Самый примитивный мост – простой ствол, упавший поперек потока или специально положенный туда людьми, – уже представляет собой инновацию. Возможно, первым значительным шагом инженерной инновации в области мостостроения было применение специально обтесанных деревянных бревен или досок. Стремление к обеспечению безопасности, устойчивости, долговечности и удобства, а также потребность в пересечении более широких рек привели к тому, что к этой конструкции стали добавлять каменные сооружения, используемые в качестве простых опор, установленных на обоих берегах; в результате получился так называемый балочный мост. Поскольку прочность древесины на изгиб ограниченна, явно существует некоторый предел расстояния, которое такой мост может перекрыть. Эта проблема была решена при помощи простой инновации конструкции, которая заключается в использовании каменных опор – быков, – устанавливаемых посреди реки. Таким образом мост, по сути дела, превращают в последовательность из нескольких отдельных балочных мостов.
Альтернативная стратегия сводилась к использованию гораздо более сложной инновации – сооружению мостов, целиком сделанных из камня и использующих физические принципы арки, то есть внесению изменений и в материалы, и в конструкцию. Такие мосты обладают тем огромным преимуществом, что способны выдерживать условия, которые привели бы к повреждению или разрушению сооружений более старой конструкции. Примечательно, что каменные арочные мосты возникли более трех тысяч лет назад, еще в греческом бронзовом веке (XIII в. до н. э.), и некоторые из них используются до сих пор. Величайшими строителями каменных арочных мостов древности были римляне, возведшие по всей своей империи множество великолепных мостов и акведуков, многие из которых существуют и поныне.
Чтобы перекрыть еще более широкие и глубокие пропасти – например, ущелье реки Эйвон в Англии или устье залива Сан-Франциско в США, – потребовались новые технологии, новые материалы и новые конструкции. Кроме того, увеличение интенсивности движения и потребность в устойчивости к большей нагрузке, особенно после возникновения железных дорог, привели к развитию чугунных арочных мостов, сварных стержневых ферм, а затем и к применению стали и разработке современных подвесных мостов. Существует множество вариантов таких конструкций: балочно-консольные мосты, арочные мосты с затяжкой (наиболее известным из которых является Харбор-Бридж в Сиднее) и разводные мосты наподобие Тауэрского в Лондоне. Кроме того, современные мосты строят сейчас с использованием множества разных материалов, в том числе сочетаний бетона, стали и армированных волокнами полимеров. Все это – инновационные решения общих инженерных задач, в том числе и связанных с преодолением ограничений, налагаемых законами масштабирования, действующими одинаково для всех мостов, и многочисленных местных особенностей, географических, геологических, транспортных и экономических, которые определяют уникальные черты и индивидуальность каждого из мостов.
Все эти инновационные варианты, возникающие из осознания потребности в пересечении все более широких и трудных преград, рано или поздно достигают своего предела. Поэтому в этом контексте инновацию можно рассматривать как реакцию на задачу, порожденную непрерывным увеличением ширины перекрываемого пространства, от малозаметного ручейка до самых широких водных пространств и самых глубоких и просторных каньонов и долин. Залив Сан-Франциско не перекроешь длинной доской. Чтобы построить мост, пересекающий его, нужно проделать долгий эволюционный путь, пролегающий через многочисленные уровни инноваций – до открытия железа, изобретения стали и их внедрения в инженерную концепцию подвесного моста.
Такое представление инноваций, опирающееся на их связь с желанием или необходимостью увеличения размеров создаваемых конструкций, расширения горизонтов и выхода на все более обширные рынки, а также неизбежного столкновения с потенциальными пределами, создаваемыми физическими ограничениями, образует шаблон, который мы будем использовать далее в этой книге для рассмотрения сходных видов инноваций в более широком контексте биологических и социально-экономических адаптивных систем.
В следующих главах это представление будет расширено, чтобы показать, как возникла идея моделирования систем. Моделирование стало теперь настолько обычным и естественным делом, что мы, как правило, не осознаем, что оно возникло сравнительно недавно. Нам трудно представить себе то время, когда оно не было важной и неотъемлемой частью производственных процессов или научных исследований. Всякого рода модели строились в течение многих веков, особенно в архитектуре, но их назначение сводилось в основном к иллюстрации эстетических характеристик объекта, не предполагая испытаний, исследований или демонстрации динамических или физических принципов создаваемой системы на масштабной модели. Что самое важное, такие модели почти всегда изготавливались «в масштабе», как географические карты, то есть размеры каждой детали системы находились в некотором фиксированном отношении – например, 1:10 – к реальным размерам. Каждая часть такой модели была линейно масштабированным представлением соответствующей части моделируемого судна, собора или города. Такие модели вполне эстетичны и хороши в качестве игрушек, но мало что говорят о том, как работает реальная система.
В наше время любые процессы или физические объекты, какие только можно себе представить, от автомобилей, зданий, самолетов и морских судов до дорожных пробок, эпидемий, экономических процессов и погоды, «моделируются» на компьютерах. Я уже говорил выше о специально выведенных мышах, которых используют в биологических и медицинских исследованиях в качестве уменьшенной «модели» человека. Главный вопрос во всех этих случаях сводится к следующему: как можно реалистично и достоверно масштабировать результаты и наблюдения, полученные на модели, на реальный объект? Вся эта система рассуждений происходит из прискорбной неудачи, постигшей в середине XIX в. конструкцию одного корабля, и замечательных прозрений скромного инженера-любителя, придумавшего, как избежать подобных неудач в будущем.
9. «Грейт Истерн», ширококолейные железные дороги и удивительный Изамбард Кингдом Брюнель
Иногда неудачи и катастрофы дают мощный толчок развитию и создают условия для появления инноваций, новых идей и изобретений, будь то в науке, инженерном деле, финансах, политике или личной жизни человека. Именно это произошло в истории кораблестроения и привело к зарождению теории моделирования, и важнейшую роль в этой истории сыграл человек с необыкновенным именем Изамбард Кингдом Брюнель.
В 2002 г. радиостанция BBC провела по всей Британии опрос и составила список «100 величайших британцев». Первое место, наверное предсказуемо, занял Уинстон Черчилль, на третьем была принцесса Диана (с момента ее гибели к тому времени прошло всего пять лет), а за ней следовала весьма впечатляющая троица – Чарльз Дарвин, Уильям Шекспир и Исаак Ньютон. Но кто же был вторым? Не кто иной, как замечательный Изамбард Кингдом Брюнель!
Когда я упоминаю имя Брюнеля в лекциях, которые читаю за пределами Соединенного Королевства, я обычно спрашиваю слушателей, кто из них слышал о нем. В лучшем случае поднимается маленькая горстка рук, чаще всего принадлежащих выходцам из Британии. Тогда я сообщаю своей аудитории, что по опросу BBC Брюнель признан вторым в списке величайших британцев всех времен и что он обошел не только Дарвина, Шекспира и Ньютона, но даже Джона Леннона и Дэвида Бэкхема. Это заявление вызывает смех в зале, но что еще важнее, оно служит естественным переходом к некоторым острым вопросам, касающимся науки, техники, инноваций и масштабирования.
