Φτιάχνοντας έναν καλύτερο φυσικό

Άρθρο στο Physics World, Ιούνιος 2006

Οι φυσικοί πάντα βλέπουν τους εαυτούς τους ένα βήμα (ίσως και δύο βήματα)  μακριά από την πρακτική εφαρμογή της δουλειάς τους για να ωφεληθεί ο κόσμος, συμπεριλαμβανομένου και του εαυτού τους. Αυτή είναι η δουλειά των μηχανικών, οι οποίοι αντιμετωπίζονται συχνά ως τεχνικοί που προσκαλούνται όταν χρειάζονται και αντίθετα διώχνονται μακριά όταν δεν χρειάζονται.

Οι φυσικοί πρέπει να μάθουν να συνεργάζονται με τους μηχανικούς, κι όχι να χώνουν τη μύτη τους σε αυτούς, λέει ο φυσικός Julian White επικεφαλής της Genaptaστο Κέιμπριτζ.

Αλλά είναι εκπληκτικό, εν τούτοις, ότι μερικά από τα ομορφότερα αποτελέσματα στη φυσική έχουν επιτευχθεί από τους μηχανικούς. Ο Simon van der Meer, παραδείγματος χάριν, μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ του 1984 στη φυσική με τον τον Carlo Rubbia για την ανακάλυψη των σωματιδίων W± και Z⁰ στο CERN χάρις στην εφεύρεση της "στοχαστικής ψύξης", που μειώνει την ενέργεια που κατανέμεται σε μιας δέσμη σωματιδίων που ταξιδεύουν σε ένα δακτύλιο του επιταχυντή. Εντούτοις, ο van der Meer δεν θεωρείται σαν μεγάλος επιστήμονας - αλλά σαν ένας μηχανικός που επιθυμεί να συνεχίσει εφευρίσκοντας και κατασκευάζοντας σωστές μηχανές.

Το ζήτημα είναι ότι εάν οι φυσικοί θέλουν να ανακαλύψουν νέους ορίζοντες, χρειάζονται τους μηχανικούς - εκείνους που είναι ειδικοί για τις εφαρμογές - για να επιτύχουν νέα αποτελέσματα. Στο εργαστήριο μου, σαν υποψήφιος διδάκτωρ, αγωνιζόμουν να κατασκευάσω ό,τι χρειαζόμουν. Όμως όλα τα προβλήματα που αντιμετώπισα θα μπορούσαν να έχουν λυθεί σε μια νύχτα, μόνο αν είχα σκεφτεί περισσότερο σαν μηχανικός. Αν το είχα κάνει πιθανώς θα είχα πάρει περισσότερα και καλύτερα στοιχεία σε πιο σύντομο χρονικό διάστημα.  

Τεχνητοί διαχωρισμοί

Ένας λόγος για τον οποίο οι φυσικοί περιφρονούν τους μηχανικούς είναι ότι οι δύο επιστημονικοί κλάδοι είναι συχνά τεχνητά διαιρεμένοι. Στα περισσότερα πανεπιστήμια, παραδείγματος χάριν, τα τμήματα φυσικής και εφαρμοσμένης μηχανικής είναι συνήθως χώρια, που είναι και περίεργο και ανόητο, γιατί ως επιστημονικοί κλάδοι έχουν συμπληρωματικές γνώσεις και δεξιότητες. Στην πραγματικότητα, οι φυσικοί υποφέρουν περισσότερο από τους μηχανικούς από αυτή την αποξένωση.

Πάρτε την ΙΒΜ, η οποία προς το τέλος της δεκαετίας του '70 άρχισε ένα μακροχρόνιο και ακριβό πρόγραμμα για να δημιουργηθούν οι υπεραγωγικοί μεγάλοι υπολογιστές χρησιμοποιώντας τις επαφές Josephson. Οι φυσικοί στην ΙΒΜ είχαν υποστηρίξει ότι αυτές οι επαφές κατανάλωναν σημαντικά λιγότερη ενέργεια από την ανταγωνιστική τεχνολογία του πυριτίου της εποχής εκείνης και, επιπλέον, θα μπορούσαν να μεταστραφούν σε λιγότερο από 5 ns.

Εντούτοις, το πρότζεκτ φτιάχτηκε τελικά με μπάφερ επειδή αποδείχθηκε πάρα πολύ δύσκολο να κατασκευαστούν αξιόπιστα οι απαραίτητες επαφές οξειδίου του μολύβδου-μολύβδου και συγχρόνως πάρα πολύ ακριβές για να ψυχθεί η μηχανή στις υπεραγωγικές θερμοκρασίες. Φυσικά, το πρόγραμμα απέτυχε επίσης και λόγω της τότε βελτίωσης στη μικροηλεκτρονική του πυριτίου.

Απτόητη, στη δεκαετία του '80 η βιομηχανία της ηλεκτρονικής στράφηκε στο αρσενιούχο ή αρσενίδιο του γαλλίου ως ένας πιθανός αντικαταστάτης του πυριτίου σε ορισμένες εφαρμογές. Αλλά η τυποποιημένη μικροηλεκτρονική, η βασισμένη στο πυρίτιο, έχει συνεχίσει να βελτιώνεται και, δύο δεκαετίες αργότερα, το αρσενίδιο του γαλλίου έχει απομακρυνθεί από τον ανταγωνισμό με το πυρίτιο, ακόμη και σε αυτές τις εξειδικευμένες περιοχές.

Αυτή η αρκετά εκπληκτική βελτίωση στην απόδοση έχει επέλθει από τους μηχανικούς, που συνεχώς επιδιορθώνουν τα προβλήματα με το πυρίτιο σε καθημερινή βάση πάνω από δύο δεκαετίες. Με το νόμο του Moore ακόμα προφανώς ζωντανό και σωστό, οποιοδήποτε νέο υλικό θα βρει πολλές δυσκολίες να μετατοπίσει το αντικαταστήσει το επιβεβλημένο πυρίτιο. Πράγματι, φοβάμαι ότι τα πιο πρόσφατα υλικά που διεκδικούν το στέμμα από το πυρίτιο - υλικά όπως τα πλαστικά, νανοσωλήνες από άνθρακα και buckyballs - θα υποστούν τελικά την ίδια μοίρα.

Ένας άλλος τομέας όπου οι μηχανικοί θα κερδίσουν είναι η ενέργεια. Αλλά στην προσπάθεια να λυθεί η ενεργειακή κρίση τι κάνουν οι φυσικοί; Θεωρούνται μεγάλοι και αρχίζουν ένα πρόγραμμα που θα κρατήσει μια δεκαετία, που επιδιώκει να εκμεταλλευτεί την σύντηξη, τον τρόπο που παράγεται η ισχύς του ήλιου μέσα σε ένα εργαστήριο. Αλλά παρά τα δισεκατομμύρια των δολαρίων που έχουν ξοδευτεί μέχρι τώρα, ούτε ένα απλό τζάουλ χρήσιμης ηλεκτρικής ενέργειας δεν έχει παραχθεί από τέτοια πειράματα.

Οι μηχανικοί, εν τω μεταξύ, έχουν κάνει πιο γήινα - αλλά πιο χρήσιμα - πράγματα. Έχουν αυξήσει την αποδοτικότητα των γεννητριών και των συστημάτων μετάδοσης, και τώρα προσπαθούν να εκμεταλλευτούν νέες πηγές ενέργειας όπως ο άνεμος, οι παλίρροιες και τα φωτοβολταϊκά. Για να είμαστε δίκαιοι, οι φυσικοί έχουν βοηθήσει συχνά σε αυτήν την εργασία, αλλά κατά ένα μεγάλο μέρος καθοδηγείται από τους μηχανικούς.

Περισσότερη ενέργεια έχει παραχθεί πιθανώς από τους ανεμοστρόβιλους απ' ό,τι από τις προκαλούμενες από τον άνθρωπο αντιδράσεις σύντηξης, και αυτό θα συνεχίσει να συμβαίνει για έναν πολύ μεγάλο διάστημα. Ακόμη, ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας των 10 δισ. € (ITER), που πρόκειται σύντομα να χτιστεί στη Γαλλία, είναι το μόνο βήμα στο δρόμο για έναν πρακτικό αντιδραστήρα τήξης που θα λειτουργήσει κατά το 2050. Φυσικά, η αξία του προγράμματος ως μέσο υποκίνησης της διεθνούς επιστημονικής συνεργασίας καθώς και τη χρήση της φυσική του πλάσματος σε μεγάλη κλίμακα, είναι αναμφισβήτητη. Αλλά από την άποψη της παροχής μιας πρακτικής διαδρομής για την αντικατάσταση των σταθμών του άνθρακα και της πυρηνικής ενέργειας, είναι σχεδόν άσχετη. Οι φυσικοί πρέπει να συνειδητοποιήσουν ότι οι κυβερνήσεις και το κοινό μπορούν τελικά να αισθανθούν παραπλανημένοι από την αξία που οι φυσικοί δίνουν στην τήξη.

Απαιτείται περισσότερη αλληλεπίδραση

Και στα δύο αυτά τα παραδείγματα, οι φυσικοί υποτίμησαν και μείωσαν το καθαρό μέγεθος του στόχου και των εμπλεκόμενων πρακτικών. Κατά ένα μεγάλο μέρος αυτό είτε έχει οδηγήσει σε χρονοδιαγράμματα ολοκληρωτικής αποτυχίας είτε σε σύμπτυξη στόχων, που είναι αποτυχία με μεταμφίεση. Ο κίνδυνος είναι ότι η βιομηχανία και οι κυβερνήσεις θα δουν ότι οι φυσικοί και οι λύσεις - οι βασισμένες στη φυσική - είναι ανίκανοι να βρουν αγαθά, ενώ άλλοι άνθρωποι - συνήθως οι μηχανικοί - ασχολούνται και λύνουν λιγότερα φιλόδοξα προβλήματα , αλλά με παραγωγικότερους τρόπους.

Οι φυσικοί κάνουν κακό στον εαυτό τους με το να μην διαχειρίζονται καλύτερα αυτήν την διαδικασία. Τελικά, είναι αυτοί που συμβιβάζονται καθώς ο κόσμος όχι μόνο σταματά να πιστεύει αυτό που λένε, αλλά στην πραγματικότητα ούτε που τους ακούει, καθώς οι φυσικοί φαίνονται ανίκανοι ή απρόθυμοι να λύσουν το πρόβλημα με προσιτό τρόπο.

Αυτό που χρειαζόμαστε είναι πολύ περισσότερη αλληλεπίδραση μεταξύ της φυσικής και της εφαρμοσμένης μηχανικής, και είναι πιθανώς δίκαιο να πούμε ότι οι φυσικοί πρέπει να καταβάλουν προσπάθεια. Αφετέρου, πρέπει να υπάρξει περισσότερη έμφαση στη συνεργασία των δύο πεδίων σε ένα αρχικό στάδιο. Παραδείγματος χάριν κάνοντας τους προπτυχιακούς φυσικούς να κάνουν ένα λεπτομερές μακροχρόνιο σχεδιασμό ενός πρότζεκτ. Τέλος, οι φυσικοί πρέπει να αρχίσουν να σκέφτονται όπως οι μηχανικοί και να αρχίσουν να ενδιαφέρονται για τα πρακτικά μέρη του προβλήματος.

Ποιος ξέρει, από το να είναι ένα βάρος, τέτοια γνώση μπορεί να οδηγήσει σε ένα νέο επίπεδο εκλέπτυνσης της φυσικής.

Μηχανικοί εναντίον των φυσικών

Όλοι έχουμε ακούσει το αστείο για το μηχανικό και το φυσικό που καλούνται να χτίσουν ένα κοτέτσι για έναν αγρότη. (Ο φυσικός αρχίζει με τη φράση "αρχικά υποθέστε ένα σφαιρικό κοτόπουλο σε έναν κενό..."). Αλλά ποια είναι πραγματικά η διαφορά μεταξύ της φυσικής και της εφαρμοσμένης μηχανικής;

Η φυσική, από την ίδια την φύση της, είναι για να εξετάζει τα όρια των υλικών συστημάτων και την προσπάθεια να αποκαλυφθούν νέα γεγονότα για τον τρόπο που  συμπεριφέρονται τα πράγματα. Η εφαρμοσμένη μηχανική, αντίθετα, λαμβάνει στοιχεία για να τα αναδιαμορφώσει με κάποιο τρόπο -- είτε για να κάνουν βελτιώσεις στα υπάρχοντα συστήματα είτε για να δημιουργήσουν κάποια νέα λύση σε ένα πρόβλημα.

Ίσως η δυσκολία για τους φυσικούς είναι ότι όταν έρχονται αντιμέτωποι με ένα πρόβλημα, είναι πάρα πολύ ενθουσιώδεις για να υιοθετήσουν μια λύση που είναι πάρα πολύ ριζική και έχει μια μεγαλύτερη τάση να αποτύχει. Όταν αυτές οι λύσεις έπειτα αποτύχουν, τότε το δικαιολογούν λέγοντας ότι μόνο μια ριζική λύση θα είχε λύσει το αντιληπτό χάσμα στην απόδοση.

Οι μηχανικοί, αντίθετα, προτιμούν να βελτιώσουν τις διαδικασίες με έναν συνεχώς αυξανόμενο τρόπο. Όσο περνάει ο χρόνος, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε εκπληκτικές βελτιώσεις, υπό τον όρο ότι είναι διαθέσιμος αρκετός χρόνος και πόροι. Χωρίς αμφιβολία και οι δύο προσεγγίσεις έχουν τις αξίες τους σε διαφορετικές περιστάσεις, αλλά οι φυσικοί θα έκαναν καλά να εκτιμήσουν πώς σκέφτονται οι μηχανικοί.