Глава НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук в интервью газете «Известия» рассказал, почему в современном мире стирается грань между физико-математическими и гуманитарными науками, как развивается междисциплинарное образование в России и чем компьютерная томография вместе с другими современными технологиями может быть полезной российским музеям.
— Михаил Валентинович, вы неоднократно говорили о необходимости конвергенции различных научных направлений. С чем это связано?
— Я бы сказал, что это уже не необходимость, а реальность. К этому нас привели внутренние закономерности развития науки, процесса познания человеком окружающего его мира.
За свою историю человечество прошло сложный путь: от пассивного созерцания до активного преобразования природы. Первобытный человек обожествлял окружающий его мир, древние греки этот мир уже анализировали, пытались объяснить, воспринимая его при этом как единое целое.
Именно тогда начал формироваться общий массив знаний о природе и человеке, который назывался натурфилософией. Собственно, всем известные Демокрит, Архимед и прочие великие греки были именно натурфилософами, когда пытались понять структуру вещества, предсказывая атомистическую модель.
Затем, по мере развития человечества, усовершенствования технических устройств, вычленения и быстрого развития отдельных научных дисциплин, основанных на экспериментальном подходе, единый массив науки — натурфилософия — разделился.
Из первой его части — условно говоря, «натуральной» — развивались биология, физика, химия и прочее, а из философии, ставшей «инкубатором» для гуманитарных дисциплин, — психология, социология, история, лингвистика и т.д.
То есть человек начал искусственно разделять на сегменты этот единый массив знаний для его упрощения, понимания, для более подробного изучения явлений, объектов, их анализа.
Такая узкая специализация в науке, с одной стороны, позволила детально изучить и понять многие процессы, а с другой стороны, привела к утрате целостной картины мира. Созданная человеком узкоспециализированная наука породила, в свою очередь, отраслевые технологии и определила отраслевую организацию промышленности.
В ХХ веке, при реализации космического и атомного проектов, стала очевидной необходимость расширить эти отраслевые рамки для создания таких сложных объектов, как самолет, подводная лодка, космический корабль, атомная электростанция. Они создавались уже путем интеграции, но пока готовых технических решений из разных отраслей.
В то же время еще в конце XIX века появились трансграничные дисциплины — биохимия, геохимия, биофизика и пр. Затем возникли области знания, связавшие науки о природе с науками о человеке: кибернетика, бионика, позднее — генная инженерия и др. То есть внутренние закономерности развития науки привели к обратному процессу — уже не разделения, а нового слияния наук.
— Этот процесс обратного слияния обозначился совсем недавно, получается?
— И да, и нет. К этому, с одной стороны, привел весь ход развития науки и технологий. С другой стороны, еще десятилетие назад мы не понимали так глубоко механизмы функционирования окружающего нас мира, как понимаем их сегодня. В чем-то мы дошли до логического предела, разбирая единую природу на части — дисциплины — и создавая на этой основе узкоспециализированную науку, образование, отраслевую экономику. В микроэлектронике есть понятие «предел миниатюризации». Здесь можно провести параллель с процессами, о которых я говорил выше.
Образно говоря, сегодня у человечества в руках коробка с перемешанными пазлами, из которых мы должны сложить новую картину единого мира и принципиально новое технологическое лицо цивилизации.
Но при этом отмечу, что образца-то, по которому должна складываться такая картинка, у нас нет. Поэтому мы движемся на этом пути порой на ощупь, но уже значительная часть панно из пазлов сложена, вырисовываются основные контуры.
Сегодня в научных исследованиях, технологиях мы переходим от анализа различных явлений, предметов, материалов — к их синтезу. Это сложный процесс, взаимосвязанный. Анализ будет развиваться и дальше, но на новом этапе междисциплинарной науки главным становится синтез.
Мы, по сути, являемся свидетелями великого слияния наук. Причем это касается не только взаимопроникновения отдельных наук в естественно-научном или гуманитарном «блоках». Эти два условных массива, отколовшихся от некогда единой натурфилософии, вновь сближаются, идет слияние естественно-научных и гуманитарных знаний.
— Какие примеры вы можете привести?
— Один из сложнейших объектов научного познания — мозг человека. Как традиционно изучались его деятельность, сознание, принятие решений? В упрощенном виде схема такова.
Испытуемому задавались определенные вопросы и изучались его реакции. Первая реакция — вербальная, ответ на вопрос. Это предмет лингвистики — гуманитарной науки, которая через языковые функции изучает в том числе сознание, мозг.
Далее вопрос вызывает определенную психологическую реакцию — эмоции, изменение настроения и даже поведения. Этим занимается психология.
Социология изучает поведение человека в обществе, его взаимоотношения с другими людьми, группами людей. Таким образом, совокупность трех гуманитарных наук — лингвистики, психологии и социологии — стала основой для развития когнитивных исследований, которые до последнего времени были чисто гуманитарными.
Но сегодня у нас есть возможность рассмотреть те же процессы с помощью естественно-научных методов (позитронно-эмиссионной томографии, ядерно-магнитного резонанса, энцефалографии). Того же испытуемого мы помещаем внутрь позитронно-эмиссионного или ядерно-магнитного томографа и сообщаем ему какую-то информацию. При этом мы видим на экране компьютера определенные участки мозга, возбуждаемые в той или иной ситуации, то есть это уже чисто естественно-научное исследование.
Таким образом, когнитивные исследования в той же мере, в какой они были исследованиями гуманитарными, сегодня становятся естественно-научными. Такая же конвергенция гуманитарного и естественно-научного знания хорошо видна и на примере генетики.
— Что предшествовало такому переходу?
— Как я уже говорил, всё это — отражение тех самых процессов синтеза, слияния наук. Но невозможно сложить все сотни дисциплин сразу. Поэтому сегодня новый мировой тренд научного развития — конвергенция нано-, био-, информационных и когнитивных наук и технологий — НБИК-конвергенция.
Нанотехнологии — это метод направленного конструирования материалов любого вида, в основном неорганических, на атомарном уровне.
Биология, биотехнологии вводят сюда органические компоненты, и сочетание нано- с био- дает возможность получить искусственный биологический, или гибридный, материал — например, полупроводник с детектором из фоточувствительного материала типа белка фотородопсина.
Информационные технологии делают эту систему интеллектуальной — то есть не просто датчиком, который что-то измеряет, но и обрабатывает сигнал, дает на него «ответ». А когнитивные технологии, основанные на изучении сознания, дают нам алгоритм для «одушевления» этих систем.
Долгое время, развивая науку и технологии, человечество копировало живые системы, их принципы, механизмы в виде простых модельных систем.
Сегодня через конвергенцию наук и технологий мы можем не просто моделировать, а конструировать, создавать природоподобные системы. В их основе — соединение современных технологий, прежде всего микроэлектроники, с конструкциями, созданными живой природой.
Такие технологии, устройства будут иметь отличающиеся от современных механизмы генерации и потребления энергии, гораздо более экономичные, действующие по законам живой природы, через гибридные материалы и системы на их основе — в этом и состоит одна из задач НБИК-конвергенции.
То есть происходят тектонические изменения в развитии науки, она вышла на принципиально другой, междисциплинарный, уровень. И этот междисциплинарный подход — залог даже не процветания, а выживания стран в XXI веке.
Для такой новой системы организации науки нужна и новая, междисциплинарная, система образования. Насущная потребность в подготовке специалистов совершенно нового типа была осознана в начале 2000-х годов, когда в России, как и во всем мире, была запущена программа нанотехнологий. Из нее, собственно, и выросла позднее идея конвергенции нано-, био-, информационных и когнитивных технологий, а позднее к ним прибавились и социогуманитарные. Думаю, что к этой группе наук присоединятся еще какие-то.
— А есть ли уже такие конвергентные специалисты?
— Первые подвижки начались уже более 10 лет назад, когда в МГУ имени Ломоносова при поддержке ректора Виктора Антоновича Садовничего нам удалось организовать первую междисциплинарную кафедру нанотехнологий.
В качестве базы выбрали физико-математический блок, но к этому мы начали добавлять и другие естественные дисциплины, без которых междисциплинарное образование невозможно. Это прежде всего химия, потому что мы работаем с веществами. Обязательно — биология, информационные, когнитивные науки. И это стало неким толчком — подобные кафедры стали открываться во многих университетах страны.
Затем в 2008 году на базе Курчатовского института в московском физтехе (МФТИ) мы организовали первый в мире факультет конвергентных НБИК-наук и технологий, где каждый год мы подготавливаем порядка 60 человек. Это базовые физики, которые затем получают знания по биологии, химии, информатике, когнитивным наукам, философии. Получаются широко эрудированные физики с элементами «лирики».
Сейчас у нас, могу ответственно сказать, мощная образовательная база. Это 27 базовых кафедр в МГУ, СПбГУ, МИФИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МИРЭА, плюс факультет конвергентных НБИК-технологий в МФТИ. В лабораториях Курчатовского института проводят исследования около 500 студентов и примерно 300 аспирантов.
Однако реализовать такую междисциплинарную подготовку в вузе без работы со школами практически невозможно. В 2010 году совместно с департаментом образования правительства Москвы мы начали проект непрерывного междисциплинарного образования. Запускали мы его на базе московской школы № 2030, а сегодня в этом проекте участвуют уже 37 московских школ.
— А почему «непрерывного?»
— Еще в самом начале, при организации кафедры нанотехнологий в МГУ, стало ясно, что если между изучением одной и той же дисциплины в школе и вузе проходит 2–3 года, то ее приходится изучать практически заново.
Поэтому мы составляли учебный план так, чтобы «протягивать» непрерывную цепочку естественно-научного блока уже с начальных классов, формировать видение природы как единого целого.
Именно так воспринимает ее ребенок еще до изучения всех отдельных наук. И задача междисциплинарного образования — не разрушить этот образ целостного мира природы, когда начинается специализация по предметам. Важно заложить, что науки — физика, химия, математика — это лишь метод его познания.
— Такой проект успешен?
— Вполне. Уже около 25 тыс. школьников участвовали и участвуют в его реализации. Около 300 московских преподавателей вовлечено в проект. Важно и то, что наши школьные центры оснащены современным учебным оборудованием.
Проект начинает расширяться и за рамки Москвы. Междисциплинарные методики Курчатовского проекта используются в центре одаренных детей «Сириус» в Сочи, планируем создание подобных центров в регионах ЦФО, Ленинградской и Московской областях.
— Можно привести конкретный пример взаимодействия физических и математических наук с гуманитарными?
— В 2015 году мы начали работать с Государственным историческим музеем, Институтом археологии РАН, Крымским федеральным университетом. Мы провели целый комплекс интересных работ: изучали средневековые кресты-энколпионы, угасшие тексты древних рукописей, изучали содержимое сфероконических сосудов, пигменты древних наскальных рисунков и т.д.
Затем мы начали взаимодействовать с ГМИИ им. А.С. Пушкина, сделали ряд исследований с предметами из их коллекции. В ходе общения и работы с Мариной Девовной Лошак (директор ГМИИ им. А.С. Пушкина. — «Известия») решили обратить особое внимание на египетские мумии из коллекции музея.
Так что сейчас мы планируем интересную работу по изучению этих памятников далекого прошлого. Тут может быть задействован целый комплекс исследований — от компьютерной томографии до построения 3D-модели, что позволяет буквально «раскрыть» запеленутую мумию и посмотреть, что находится внутри.
Здесь уже должны подключаться антропологи, медики. Важны и химические исследования бальзамирующего состава, геномный анализ. Это поможет узнать, какие были болезни в тот период, как они эволюционировали во времени.
Для музеев подобные проекты очень интересны, ведь используя 3D-модель, можно рядом с экспонатом поставить специальный экран, с помощью которого посетители смогут осмотреть в подробностях его содержимое. Эту технологию можно использовать для создания материальных и полноценных ростовых 3D-копий мумии.
— Сейчас очень распространено использование 3D-принтинга в различных областях промышленности. Возможно ли их применение и в природоподобных технологиях?
— Появление такого рода принтинга и является по своему типу природоподобной технологией. Сегодня мы рубим дерево, чтобы потом сделать из него бревно. Или из добытого металла выплавляем слиток, а затем делаем нужную деталь. При таком способе производства существенная часть материалов и энергии идет на создание отходов и загрязнение окружающей среды.
Аддитивных технологий сегодня множество, объединяет их одно: построение модели происходит путем добавления материала, в отличие от традиционных технологий, где создание детали происходит путем удаления «лишнего» материала.
Пример из недавнего прошлого, когда возникла необходимость идентифицировать останки царской семьи. Была проведена томограмма черепов, сделана их компьютерная модель, которая затем превратилась в пластиковую. Далее, используя методику компьютерного наложения, ученые сравнили каждый череп с фотографиями членов царской семьи. Это именно аддитивные, стереолитографические технологии, за несколько часов на 3D-установке можно вырастить любую модель.
То есть стереолитография — технология аддитивного производства моделей, с помощью которой можно детально изучать и антропологические объекты, использовать для реставрационных работ, в медицине. В антропологии она используется для дополнения костными участками скелетов и фрагментов останков.
С помощью аддитивных технологий можно создавать модели оперируемых органов человека на основе томографии больного органа и изготавливать их методом стереолитографии. На изготовленной модели хирург разрабатывает технологию операции.
В 2009 году за комплекс работ по развитию лазерно-информационных технологий для медицины Государственная премия в области науки и технологий была присуждена: физику — академику В.Я. Панченко, нейрохирургу — академику А.А. Потапову, хирургу-онкологу — академику В.И. Чиссову. И здесь тоже аддитивные технологии. Был создан прибор, который позволяет для больного с черепно-мозговой травмой — после компьютерной томографии — сделать полную копию черепа и из пластика создать необходимый имплант, цифровая модель которого может быть направлена в любую удаленную точку.
В наши дни аддитивные технологии используются повсеместно: научно-исследовательские организации с их помощью создают уникальные материалы и ткани, промышленные гиганты используют 3D-принтеры для ускорения прототипирования новой продукции.
Мы итерационно приближаемся к пониманию целостности окружающего мира, механизмов и законов его функционирования.