Проектирование будущего. Роль нанотехнологий в новой реальности

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН.

Выступление на конференции Нанотехнологического общества России «Развитие нанотехнологического проекта в России: состояние и перспективы», 09.10.2009. Москва. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».

Дорогие коллеги! Друзья!

Давайте перейдем к другому диапазону временных масштабов – к десятилетиям и векам, к тем общим проблемам, которые предстоит решать России и человечеству.

Наш институт – ныне Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН (ИПМ) – был создан в 1953 году для решения стратегических проблем, требовавших применения прикладной математики и компьютерного моделирования. Без преувеличения можно сказать, что от решения этих проблем зависела судьба нашего отечества и сам ход мировой истории.

Такими задачами были совершенствование атомной и водородной бомб, создание космических аппаратов и баллистических ракет, разработка систем управления. Нашим первым директором был выдающийся математик, механик, организатор науки, «главный теоретик космонавтики», трижды Герой Социалистического Труда Мстислав Всеволодович Келдыш. Наш институт работал в тесном контакте с коллективами Генерального конструктора, «отца советской космонавтики» Сергея Павловича Королева и научного руководителя советского ядерного проекта Игоря Васильевича Курчатова.

ИПМ и по сей день занимается стратегическими проблемами. Одной из них является долгосрочное прогнозирование развития мира и России, предсказание наиболее вероятных последствий крупных решений, принимаемых на государственном уровне, а также анализ и планирование воздействий, приближающих нас к желаемому варианту будущего.

Будущее становится объектом проектирования. Эффективные решения в экономической, военной, технологической сферах, в области международных отношений коренным образом зависят от того, насколько хорошо мы представляем мир, технологии и человека через 20–30 лет.

В последней трети ХХ века произошла научная революция в сфере прогнозирования. Перефразируя Блаженного Августина, можно сказать, что прошлого уже нет, настоящее эфемерно и думать следует, прежде всего, о будущем (см. рис.1).

Фундаментальные теории не только открывают новые горизонты, но и помогают осознать пределы наших возможностей, лишают иллюзий. Классическая механика лишила надежды создать вечный двигатель первого рода, получая энергию в механической системе «из ничего». Термодинамика заставила распроститься с проектами вечных двигателей второго рода (когда работа совершается с помощью передачи тепла от холодного тепла к горячему без изменения окружения). Квантовая механика с её соотношением неопределенностей показала, что мы не можем бесконечно точно измерять одновременно координату и импульс микрочастицы. Наконец, теория относительности поставила предел для передачи информации в вакууме со сверхсветовой скоростью.

Такие фундаментальные ограничения в последней трети ХХ века были выявлены в связи с развитием нелинейной науки (нелинейной динамики, синергетики, эти слова сейчас всё чаще употребляют как синонимы). В 1963 году американский метеоролог Эдвард Лоренц открыл явление динамического хаоса, странные аттракторы и главное – горизонт прогноза. Это то время, за которое информация о состоянии детерминированной системы (в которой будущее однозначно определяется начальным состоянием) утрачивается, как бы ни была мала погрешность в определении начального состояния. На рисунке 1 показан аттрактор Лоренца – клубок траекторий в пространстве возможных состояний системы, представляющий наглядный образ динамического хаоса. Горизонт прогноза для состояния атмосферы составляет около трех недель. На это характерное время мы не можем получить прогноз погоды, сколько бы метеостанций мы не разместили на Земле, и какими бы мощными компьютерами мы не пользовались. (Суперкомпьютеры в этих задачах решают, к сожалению, очень немногое).

Другое важное понятие нелинейной науки – бифуркация (от французского bifurcation – раздвоение, ветвление). В математике так называют изменение числа и устойчивости решений определенного типа. Развитие сложных систем сейчас обычно мыслится как прохождение с течением времени последовательности бифуркаций. В каждой из таких точек фактически делается выбор одного из вариантов развития. Малые воздействия в точках бифуркации могут иметь большие последствия, вдали от них влияние малых воздействий ничтожно.

Одной из пионерских идей XX века стало представление о самоорганизации – спонтанном, самопроизвольном возникновении упорядоченности в открытых нелинейных, далеких от равновесия системах. В процессе самоорганизации в сложных системах выделяется набор ведущих переменных (их называют параметрами порядка), которые подчиняют, определяют остальные характеристики объекта. Огромный вклад в теорию самоорганизации или синергетики (дословно с греческого – теории совместного действия) внес выдающийся исследователь Илья Романович Пригожин (Нобелевская премия по химии 1977 года). Само слово синергетика вошло в науку с легкой руки немецкого физика-теоретика Германа Хакена.

В России становление синергетики во многом связано с именем специалиста по прикладной математике и междисциплинарным исследованиям, третьего (со времени основания ИПМ) директора нашего института – Сергея Павловича Курдюмова.

Ему и его научной школе принадлежит создание и развитие теории режимов с обострением. Так называют режимы, при которых одна или несколько величин, характеризующих систему, неограниченно возрастают за ограниченное время (называемое временем обострения). Режимы с обострением дают приближенное описание (асимптотику) многих нелинейных систем с сильной положительной обратной связью. Они типичны для задач теории горения и взрыва, для некоторых неустойчивостей в физике плазмы, для ряда процессов, изучаемых математической биофизикой, гидродинамикой, химической кинетикой, для экономических кризисов.

Все эти представления нелинейной науки – горизонт прогноза, самоорганизация, параметры порядка, режимы с обострением – имеют непосредственное отношение к проблемам стратегического прогноза и к проектированию будущего.

При этом естественно начать анализ с ключевых, основополагающих процессов, которые определяют сам алгоритм развития человечества. Это процессы демографического роста – пружина и результат всего исторического пути, пройденного цивилизацией. Священник, профессор Ост-Индской компании, экономист и математик, работавший в XIX веке, Томас Мальтус считал, что численность человечества растет со временем в геометрической прогрессии – в одинаковое число раз за одинаковые промежутки времени. По его мысли, она растет в соответствии с линейным уравнением N^&=αN, N(0)=N₀ (см. рис.2), где N(t) – численность человечества в момент времени t, α – постоянная величина, называемая мальтузианским коэффициентом, N(0) – численность людей в начале процесса экспоненциального роста. Решение этого уравнения – экспонента N(t)=N₀exp(αt).

Рис.2

Исследования историков, археологов, палеодемографов, экономистов, проведенные в последние десятилетия, показали, что Т. Мальтус в отношении человечества ошибался. Действительно, в условиях избытка ресурса численность различных видов от амеб до слонов растет по экспоненте. Однако это не относится к человеку. Его скорость роста, по крайней мере в течение последних 200 тысяч лет, определялась нелинейным уравнением N^&=αN². Она росла по гораздо более быстрому гиперболическому закону N(t)=(t_f-t)^-1, где t_f ~ 2025 год – время обострения. Если бы сохранились сложившиеся за сотни веков тенденции, то нас должно было бы стать бесконечно много уже к 2025 году!

Однако на времени жизни одного, живущего сейчас, поколения происходит изменение алгоритмов развития человечества. Наблюдается резкое уменьшение скорости роста числа людей на планете, называемое глобальным демографическим переходом. По-видимому, историки будущего будут вспоминать века спустя наше время не как век космоса, атома или компьютеров, а как эпоху глобального демографического перехода.

Становление глобальной демографии в России и в мире связывают с работами и моделями профессора Сергея Петровича Капицы. В соответствии с его теорией главным и единственным параметром порядка для человечества в целом является сама численность человечества N (принцип демографического императива). Эта теория приводит к парадоксальному выводу – число людей одновременно живущих на планете не превысит 9–12 миллиардов человек, и близкие показатели будут достигнуты уже к середине XXI века. Время экстенсивного демографического роста для человечества заканчивается.

Эти исследования были продолжены в рамках программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Экономика и социология знания» в подпрограмме «Комплексный системный анализ и математическое моделирование мировой динамики». В этом проекте участвуют представители 10 академических институтов из трех отделений РАН и исследователи из МГУ. Ведущим институтом в этой подпрограмме является ИПМ, руководителем проекта – академик В.А. Садовничий, ответственными исполнителями – иностранный член РАH – А.А. Акаев и профессора А.В. Коротаев и Г.Г. Малинецкий (см. рис.3).

Рис.3

Из результатов проекта следует, что уже видны и экономические пределы человечества – судя по всему, глобальный валовой продукт нашей цивилизации не превысит 140 трлн. долларов в год (против нынешних 83 трлн.). В этом подходе развивается культурный императив, в котором в качестве параметров порядка выступают и численность населения планеты, и уровень технологий, и культура (её можно в среднем оценивать уровнем образования – числом лет, отданных учёбе).

Интуитивные представления рисуют нам безбрежные горизонты развития науки, грандиозные перспективы процесса познания. Но и это не соответствует действительности. Сотрудник Института химической физики РАН профессор Олег Валентинович Крылов проанализировал динамику самой развитой и успешной естественной науки – химии – с 1750 года по начало XXI века. Бессмысленно считать общее число статей – компьютеры, ксероксы, интернет, система грантов сделали информационный шум очень громким. Поэтому он проанализировал химическую энциклопедию, выделил наиболее важные химические открытия, которые и определили дальнейшее развитие (выявил «скелет науки»), а затем построил зависимость среднего ежегодного числа открытий с усреднением за десятилетия. Построенная картина показывает, что пик развития этой области знания давно пройден (он приходился на годы, предшествовавшие Второй мировой войне и эпохе разработки ядерного оружия). Такие зависимости были построены и для отдельных областей химии. Пик развития органической химии, например, был пройден в 1900 году, биохимии – в 1960-м (см. рис.3)

По сути дела, эта область знания, как и многие другие, оказалась в таком же положении, как география после открытия всех континентов. Нужно либо менять предмет изучения (например, в XX веке в основном трудами советских исследователей была создана подводная география Земли), либо более глубоко осмысливать открытое, не надеясь на революционное приращение знаний. Это совсем другая научная стратегия, иные приоритеты, технологии, цели, ожидания…

Однако такое положение дел дает и совершенно новые возможности. Возможности синтеза, реализации больших проектов, инженерной деятельности в высоком понимании этого слова. Впервые за многовековую историю у человечества появляется возможность реального социального, технологического, экологического выбора. И, конечно, самый впечатляющий и грандиозный проект – конструирование будущего, выбор своей исторической траектории.

Над этими задачами напряженно трудятся десятки тысяч человек во многих развитых странах. В основе их поисков обычно лежит теория выдающегося русского экономиста Николая Дмитриевича Кондратьева. В соответствии с ней в основе экономического развития лежит смена технологических укладов. Кризисы, войны, смены партий у власти, стилей в искусстве, мод и исследовательских программ определяются циклами технологического развития.

То, что циклическая динамика мировой экономики – та реальность, с которой нельзя не считаться, наглядно показывает распределение по времени возникновения крупнейших американских компаний (см. рис.4). Из этого распределения видно, насколько сильно меняется «экономическая погода» – например, в период с 1820 по 1825 год, шансов создать компанию, которая два века спустя превратится в экономический гигант, практически не было. А в период с 1904 по 1918 год, напротив, имелись прекрасные возможности, чтобы начать большое дело.

Такая динамика в простейшем приближении хорошо описывается с помощью модели Акаева-Садовничего (см. рис.4), где Y характеризует отклонения от тренда в законе изменения глобального валового продукта. Развитием подобных подходов, технологическим прогнозированием заняты сотни мозговых центров в развитых странах. Среди них особое место занимает Институт сложности в Санта-Фе (США).

Научными лидерами этого института являются нобелевские лауреаты – по физике Мюррей Гелл-Манн (выдвинувший в своё время гипотезу кварков) и по экономике Брайен Артур (выявивший роль положительной обратной связи в высокотехнологичных кластерах и, в частности, в становлении и развитии Кремниевой долины – основы информационно-телекоммуникационной индустрии США). На основе этого центра сложилась гигантская сетевая структура по всему миру, лейтмотивом деятельности которой является проектирование будущего, анализ тех воздействий, которые через годы и десятилетия смогут изменить ситуацию в желательном направлении. Подобная работа активно ведется в Германии, в Японии, в ряде других стран, непосредственно влияя на их политику, на элиты и массовое сознание. Такая работа должна вестись и в России.

Существует естественный цикл развития макротехнологии (см. рис.5). Вначале развитие фундаментальной науки, идей, которые могут получить практическое воплощение, подготовка кадров, организация опытно-конструкторских разработок (10–15 лет), создание технологий, быстрое совершенствование созданного, производство и начало реализации появившихся возможностей (10–15 лет) и, наконец, диффузия появившихся инноваций во всю техносферу и экономическую систему (10–15 лет). В итоге 30–45 лет. Это развитие описывается так называемыми инфратраекториями (см. рис.5), показывающим, какая часть потенциальной «экономической ниши» для данной макротехнологии уже освоена, какая часть пути в развитии и рассматриваемой отрасли уже пройдена, в какой фазе цикла она находится. Это чрезвычайно важно, так как экономическая, технологическая, образовательная, инновационная политика в разных странах кардинально зависят от фазы развития рассматриваемой отрасли.

Заметим, что разные отрасли развивались в разном темпе – относительно быстро авиастроение, атомная энергетика, телевидение, интернет. И относительно медленно отрасли, меняющиеся инфраструктуру современного мира – авиатранспорт, компьютеры, биотехнологии, – переходя из одного кондратьевского цикла в другой.

И Бог и черт в деталях – для конкретного и содержательного прогноза, анализа и предвидения здесь требуется большая аналитическая работа, системный анализ и математическое моделирование.

Обратим внимание на то, что и логика, и характерные времена, и механизмы инновационного развития здесь очень существенно отличаются от обычной экономической деятельности. В обычной «быстрой» экономике характерные вложения, развитие производства или иные операции рассчитаны на месяцы, в лучшем случае на несколько лет. В инновационном секторе, где создается и используется новое, приходится ориентироваться и планировать с горизонтом в несколько десятилетий. Это требует и совершенно других и стратегий, и алгоритмов, и кадров. Для ведения обычного предпринимательства, как правило, получают второе высшее образование по специальности мастер делового администрирования (Master Business Administration). В то время как развитие высокотехнологичного сектора требует мастера инновационного администрирования (Master Innovation Administration). Программы и курсы для подготовки таких специалистов были разработаны в Научно-образовательном центре ИПМ и востребованы в ряде регионов России.

Направление экономической науки, связанные со сменой технологических укладов, было развито выдающимся экономистом, последователем Н.Д. Кондратьева И. Шумпетером (1883–1950) (см. рис.6). Именно смена технологических укладов и является движущей силой технологического и социального прогресса, многих кризисов, и, в частности, того, который сейчас переживает современный мир.

В самом деле, освоение возможностей IV технологического уклада (локомотивными отраслями которого были тяжелое машиностроение, большая химия, массовое производство, автомобилестроение, авиастроение и несколько других) было основой советской индустриализации, форсированного промышленного развития. Реализация этой программы позволила стране выстоять в Великой Отечественной войне, стать сверхдержавой, добиться паритета с США в области стратегических вооружений.

Возможности, предоставленные V технологическим укладом (связанные с развитием компьютеров, малотоннажной химии, телекоммуникаций и интернетом), были упущены нашей страной, втянувшейся в бесплодные разрушительные реформы.

Сейчас весь мир готовится к технологическому скачку (судя по нашим прогнозам, это будет происходить в 2014–2018). Локомотивными отраслями рождающегося VI технологического уклада, вероятно, станут биотехнологии, нанотехнологии, робототехника, высокие гуманитарные технологии, новая медицина, новое природопользование. Сейчас, именно сейчас, решается, какие отрасли, страны, регионы, корпорации станут ведущими, а какие ведомыми на новом витке технологического развития. От эффективных, продуманных действий в этой сфере сейчас зависит будущее нашей цивилизации – мира России.

Системная причина охватившего мир кризиса состоит в том, что отрасли V технологического уклада уже не дают прежней отдачи и не требуют тех гигантских финансовых средств, которые сегодня есть в мире. В самом деле, в России сегодня уже более 150 миллионов мобильных телефонов. Реклама может заставить приобрести людей по два мобильных телефона. Но заставить приобрести по три, видимо, уже не удастся. В этой отрасли произошло насыщение. И производство мобильных телефонов с переднего края технологического развития быстро дрейфует в направлении аутсайдерских технологических ниш.

С другой стороны, отрасли VI технологического уклада ещё не созрели для массированного вложения средств. И это межвременье естественно приводит к кризису. Поэтому нынешний период крайне важен. Именно в это время отбираются и проходят обкатку те нововведения, под флагом которых будет происходить развитие до 2040–2050 годов. Именно сейчас мы находимся в точке бифуркации в технологическом пространстве и имеем реальные возможности многое изменить.

Если этого не сделать, то страна будет развиваться по инерционному сценарию, и место экономических, технологических факторов на этих больших, исторических временах займут цивилизационные факторы. В течение последних 20 лет, сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева, профессор Д.С. Чернавский развил динамическую теорию информации. Ключевым в этой теории становится понятие ценной информации – таких сведений, знаний, навыков, которые помогают носителям этой информации выжить и передать её потомкам. Таковой информацией могут быть языки, верования, валюты, моральные нормы, смыслы и ценности, цивилизационные проекты и образы будущего. Уравнения теории позволяют выяснить, как будет происходить распространение информации по территории со временем.

В рамках этой теории сотрудником ИПМ А.С. Малковым был представлен геополитический сценарий развития России до 2030 года. Вновь будем иметь в виду инерционный сценарий. Наиболее вероятные зоны влияния различных цивилизационных проектов и, соответственно, осуществляющих их стран показаны на рисунке 7.

Здесь рассматривается вариант, когда войска не вводятся на территорию России, и противостояние имеет место в экономической, демографической сфере и главное – в пространстве смыслов, ценностей, информации, цивилизационных проектов. Сахалин и Курилы в этом варианте отходят к Японии, возникает зона китайского влияния на Дальнем Востоке. Чукотка, Камчатка, Восточная Сибирь, огромные территории Севера, часть Западной Сибири оказывается в зоне американского влияния. (Уже сейчас в американских газетах пишут о возможности и желательности покупки Восточной Сибири, европейские политики начали говорить о том, что огромные минеральные богатства России за Уралом – достояние всего человечества, Китай выражает готовность и желание осваивать Северный морской путь, если наша страна не может и не хочет это делать сама). В Поволжье и на Кавказе возникают мусульманские анклавы. Появляется Северо-Западная республика.

Из проведенного в рамках упоминавшегося проекта исследования вытекает, что для того, чтобы развитие пошло по другому сценарию, нашей стране нужны сверхусилия, обретение будущего, экономический, технологический, инновационный прорыв. Мы должны в полной мере воспользоваться теми возможностями, которые представляют технологии VI уклада.

Если не сделать этого, то нашей страны очень скоро не будет. Располагая 30% всех природных богатств мира, Россия производит немногим больше 1% мирового валового продукта… При таком положении дел и в условиях беспощадной схватки за ресурсы, которой грозит обернуться XXI век, шансов на длительное благополучное существование у нашей страны нет.

Не менее убедительными, чем прогнозы, модели, системный анализ, являются образцы, примеры развития стран-аналогов. И такие примеры есть. Примерно в таком же положении, как сейчас Россия, в 1970-х годах, в начале развития V технологического уклада находились Канада и Южная Корея (см. рис.8). Канада добилась больших успехов в предыдущие годы, в дальнейшем довольствовалась невысокими базисными темпами роста экономики, и сохранила свою роль экономического и ресурсного сателлита США. В то же время Южная Корея вложила сверхусилия и совершила экономический и технологический рывок. Это потребовало огромных вложений в экономику и резкого подъёма образовательного, культурного, научного уровня населения страны. В течение ряда лет доля инвестиций в валовом внутреннем продукте (ВВП) страны превышала 35%. Такие показатели даже представить трудно. Сеул стал первым городом мира по числу физиков на душу населения, а южнокорейские школьники передвинулись в лидирующую группу по части физико-математических олимпиад.

Рис.8

Южнокорейское экономическое чудо было связано и с большим проектом, направленным на возрождение страны, и с беспощадной борьбой с коррупцией и вывозом капитала из страны. Кроме того, тем, кто проектировал будущее Южной Кореи, и тем, кто воплощал их замыслы в жизнь, удалось найти социально-экономические структуры, адекватные массовому сознанию и ожидание общества. Такими структурами оказались вертикально интегрированные компании – чеболи. В них была реализована практика пожизненного найма и забота о всех сторонах жизни работников. Национальные традиции и образы массового сознания не уничтожались, а выявлялись и эффективно использовались.

В рамках проекта, выполненного в ИПМ, было показано, что «экономическое чудо» – это бифуркация в экономической системе, позволяющая перевести экономику их низкопродуктивного в высокопродуктивное состояние. Выяснено, при каком положении «ручек» – управляющих параметров – это будет происходить.

Другой эффективный инструмент, который также успешно использовался в Южной Корее и в других странах – лидерах экономического развития – это управление структурными сдвигами. Оптимальная структура, судя по опыту ряда стран Организации по экономическому сотрудничеству и развитию (ОЭСР) подчиняется «правилу одной пятой и половины»:

• 
  Экономика = 20% обрабатывающей промышленности + 25% финансы + 22% услуги + остальное;
  

• 
  Обрабатывающая промышленность = 20% высокотехнологичный сектор + 30% средневысокотехнологичный сектор + все остальное.
  

России предстоит очень быстро пройти очень большой путь…

Многих студентов, исследователей, инженеров радует и успокаивает факт создания «Роснанотеха». «Что-то делается. Значит и мы двинулись к высоким технологиям», – часто приходится слышать такие мнения. То, что внимание общества, властей, предпринимателей, ученых привлечено к классу технологий, которые, видимо, сыграют очень важную роль в VI технологическом укладе, отрадно. И эта часть деятельности корпорации заслуживает всяческой поддержки (сейчас, по данным социологов лишь 2% граждан России представляют, что такое нанотехнологии, и такое положение дел надо менять).

Но очень важен в этом, как и во многих случаях, не процесс, а результат. Результат же этого проекта (как и других программ такого типа) определяется тем, насколько точно и реалистично продумана стратегия, определена цель и точно выбран путь её достижения. И уже на этом этапе начинаются проблемы, о которых мы регулярно беседуем с коллегами из «Роснанотеха».

Мировой рынок нанотехнологической продукции сейчас разделен так, как показано на рис 9. Доля России здесь пренебрежимо мала. Естественно спросить себя, с какой продукцией мы оттесним кого-нибудь из лидеров и за счет каких конкурентных преимуществ (если уж говорить на экономическом языке, который предпочитают в «Роснанотехе»). Нет ответа.

Другой вопрос, ещё более острый. Посмотрим, в каких отраслях используются достижения нанотехнологии (см. рис.10). Этих отраслей в силу междисциплинарности нанонауки, наноинженерии, нанотехнологий много. Нанотехнологии выступают как приправа к основному блюду. Но этого-то блюда, самих отраслей, в России-то пока и нет. Поэтому, решив готовить нанотехнологическую приправу, надо определить какую отрасль параллельно следует создавать. Это вопрос государственного планирования, выбора промышленной и технологической политики. В СССР этим занимался Госплан и ряд министерств, в США это делают влиятельные и эффективные государственные и негосударственные структуры. В современной России подобными проблемами не занимается никто, в том числе и «Роснанотех».

Рис.10

Мировый и отечественный опыт показывают, что бессистемные инновации, как правило, не приводят к значимым социально-экономическим результатам в обозримые сроки.

Очень часто в дискуссиях о нанотехнологиях в России сторонники «рыночного подхода» («пусть прорастет что угодно, лишь бы за это деньги платили») кивали на опыт США, которые, по их мысли, «развивали всё». Другие эксперты, в том числе и автор этих строк, считали, что очень скоро выбор будет сделан, намечено магистральное направление и приняты соответствующие государственные решения.

Именно это и сделал