В ходе структурированного процесса мышления на уровне систем нужно учитывать, как связаны элементы системы по логике, во времени, последовательности, функциям, а также в каких условиях они работают и не работают. Историку можно применять подобную структурную логику через десятилетия после произошедшего события, а инженеру нужно делать это превентивно, о чем бы ни шла речь – мельчайших деталях или абстракциях высокого уровня. Именно это – одна из основных причин, почему инженеры создают модели: чтобы можно было проводить структурированные обсуждения, исходя из реальности. И, представляя себе какую-либо структуру, принципиально важно обладать достаточной рассудительностью, чтобы понять, когда она имеет ценность, а когда – нет.
Как подтверждают работы Вальера и Грибоваля, системы военного назначения известны своим структурированным подходом к инновационной деятельности. Рассмотрим, к примеру, следующий вопросник, автор которого – Джордж Хайлмайер, бывший директор Управления перспективных исследований и разработок Министерства обороны США, а также один из создателей жидкокристаллических дисплеев, ставших частью сегодняшних технологий воспроизведения изображений. Его подход к новаторству заключается в использовании списка контрольных вопросов, что приемлемо для проекта с четко определенными целями и клиентами.
• Что вы пытаетесь сделать? Четко сформулируйте свои цели, полностью исключив жаргон.
• Как это реализуется сегодня и каков диапазон возможных ограничений?
• Что нового в вашем подходе и почему вы считаете, что он будет успешным?
• Для кого это имеет значение? Если вы достигнете успеха, на что он повлияет?
• Каковы ваши риски и выгоды?
• Во сколько это обойдется? Сколько времени на это уйдет?
• Какие промежуточные и итоговые проверки нужно провести, чтобы узнать, добились ли вы успеха?
По сути, такая структура помогает задавать нужные вопросы в логическом порядке.
Второе свойство инженерного мышления – это способность эффективно проектировать в условиях ограничений. В реальном мире они присутствуют всегда и определяют потенциальный успех или провал нашей деятельности. Учитывая свойственный инженерии практический характер, затруднений и напряжения в ней гораздо больше по сравнению с другими профессиями. Ограничения любого происхождения – налагаемые природой или людьми – не позволяют инженерам ждать, пока все явления будут в полной мере объяснены и поняты. Предполагается, что инженеры должны добиваться максимально возможных результатов в имеющихся условиях. Но, даже если ограничений нет, грамотные инженеры знают, как применять ограничения для достижения своих целей. Временные ограничения стимулируют креативность и находчивость инженеров. Финансовые трудности и явные физические ограничения, зависящие от законов природы, также широко распространены наряду с таким непредсказуемым ограничением, как поведение людей.
«Вообразите ситуацию, в которой каждая очередная версия Macintosh Operating System или Windows представляла бы собой совершенно новую операционную систему, разработанную “с нуля”. Это парализовало бы сферу использования персональных компьютеров», – указывают Оливье де Век и его коллеги-исследователи из Массачусетского технологического института. Инженеры часто дорабатывают свои программные продукты, поступательно учитывая предпочтения клиентов и нужды бизнеса, – а ведь это не что иное, как ограничения. «Изменения, которые поначалу кажутся незначительными, часто приводят к необходимости других изменений, а те, в свою очередь, обусловливают дальнейшие изменения… Нужно умудриться сделать так, чтобы старое продолжало работать, и при этом создавать нечто новое». Этим затруднениям нет конца.
Третье свойство инженерного мышления сопряжено с компромиссами – умением давать продуманные оценки решениям и альтернативам. Инженеры определяют приоритеты в проектировании и распределяют ресурсы, выискивая менее важные цели среди более весомых. Например, при проектировании самолетов типичным компромиссом может стать сбалансированность затрат, веса, размаха крыла и габаритов туалета в рамках ограничений, которые налагаются конкретными требованиями к летно-техническим характеристикам. Трудности такого выбора относятся даже к вопросу о том, нравится ли пассажирам самолет, в котором они летят. Если ограничения можно сравнить с хождением по канату, то компромиссы напоминают ситуацию из басни про лебедя, щуку и рака: идет борьба между тем, что имеется в распоряжении; тем, что возможно; тем, что желательно, и допустимыми пределами.
Пусть наука, философия и религия стремятся к правде в том виде, в котором она им представляется; инженерия же находится в центре обеспечения полезности в условиях ограничений. Структура, ограничения и компромиссы – вот «три кита» инженерного мышления. Для инженера они имеют такое же значение, как для музыканта – такт, темп и ритм.
4В теплый день 12 сентября 1962 года, выступая на стадионе Университета Райса, Джон Кеннеди заявил:
«Если бы я сказал вам, мои соотечественники, что мы запустим на Луну, за 386 тыс. км от Центра управления полетами в Хьюстоне, огромную ракету высотой более 90 м, как длина этого футбольного поля, сделанную из новых металлических сплавов, часть которых еще только предстоит изобрести, выдерживающую температуру и нагрузки в несколько раз больше тех, с которыми когда-либо приходилось сталкиваться, собранную с большей точностью, чем самый тонкий часовой механизм, оснащенную всем оборудованием, необходимым для полета, прокладки курса, контроля, связи, питания и выживания, и отправим ее с беспрецедентной миссией к неизвестному небесному телу, а затем благополучно вернем на Землю, причем она войдет в атмосферу на скорости свыше 40 тыс. км/ч, выдержав нагрев до температуры лишь наполовину меньше, чем температура Солнца… и мы все это сделаем, притом правильно и не позже конца этого десятилетия, – то это бы означало, что мы должны проявить настоящую смелость».
Ключевым в обрисованном Кеннеди плане были не амбициозные технические задачи, а утверждение «не позже конца этого десятилетия». Столь ограниченные временные рамки заставили инженеров проекта достичь поставленной цели. Космический корабль «Аполлон-11» успешно совершил посадку на Луне 20 июля 1969 года, даже с опережением установленного срока. В процессе, результатом которого стало прилунение, было создано несколько ценных побочных продуктов, включая новые материалы (например, углеродное волокно) и передовые навигационные системы, используемые сегодня коммерческими авиакомпаниями. Хотя именно благодаря инженерии люди попали на Луну и вернулись обратно целыми и невредимыми, в совокупности эти усилия часто называются ракетостроительной «наукой».
Если ядро науки – открытия, то суть инженерии – создание. Вернувшись к истокам истории человечества, мы видим, что в нашей цивилизации создание инструментов предшествовало открытиям. Фактически многие инструменты инженерии позволили нам достигать новых высот в науке. Ученые сейчас все активнее обращаются к инженерии, чтобы получить немыслимое количество данных и результатов, с помощью которых они предлагают, проверяют или продвигают свои теории. Инженерия же опирается на законы природы и научные доказательства, но также способствует возникновению новых направлений научных знаний. Самолеты летали еще до того, как стали реальностью формальные исследования воздухоплавания. Паровые машины породили науку термодинамику. А промышленная революция открыла множество новых путей для научных изысканий. По словам Тома Питерса, профессора университета Лихай, инженеры порой «охотно “творчески искажают” научный метод или результаты, если это помогает им реализовать задуманное».
«История показывает, – напоминает Дэн Моут, президент Национальной инженерной академии США, – что большинство периодов в развитии человечества определяются инженерией». «Каменный век… назвали так потому, что для изготовления орудий труда люди оббивали камень вручную; бронзовый век получил свое название благодаря тому, что оружие, орудия труда и утварь отливали из бронзы – сплава олова и меди; его сменил железный век, когда люди научились обрабатывать железо молотом и гнуть, чтобы создать сельскохозяйственный инвентарь и инструменты; а кремниевый век отражает материальную основу для производства электроники, – разъясняет Моут. – Разве что ледниковый период не был творением рук человеческих и как явление природы принадлежит к области науки».
Ученые давно утверждают, что инженерия занимает отдельную область знаний и практики, которая гораздо надежнее и вызывает больше доверия, чем другие интеллектуальные традиции, уходящие корнями в философию, – и поэтому заслуживает особого уважения. Со времен Платона в западном мышлении присутствовала склонность подчеркивать превосходство «чистых» знаний, преуменьшая значение инженерии. Досадно и то, что «наука и техника» почти всегда обсуждаются в связке без упоминания инженерии, хотя техника является их общим детищем. «Наука – это инструмент инженерии; никто ведь не утверждает, что скульптуру создает резец, и равным образом нельзя заявлять, будто ракету создает наука, – пишет историк инженерии Генри Петроски. – Если при выработке инженерного решения не опираться ни на что, кроме научных знаний, это вызовет в лучшем случае разочарование, а в худшем – провал».
Ученые давно утверждают, что инженерия занимает отдельную область знаний и практики, которая гораздо надежнее и вызывает больше доверия, чем другие интеллектуальные традиции, уходящие корнями в философию, – и поэтому заслуживает особого уважения. Со времен Платона в западном мышлении присутствовала склонность подчеркивать превосходство «чистых» знаний, преуменьшая значение инженерии. Досадно и то, что «наука и техника» почти всегда обсуждаются в связке без упоминания инженерии, хотя техника является их общим детищем. «Наука – это инструмент инженерии; никто ведь не утверждает, что скульптуру создает резец, и равным образом нельзя заявлять, будто ракету создает наука, – пишет историк инженерии Генри Петроски. – Если при выработке инженерного решения не опираться ни на что, кроме научных знаний, это вызовет в лучшем случае разочарование, а в худшем – провал».
Джордж Уайтсайдс, эклектичный гарвардский инженер-химик, предлагает еще один полезный пример сравнения науки и инженерии. Если наука заинтересована в «отслеживании механического пути от ионов и нейротрансмиттеров до “Реквиема” Брамса», то инженерия ориентирована на предоставление «практических решений для секвестрации неограниченного количества углекислого газа и обеспечения неограниченного снабжения электроэнергией и чистой водой с 30 %-ной гарантией рентабельности инвестиций после налогообложения, с применением оборудования, которое в Намибии трудно найти». Знания ради самих знаний играют свою роль, но социальный прогресс определяется практическими аспектами действительности.
Нейробиолог Стюарт Файрштейн сравнивает процесс научного познания с поиском черной кошки в темной комнате, особенно когда ее там нет. Это отличается от обычного представления об ученых, которые «терпеливо складывают гигантский пазл». Научные знания идут рука об руку с незнанием. Стимул развития науки, по словам Файрштейна, – это постоянно существующий «общий пробел в знаниях». Эти знания не всегда полезны, и их нельзя использовать для прогнозирования или заявления о каком-то предмете или явлении. «Это осведомленное незнание, восприимчивое незнание, проницательное незнание, – добавляет Файрштейн. – Это не факты и правила, а черные кошки в темных комнатах».
В своей книге «Незнание: как оно управляет наукой» Файрштейн цитирует математика Эндрю Уайлcа, который развивает эту мысль: «Вы ищете на ощупь, суетесь то туда, то сюда, неуклюже на что-то натыкаетесь, а затем кто-то находит выключатель – зачастую случайно, – зажигается свет, и все говорят: “А, вот как это выглядит”, а потом направляются в следующую темную комнату в поисках очередной таинственной черной кошки».
Нас учат, что ценность науки – в ее объективности. В идеале наука избегает ожидаемых результатов. Инженерия часто противоречит этой идее: в своих лучших проявлениях она берет себе в союзники субъективность. Но объективность может быть особенно полезной для инженеров при попытках предотвращать или анализировать неудачи. Наука и инженерия действительно образуют симбиоз в том смысле, что они помогают друг другу выявить свои внутренние противоречия и недостатки. В науке нет «чистового экземпляра» знаний, в отличие, например, от чертежа Бруклинского моста. Наши гипотезы могут повести нас в любом направлении.
5Я родился в семье правоверных индусов-браминов, принадлежащей к низшему слою среднего класса, в сельской местности Тамил-Наду – прибрежном штате на юге Индии. В таких обстоятельствах мой путь к инженерии был продиктован необходимостью добиться успеха на каком-то поприще. Мою тягу к науке вызвал не набор «Юный химик» (мои родители не могли его себе позволить) и не конструктор Lego. Пожалуй, мой интерес к технике пробудился в начале 1980-х, во время наблюдений за работающими на угле паровозами (благодаря отцу, который по утрам ездил на велосипеде на местную железнодорожную станцию и брал меня с собой).
Насколько я помню, я даже не блистал в математике. Перед экзаменами я обязательно посещал храм Ганеши – божества со слоновьей головой – и молился о хороших оценках. Мой дед со стороны отца в течение дня был земледельцем, а на закате и рассвете – жрецом. В детстве мы с младшим братом помогали ему в нашем деревенском храме возле Тируваннамалай – группы холмов, которые считаются древнее Гималаев. Мы зачарованно слушали проникновенные мантры на санскрите, которые дедушка читал во время утренних и вечерних молитв. А еще мы любили, когда он рассказывал нам перед сном сюжеты из древних эпосов «Рамаяна» и «Махабхарата», пока мы засыпали на соломенных циновках.
Во время учебы в Индии энергетика окружающей среды определила мои устремления. Целеустремленность, сведение к минимуму отвлекающих факторов и отличная успеваемость – такими были самые желательные результаты для моих школ. По сути, мое образование можно сравнить с конвейером. В старших классах я размышлял, что еще могло бы меня заинтересовать; в местной культуре особенно ценились дипломы в области медицины, коммерции и инженерии. Я шел на пристань Мадрас и бродил по щиколотку в волнах Бенгальского залива в надежде на озарение. Мой отец – химик, переквалифицировавшийся в бухгалтера, – и мама-домохозяйка советовали мне выбрать профессию в области, которая мне интересна.
Но жесткая конкуренция в школе у меня, моего брата, да и у наших друзей не оставляла нам ни времени, ни возможности исследовать, экспериментировать и что-то по-настоящему полюбить. Честно говоря, мой выбор инженерии напоминал брак по расчету – продиктованный прагматичными соображениями путь к успеху в области, где я имел достаточные знания. Я решил специализироваться на проектировании контрольно-измерительных систем – тогда это была свежая, полная увлекательных задач программа Мадрасского университета, которая еще не стала излишне популярной. В итоге я заинтересовался развивающимися технологиями биомедицинской инженерии, и это, в сочетании со щедрой стипендией, привело меня в аспирантуру в Нью-Йорке за месяц до 11 сентября 2001 года.
Со временем я осознал, что инженерия – это явление, по силе воздействия превосходящее математические модели, над которыми я ломал голову; по значению – разработанные мной электронные схемы; по точности – сенсоры и устройства, которые я испытывал, по содержанию – программы, которые отлаживал, и что пресный технический жаргон совершенно не в состоянии передать, насколько она увлекательна. Мой первоначальный интерес к инженерии в целом постепенно перерос в непреходящую к ней любовь, ставшую частью меня.
6Подход Грибоваля тоже разрабатывалсяв рамках триады, образованной структурой, ограничениями и компромиссами. Полученные результаты стали образцом точности и крупномасштабного производства, имевшего далеко идущие последствия для общества. Более того, эти идеи способствовали началу эпохи массового производства, которая затем дала толчок распространению инженерии в ее современном виде.
Благодаря внедренной Грибовалем структуре артиллерийские орудия стали делать и использовать более продуманно и целенаправленно. Он составил инструкции по подбору и комбинированию нужных деталей орудий, воспользовавшись возможностью их взаимозаменяемости, которая и сейчас активно применяется в инженерии. Один из технических аспектов, обеспечивающих взаимозаменяемость, – практика «функциональной связи». Отдельные модули конструкции представляли собой не разрозненное скопление частей, а систему со стратегическими взаимосвязями, призванную выполнять единую функцию. При такой стратегии ошибки быстро выявлялись, изучались, исправлялись, а результаты подвергались проверке – процесс, который впоследствии доведет до совершенства будущая технология конвейерного производства. Пушки должны были обладать точностью стрельбы и долговечностью. Поскольку в те века еще не изобрели сложное программное обеспечение для имитационного моделирования, при выработке устойчивых решений такие инженеры, как Грибоваль, опирались на свои вычисления, личные знания, опыт и умения. Именно им мы обязаны той тщательности, с которой были спроектированы храмы, мосты, замки и другие системы.
Ограничения являлись постоянными спутниками Грибоваля. Ставки были колоссальными – ведь требовалось выиграть войну, поэтому от его решений ждали эффективности. Для таких прирожденных философов, как Галилео Галилей и Исаак Ньютон, изучение баллистики было, по выражению Кена Олдера, «математическим спортзалом», который существовал исключительно в их уме. «Математика представляла для них форму “дескрипционизма”, способ описать в количественном выражении, как изменения в определенных измеряемых параметрах влияли на какой-то другой интересующий их параметр, – говорит Олдер. – Математика сплошь и рядом позволяла инженерам избегать настоящего причинного объяснения». В отличие от тех, кому было не обязательно применять свои знания на практике, Грибовалю в ходе усовершенствования снарядов артиллерийских орудий приходилось преодолевать реальные трудности, связанные с ветром и сопротивлением воздуха. Он воспользовался методом вариации параметров, разбирая и снова собирая детали пушек, чтобы оценить сильные и слабые стороны своей системы производства и выяснить, как улучшить характеристики орудий. Чтобы исполнить свое предназначение, они должны были стрелять метко и в соответствии с ожиданиями.