отношение скорости движения отдельных объёмов жидкости к скорости движения всего потока) показало, что при ламинарном движении эти скорости равны, а при турбулентном скорость отдельных объёмов больше.

Приведём аналогию. (Аналогия также является рабочим инструментом исследователя). Представьте строй шагающих солдат. В нём скорость каждого солдата равна скорости всего строя. Это аналог ламинарного (параллельно струйного) режима движения жидкости. В нём каждая частичка воды двигается с той же скоростью и в том же направлении, как и все остальные частицы («солдаты»).

А теперь представьте движение толпы в метро. Каждый отдельный человек быстро и суетливо извилистым путём пробирается к цели назначения. А вся толпа в это время двигается гораздо медленнее. Это аналог турбулентного (хаотического) движения жидкости.

Теперь надо представить противоположный случай – когда скорость каждого отдельного человека меньше, чем скорость всего потока. Когда такое может случиться? Вспомним, например, машины, стоящие перед красным светом. Вот включается зелёный свет, и машины трогаются. Все машины сразу поехали? Нет, лидеры уже разогнались и далеко впереди, а аутсайдеры только готовятся к старту. В этом случае скорость движения колонны оказывается больше скорости отдельных автомобилей. Аналогичный процесс происходит и при кавитации: появление разрывов в жидкости.

Приём переступить пределы подтолкнул к целенаправленному поиску противоположного режима движения жидкости, при котором скорость отдельных объёмов, наоборот, меньше, чем скорость движения всего потока жидкости. Это кавитация. Кавитация – противоположность турбулентного режима [7].

Лишний элемент. Бывают случаи, когда некоторые явления неправомерно выстраиваются по какой-нибудь определяющей оси. Считается, что все явления из рассматриваемого набора можно объяснить только одной причиной.

Например, образование островов в русле правомерно объясняется отложением донного песка. Но этой же причиной никак не объяснить образование длинных пойменных проток, что пытаются не обоснованно делать некоторые специалисты. В первом случае сначала возник остров, и это привело к образованию двух обтекающих его проток, а в другом случае, наоборот, сначала возникла вторая протока, и между протоками получился остров. Эти явления не объяснить одной причиной.

Причинные оси позволяют объяснять генезис известных явлений и помогают искать новые явления. Для этого можно использовать приемы «переступить пределы» и «белые пятна».

Выстраивание явлений по причинным осям и поиск лишних элементов позволяют находить новые факторы (причинные оси).

3. Причина явления обнаруживается при рассмотрении на более высоком системном уровне

Причину явления необходимо искать на системном уровне не самого этого явления, а на следующем, более высоком, общем иерархическом уровне.

Например, для того, чтобы ответить на вопрос, почему реки меандрируют (извиваются), бесполезно искать причину, усердно изучая само меандрирование. Необходимо задать вопрос шире: почему реки бывают разные – разветвлённые, прямые и извилистые. Разобравшись в общих причинах образования всех видов русел, мы автоматически получаем ответы на вопросы о причинах образования каждого вида.

Изучение меандрирования ничего не дало к объяснению причин образования меандрирования. Ловушкой были объяснения типа: река меандрирует, потому что она извилистая или: река меандрирует, потому что это свойство потока. Как будто нет других рек – разветвлённых и прямых. А ведь к такому выводу можно действительно прийти, если всё время видеть перед собой только извилистые реки. Есть даже специалисты по меандрированию, специалисты по другим видам русел. Капкан однобокости не позволяет разобраться в частном вопросе. Только рассмотрение всего разнообразия явлений позволило понять причину каждого отдельного явления.

Изучая любое явление, можно разобраться лишь только в свойствах этого явления. Это будет изучение, но не понимание.

Для нахождения причин явления надо обратиться к изучению следующего, более высокого иерархического уровня, перейти в надсистему. Тогда появится понимание причин явления, а затем и сущности каждого отдельного явления.

Это даст возможность не только описания процесса, но и его прогноза и даже управления им.

4. Главные факторы

Любое явление – результат огромного (практически бесконечного!) количества факторов.

Можно полусерьезно говорить о влиянии фаз Луны на развитие излучин рек. И это, действительно, так. Конечно, фазы Луны на самом деле влияют на течение рек. Но, в то же время, влияние этого фактора ничтожно.

Исследователю природы из всего разнообразия причин всегда можно (или приходится?) выбирать конечное, часто небольшое количество определяющих факторов. На это есть и объективные, и субъективные причины.

Предполагаю, что причины можно разделить на главные и второстепенные.

Например, на развитие рек основное влияние оказывает скорость течения. Интересно происходила история с силой Кориолиса, которая определяется вращением Земли. Лет 100 назад эта сила считалась одним из основных факторов, влияющих на реки. И даже образование извилистости приписывалось этому фактору. Затем, наоборот, влияние силы Кориолиса стало полностью отрицаться, упоминание о ней стало еретичным. На самом деле роль Кориолисовой силы сравнимо с влиянием фаз Луны – оно есть, но ничтожно. Им можно пренебречь при прогнозе развития реки. Такую же роль играет и температура воды, хотя в литературе высказывались разнообразные интересные противоречивые суждения о влиянии тепературы воды на скорости размыва берегов.

Любопытно, что другие главные причины, которые играют сами по себе большую роль в формировании процесса, могут вольно или невольно упускаться учёными из рассмотрения из-за малой изменчивости этих причин.

Например, сила тяжести, скорость вращения планеты, плотность жидкости (воды), конечно, оказывают громадное влияние на формирование рек. Но в связи с тем, что все изучаемые людьми реки находятся на Земле, сила тяжести и скорость вращения Земли постепенно ушли от внимания исследователей. Скорость вращения Земли определяет выше упомянутую силу Кориолиса. Действительно, что было бы, если скорость вращения Земли была другой – больше в 100 раз, или меньше… Как изменились бы реки? А если бы скорость вращения Земли менялась из года в год, или вращение меняло бы направление? Возможно, что тогда бы одним из основных руслоформирующих факторов как раз стала бы скорость вращения планеты или другое природное явление, которое бы в свою очередь зависело бы от вращения Земли.

Сейчас появились интересные фотографии рек на Марсе (или следов рек), которые являются результатом таяния полярных шапок. Множество неизменных на Земле факторов там могут быть другими; там и плотность жидкости водотоков может быть другой. Скорее всего, сейчас нам не сделать прогноз развития русел на Марсе, опираясь только на законы формирования русел, выявленные на Земле.

Русловые процессы интересны тем, что в них до сих пор не выяснены законы формирования русел (или выяснены в зачаточной степени). Русловедение до сих пор находится на одном из первых этапов развития науки. Если сравнивать с астрономией, то в этой науке всё ещё Солнце вращается вокруг Земли, если только Земная твердь не находится на слонах. Например, в книге [8] утверждается, что река меандрирует тогда, когда она извилистая (то есть извилистая тогда, когда извилистая!).

В огромном количестве определяющих факторов для исследования необходимо выделить основные (главные) факторы.

5. Причина и ограничение

Для любого явления есть определяющие факторы двух типов:

1) движущие активные причины,

2) ограничивающие условия, рамки, пассивные «причины», условия развития явления.

Движущие причины и условия протекания по вкладу в проявление факта различаются.

Хотя внешне два случая: (1 - отсутствие движущих причин и 2 – наличие такой причины при воздействии ограничивающего фактора) могут проявляться похожим образом [3]. Но они похожи только морфологически, а не генетически.

Например, первый эксперимент: две девочки держатся за разные концы верёвочки и крутят, трясут, качают её. Верёвочка, крутится, трясётся, извивается. Второй эксперимент – девочки не трясут верёвочку, имеем противоположный результат – верёвка не крутится, не извивается. Два противоположных результата – 1) верёвочка крутится и 2) не крутится. Изменённый фактор – движущая сила девочек. Вывод: именно движущая сила девочек является причиной верчения верёвочки. Верно.

Рассмотрим продолжение примера с девочками и верёвочкой. Девочки продолжают спокойно то крутить, то не крутить свою верёвочку. Но тут приходит нехороший дядя, отбирает верёвочку, пропускает её через длинную трубу, лежащую на земле, и заставляет девочек опять крутить верёвочку. Девочки стараются так же, как и до прихода дяди с трубой, но у них ничего не получается, верёвочка неподвижно лежит в трубе.

Как же так? Причина, побуждающая верёвочку к вращению осталась, а верёвочка не крутится… Можно даже, следуя формально приёму “противоположный эксперимент”, решить, что труба (или её отсутствие) является причиной вращения верёвочки. Ведь всё налицо:

первый эксперимент – трубы нет, верёвочка вращается,

второй эксперимент – труба есть, верёвочка не вращается.

Следовательно, труба и является причиной вращения верёвочки!

Хотя, вроде бы, мы уже выше банально (и верно!) выяснили, что причиной вращения верёвочки являются девочки. В чём тут загвоздка?

Понимание разницы влияния действующей причины и ограничивающих условий очень важно. Нельзя попадаться на удочку неправильно истолкованного противоположного эксперимента.

Сам по себе противоположный эксперимент является действенным приёмом решения научных задач. Он описан В.В. Митрофановым в книге [11]. Но возможность появления двух случаев, перечисленных выше, требуют внимательного подхода к определению причин явления при использовании этого приёма. Возможен так называемый ложный противоположный эксперимент [6].

Для описания явлений и процессов двигающая причина и ограничивающие условия могут считаться равноправными факторами.

Определяющие факторы любого явления делятся на движущие причины и ограничивающие факторы.

6. Объединение факторов

Явления природы многофакторны. Многофакторность явлений природы требует от учёных поиска способов пусть упрощённого, но приемлемого описания комплекса причин этих явлений.

Каждое явление – это продукт сочетания огромного количества определяющих (побуждающих) причин и условий протекания явления (границы, ограничивающие факторы и т.п.)

В изобретательстве применяется специальный метод для получения большого списка возможных вариантов решения изобретательских задач. Таким методом является морфологический анализ. Он был разработан швейцарским ученым-астрономом Ф. Цвикки в 1942 году. «Сущность этого метода заключается в систематическом исследовании всех мыслимых признаков и вариантов решения, вытекающих из закономерностей строения (морфологии) объекта» [12]. Составляется многомерная таблица («морфологический ящик»), которая вмещает возможные варианты решения задачи. При этом каждому функциональному узлу (параметру) отводится графа, ось, где перечисляются возможные варианты его решения.

Аналогичным образом и для решения научных задач можно использовать «морфологический ящик» семейства явлений. По осям такого «ящика» отложены главные причины рассматриваемого явления. В «клеточках», соответствующих различным сочетаниям определяющих причин, находятся различные разновидности, типы, варианты изучаемого явления.

Например, в соционике используются 4 определяющих фактора, каждый из которых принимает, по крайней мере, 2 значения. Их комбинация даёт 16 типов человеческих характеров.

Применение морфологического ящика позволило объединить руслоформирующие факторы и расположить типы русловых процессов равнинных рек в двумерной матрице по двум руслоформирующим факторам – относительной транспортирующей способности потока и относительному затоплению поймы [3].

Приём морфологический ящик является объединением приёмов решения научных задач. Первый  из них – объединение альтернативных гипотез; он описан В.В. Митрофановым в книге [11] и развивается в компьютерной «Машине открытий» [10]. Второй прием – причинная ось, описанная выше.

Следующий шаг – объединение не двух, а сразу трёх и более факторов.

Морфологический ящик включает в себе и ещё один прием решения научных задач. Это диссимметрия [11].

Диссимметрия (неравенство, различие, хиральность, противоположность и т.п.) является самым эффективным приёмом. Именно диссимметрия является причиной явлений природы.

Чаще всего по причинным осям отложены диссимметричные параметры. В примерах о русловых процессах все оси являются отношениями.

В идеальном случае причинная ось должна изменяться от плюс бесконечности до минус бесконечности, от максимального положительного значения определяющего параметра до противоположного отрицательного. Например, выше был рассмотрен пример о третьем, противоположном к турбулентному режиме движения жидкости – кавитации.

Морфологический ящик как приём решения научных задач плодотворен. Он позволяет использовать лучшее из каждой гипотезы и лишает каждую из отдельных гипотез присущих им недостатков.

7. Выводы

1. Каждое явление природы не существует уникально, вокруг него есть непрерывный ряд явлений-«соседей» по определяющим факторам.

2. Набор явлений-«соседей» можно выстроить по определяющей причинной оси.

3. Причинные оси позволяют искать новые явления. Для этого надо использовать приемы «переступить пределы» и «белые пятна».

4. Причину явления необходимо искать не в самом явлении, а на следующем, более высоком иерархическом уровне.

5. Явления природы многофакторны.

6. Из огромного многообразия влияющих факторов для описания явления можно выделить несколько основных факторов.

7. Факторы делятся на активные движущие причины явления и ограничивающие условия протекания этого явления.

8. Одно и то же явление может находиться в разных наборах явлений по разным определяющим осям.

9.  Многофакторность позволяет рассматривать совместно разные причинные оси. Можно использовать двухфакторные таблицы, трёхфакторные «кубы» и т.д.

Заключение

Человек в целях познания явлений природы может считать, что природа неосознанно и случайно использует многомерный морфологический ящик, по осям которого отложены числовые характеристики степени проявления основных причин изучаемого явления.

С использованием такого причинного морфологического ящика удобно решать научные задачи: находить причины явлений, объяснять причины изменения явлений и прогнозировать поведение изучаемых систем, находить новые явления.

Призываю Вас применять этот приём решения научных задач, а также другие: объединение альтернативных гипотез, причинную ось, диссимметрию, ресурсы, аналогию, противоположный эксперимент и ложный противоположный эксперимент.

Литература

  1. Альтшуллер Г.С. Как делаются открытия: (Мысли о методике научной работы) / Г.С. Альтшуллер. - Баку, 1960. - 12 с. - Деп.в ЧОУНБ 11.07.1989 № 685.
  2. Альтшуллер Г.С., Фильковский Г. Современное состояние теории решения изобретательских задач. Баку, 1975 // Фонд-Архив Генриха Альтшуллера (Г. Альтова). Выпуски 11-15. Информационный бюллетень ОО «ТРИЗ-Форум». Приложение. Челябинск, 2001, с. 30-64.
  3. Кондратьев А.Н. О гипотезах причин формирования русел // Водные ресурсы, 2001, том. 28, № 5, с. 628-630.
  4. Кондратьев А.Н. Прием решения научных задач «Переступить пределы» / А.Н. Кондратьев. Ильичево, 2001, 5 с. - Деп. в ЧОУНБ 29.08.01 № 2699.
  5. Кондратьев А.Н. Причина образования извилистости: меандрирование рек и других природных потоков // Известия РАН. Серия географическая, 2000, № 4, с. 42-44.
  6. Кондратьев А.Н. Противоположный эксперимент и ложный противоположный эксперимент / А.Н. Кондратьев. Ильичево, 2001. – 5 с. - Деп. в ЧОУНБ 21.05.01 № 2662.
  7. Кондратьев А.Н. Три режима движения жидкости: турбулентный, ламинарный и кавитация / Актуальные проблемы естествознания. Тезисы конференции. Самара, 2001, с. 200.
  8. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л., Гидрометеоиздат, 1982, 272 с.
  9. Маккавеев Н.И., Чалов Р.С. Русловые процессы. М., МГУ, 1988, 264 с.
  10. Машина открытий. Компьютерная программа. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2000610103.
  11. Митрофанов В.В. От технологического брака до научного открытия. СПб, Ассоциация ТРИЗ Санкт-Петербурга, 1998, 395 с.
  12. Рапацевич Е.С. Словарь-справочник по научно-техническому творчеству.  Минск, 1995, 384 с.