Badania naukowe a innowacje technologiczne

Projekt „DOTWIT – miejsce spotkań biznesu z nauką”
współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
Dr Krzysztof Pawlikowski
Badania naukowe a innowacje technologiczne
W najbliższym czasie na wsparcie badań i rozwoju, na współpracę nauki z biznesem,
zostaną przeznaczone kolejne środki finansowe m.in. z funduszy europejskich. W mediach od
jakiegoś czasu trwa dyskusja, czy środki te powinny być przeznaczane jedynie na badania
stosowane, czy może również na badania podstawowe. Zdania na ten temat są podzielone –
odnosi się wrażenie, że przeważa pogląd o wyższości badań stosowanych nad podstawowymi.
Przecież to właśnie badania stosowane prowadzą do rozwoju gospodarki opartej na wiedzy,
do wprowadzania innowacyjnych rozwiązań. Badania podstawowe to jedynie dywagacje
akademickie, niemające zastosowania w praktyce – twierdzą zwolennicy tezy. Ale czy tak jest
na pewno? Czy faktycznie badania podstawowe są mniej wartościowe?
Żeby odpowiedzieć na to pytanie, należałoby zacząć od wyjaśnienia pojęć „nauki
podstawowe” i „nauki stosowane”. Informacje na ten temat są ogólnodostępne – każdy z nas
korzysta z zasobów Internetu, do którego szybki dostęp dają nam osiągnięcia techniki takie
jak komputery, tablety czy smartfony. Dzięki nim dostęp do wiedzy jeszcze nigdy nie był tak
prosty. Idąc tym tropem, postanowiłem sprawdzić definicje w najczęściej odwiedzanej
encyklopedii internetowej – Wikipedii. Twórcy treści napisali w niej, co następuje:
 „Nauki podstawowe – obszar badań naukowych prowadzonych dla zrozumienia
podstaw wszystkich nauk, bez nastawienia na praktyczne rozwiązanie określonego
problemu,
np.
w
technice
czy
przemyśle”
(http://pl.wikipedia.org/wiki/Nauki_podstawowe).
 „Nauki stosowane – część zgromadzonej wiedzy, która umożliwia rozwiązywanie
określonych rzeczywistych problemów albo część działalności naukowej, która jest
podejmowana
w
celu
rozwiązania
tych
problemów”
(http://pl.wikipedia.org/wiki/Nauki_stosowane).
W tym samym źródle (hasło „nauki stosowane”) czytamy, że „podział wszystkich nauk
na podstawowe i stosowane jest dyskusyjny, ponieważ wszystkie badania naukowe zwykle
przynoszą korzyści, a badania podejmowane w celu rozwiązania istniejących problemów
często wymagają wzbogacenia wiedzy podstawowej”.
Nieco inne spojrzenie prezentuje C. H. Llewellyn Smith, były Dyrektor Generalny CERN
i Rektor University College London. Napisał on: „Osobiście nie lubię terminów nauki
podstawowe i stosowane: tak naprawdę, kto zawczasu może powiedzieć, co będzie
LIDER: Agencja Rozwoju Innowacji SA, ul. Ostródzka 38, 54 – 116 Wrocław, tel./fax 71 354 07 93
PARTNERZY PROJEKTU: Uniwersytet Wrocławski, Agencja Rozwoju Regionalnego ARLEG SA, Powiat Legnicki
Projekt „DOTWIT – miejsce spotkań biznesu z nauką”
współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
stosowane? Niemniej, te terminy mogą być użyteczne, jeśli je zdefiniujemy, biorąc pod uwagę
motywację:
 nauki podstawowe są rozwijane przez ludzką ciekawość świata,
 nauki stosowane stawiają sobie za cel rozwiązywanie konkretnych problemów”
(źródło: Jakie są korzyści z badań podstawowych? (pol.). www.fuw.edu.pl).
Wydaje się, że głównym problemem jest przyjęcie modelu liniowego rozwoju nauki i
techniki – badania podstawowe – badania stosowane – zastosowanie w przemyśle – produkt.
Jest to ścieżka, która faktycznie często ma miejsce. Bywa jednak i tak, że postęp techniki
prowadzi do postępu w naukach podstawowych. George Porter, laureat Nagrody Nobla z
chemii, stwierdził , że "termodynamika zawdzięcza więcej maszynie parowej, niż maszyna
parowa zawdzięcza nauce".
Nie tylko w Polsce pojawiają się głosy, że nauki podstawowe nie powinny być
dotowane ze środków publicznych, bo nie przyczyniają się do rozwoju gospodarki. Są tacy,
którzy twierdzą, że podejście wolnorynkowe jest najbardziej skuteczne w stymulowaniu nauki
i innowacji. Terence Kealey, Wicekanclerz Uniwersytetu Buckingham, w książce „The
Economic Laws of Scientific Research” z 1996 roku dowodzi, że rewolucja przemysłowa
zapoczątkowana w XVIII wieku w Anglii nie czerpała z dorobku XVII-wiecznej nauki,
przykładowo praw mechaniki sformułowanych przez Newtona. Kołem zamachowym rozwoju
była maszyna parowa i rozwój technik opierających się na nauce i inżynierii mechanicznej
sprzed XVII wieku. I szczerze mówiąc, ciężko się z nim w tej kwestii nie zgodzić. Jednak o
ile twierdzenie to jest prawdziwe w odniesieniu do okresu rewolucji przemysłowej, to nie
można podważyć chociażby roli sformowanych przez Newtona praw w kontekście
późniejszego rozwoju nauki i przemysłu. Jest to jeden z fundamentów współczesnej nauki,
zapoznaje się z nim młodzież już na początkowych zajęciach z fizyki. Z podobnego okresu
wywodzą się równania różniczkowe, bez których nie rozwinęłaby się matematyka, fizyka czy
chemia. Bez równań różniczkowych zapewne nie opisalibyśmy natury fal
elektromagnetycznych, nie zbudowalibyśmy radia i nie rozwinęlibyśmy metod
telekomunikacyjnych. Z całą pewnością można stwierdzić, że nasz świat wyglądałby inaczej.
W kontekście powyższych informacji pojawiają się kolejne pytania – czy należy podchodzić
do nauki w sposób wolnorynkowy? Czy naprawdę przysłuży się to rozwojowi zarówno nauki,
jak i przemysłu w okresie długoterminowym?
By poszukać odpowiedzi, proponuję krótką podróż w czasie. Prześledźmy badania
podstawowe i stosowane (czy zawsze da się je rozgraniczyć?) oraz ich rolę w rozwoju
ludzkości na bazie tego, bez czego dziś nie wyobrażamy sobie codziennego życia i pracy.
Przenosimy się do XVIII wieku – w tym czasie wiele odkryć dokonywało się w
zaciszu laboratoriów domowych, przy stosunkowo niskich nakładach finansowych. Jest to
LIDER: Agencja Rozwoju Innowacji SA, ul. Ostródzka 38, 54 – 116 Wrocław, tel./fax 71 354 07 93
PARTNERZY PROJEKTU: Uniwersytet Wrocławski, Agencja Rozwoju Regionalnego ARLEG SA, Powiat Legnicki
Projekt „DOTWIT – miejsce spotkań biznesu z nauką”
współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
okres, w którym naukowcy zaczęli zgłębiać naturę elektryczności i magnetyzmu. Włoski
fizyk, Allesandro Volta, wynalazł kondensator i ogniwo elektryczne. Prace nad
elektrycznością i magnetyzmem nabrały tempa w XIX wieku. W tym czasie Michael Faraday
skonstruował prądnicę i silnik elektryczny. Krokiem milowym było opisanie fal
elektromagnetycznych za pomocą równań różniczkowych przez Jamesa Clerka Maxwella.
Na potrzeby prowadzonych badań skonstruowano lampy próżniowe. Ich wykorzystanie wraz
z umiejętnością wytwarzania elektryczności pozwoliły J.J. Thomsonowi na odkrycie jej
nośnika – elektronu. Odkryto także, że hamujące elektrony generują promieniowanie
przenikające przez tkanki miękkie. Pierwszy to zjawisko wyczerpująco opisał Wilhelm
Röntgen, nazywając je promieniowaniem X. Ciekawym jest, że zarówno Thomson, jak i
Röntgen pracowali nad istotą promieniowania katodowego, a każdy z nich odkrył coś innego.
Należy pamiętać, że w XIX wieku elektryczność i magnetyzm praktycznie nie miały
zastosowania. Jeszcze nie miały. Jest to też czas dynamicznego rozwoju termodynamiki,
badań nad ciałem doskonale czarnym. W konsekwencji tego powstały zalążki mechaniki
kwantowej przedstawione m.in. przez Maxa Plancka. Jej praktycznego zastosowania również
się nie spodziewano.
Rozpoczyna się XX wiek. W 1916 roku Polak, Jan Czochralski, opracował technikę
otrzymywania monokryształów. W latach 20-tych rozpoczęły się prace nad
półprzewodnikami i aż do lat 50-tych nie rozumiano istoty ich działania. Dzięki pracom nad
półprzewodnikami możliwe stało się wynalezienie aparatu do sterowania prądami
elektrycznymi, opatentowane przez Juliusa Edgara Lilienfelda w Kanadzie, USA i Niemczech
(1925 - 1930). Aparat ten był tworem czysto teoretycznym, gdyż ze względów
technologicznych nie potrafiono go skonstruować. W latach 30-tych angielski matematyk,
kryptolog, jeden z twórców informatyki - Alan Mathison Turing - opracował abstrakcyjny
model komputera służącego do wykonywania algorytmów, zwany maszyną Turinga.
W naszej historii dochodzimy do punktu przełomowego – posiadamy już wiedzę na temat
prądu elektrycznego, dysponujemy lampami elektronowymi (następczynie lamp
próżniowych) oraz teoretycznym modelem maszyny obliczeniowej. W latach 40-tych na
Uniwersytecie Pensylwanii w USA panowie J.P. Eckert i J.W. Mauchly złożyli te wszystkie
elementy. Skonstruowali ENIAC (od ang. Electronic Numerical Integrator And Computer –
Elektroniczny, Numeryczny Integrator i Komputer) uważany za pierwszy komputer. Było to
praktyczne zastosowanie owoców nauki wypracowywanych od XVIII wieku. Pierwszy
komputer był naprawdę imponujący – zajmował powierzchnię 12 x 6m, zawierał 18 800 lamp
elektronowych, 50 000 oporników i pobierał 140 kW mocy. Szybkość wynosiła 5 000
dodawań na sekundę.
LIDER: Agencja Rozwoju Innowacji SA, ul. Ostródzka 38, 54 – 116 Wrocław, tel./fax 71 354 07 93
PARTNERZY PROJEKTU: Uniwersytet Wrocławski, Agencja Rozwoju Regionalnego ARLEG SA, Powiat Legnicki
Projekt „DOTWIT – miejsce spotkań biznesu z nauką”
współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
W połowie XX wieku nastąpił przełom w pracach nad półprzewodnikami. W zrozumieniu
natury półprzewodnictwa istotną rolę odegrał rozwój mechaniki kwantowej. W tym czasie
pojawiły się także możliwości techniczne do skonstruowania aparatu do sterowania prądami
elektrycznymi, zwanego tranzystorem. Tranzystory znalazły szerokie zastosowanie – dziś
służą np. jako wzmacniacze sygnału, są podstawowym elementem budowy układów
scalonych. Wraz z rozwojem nauki i techniki tranzystory ewoluowały, znajdowały
zastosowanie w coraz większej ilości urządzeń. Z czasem zaczęto dążyć do miniaturyzacji
tranzystorów, dzięki czemu powstały układy scalone w formie, jaką znamy i używamy dziś w
urządzeniach elektronicznych. Do ich produkcji niezbędne są wyniki wcześniejszych badań.
Czas pokazał, że Jan Czochralski i opracowana przez niego na początku wieku technika
otrzymywania monokryształów jest jedną z najpowszechniej stosowanych metod produkcji
monokryształów na świecie. Monokryształy wykorzystuje się m.in. do tworzenia
półprzewodników, przez co metoda stała się fundamentem współczesnego przemysłu
elektronicznego. Ocenia się, że aż 90% układów scalonych powstaje właśnie dzięki niej.
Dodatkowo w procesie produkcji układów scalonych wykorzystuje się różne metody
litograficzne – w tym rentgenolitografię, czyli litografię z wykorzystaniem promieniowania
X.
Koniec ubiegłego wieku to kolejny moment przełomowy – fizyka kwantowa zajmująca się
badaniem świata atomowego w ostatnich dekadach dostarczała informacji o mikroświecie.
Pod koniec XX wieku grupa fizyków z Uniwersytetu Gdańskiego opisała teoretycznie
zjawisko splatania związanego. W krótkim czasie okazało się, że zjawisko to znalazło
szerokie zastosowanie w informatyce kwantowej i kryptografii. Był to kolejny krok na drodze
do skonstruowania komputera kwantowego. Pierwsze takie urządzenia skonstruowano na
przestrzeni ostatniej dekady, okazało się także, że w pewnych dziedzinach techniki potrafią
być one wielokrotnie bardziej wydajne od komputerów tradycyjnych.
Na tym etapie nie sposób wspomnieć jeszcze o jednej ważnej sprawie – historia
dowodzi, że dzięki dużym nakładom na nauki podstawowe powstaje wiele pomysłów i
wynalazków „pobocznych”, które często da się skomercjalizować. Przykładem jest chociażby
rozwój stron WWW. Działają one za pomocą protokołu http, nad którym prace w 1989 roku
rozpoczął Tim Berners–Lee, pracownik CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych).
Początkowo miały one usprawnić współpracę między naukowcami, a doprowadziły do
gwałtownego rozwoju Internetu. 30 kwietnia 1993 roku CERN zgłosił technologię WWW
jako swobodnie dostępną dla wszystkich, bez opłat dla CERN.
Rozejrzyjmy się teraz wokół nas – na pewno w zasięgu wzroku mamy komputer,
laptop czy smartfon. W ułamku sekundy możemy skorzystać z zasobu danych dostępnych w
Internecie, dzięki czemu możemy sprawdzić interesujące nas informacje, praktycznie nie
LIDER: Agencja Rozwoju Innowacji SA, ul. Ostródzka 38, 54 – 116 Wrocław, tel./fax 71 354 07 93
PARTNERZY PROJEKTU: Uniwersytet Wrocławski, Agencja Rozwoju Regionalnego ARLEG SA, Powiat Legnicki
Projekt „DOTWIT – miejsce spotkań biznesu z nauką”
współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA
ruszając się z miejsca. Swoistym fenomenem jest przytoczona na początku, tworzona przez
ogólnoświatową społeczność, internetowa encyklopedia – wikipedia.org – jedna z najczęściej
odwiedzanych stron WWW w Internecie. Dla wielu osób jest ona pierwszym źródłem
informacji na temat nowo napotkanych pojęć. Nie mielibyśmy tego wszystkiego, gdyby nie
ciekawość, pasja i kreatywne umysły naukowców. Fakt, że możemy w każdej chwili połączyć
się za pomocą dostępnego sprzętu z Internetem, jest sumą prac wielu osób pozornie nie
powiązanych z sobą, żyjących w różnym czasie i miejscu, prowadzących różne badania i
mających różne odkrycia. Szacuje się, że w smartfonie znajdują się tysiące patentów – nie
byłoby ich, gdyby nie rozwój nauki. Nie mielibyśmy akumulatorów, które są następcami
XVIII-wiecznego odkrycia ogniwa elektrycznego Volty. Nie mielibyśmy Wi – Fi, gdyby nie
opisanie fal radiowych przez Maxwella. Nie mielibyśmy komputerów, gdyby nie model
maszyny Turinga. Nie byłoby tak skomplikowanych układów scalonych, gdyby Röntgen nie
odkrył promieniowania X. Nie powstałby komputer kwantowy, gdyby nie dynamiczny rozwój
fizyki kwantowej zawdzięczany m.in. noblistom takim jak Max Planck, Erwin Schrödinger,
Werner Heisenberg czy Albert Einstein.
Czy jesteśmy w stanie jednoznacznie zaklasyfikować wszystkie wspomniane wyżej
badania? Czy były one podstawowe, czy stosowane? A może nie da się ich jednoznacznie
rozdzielić? Czy to w ogóle ma jakieś znaczenie? Przecież wszystkie powyższe elementy
łącznie były niezbędne do tego, byśmy mogli pracować na laptopach czy używać smartfonów.
Przedstawiona wyżej historia jest oczywiście uproszczeniem całego procesu – nie sposób
bowiem ocenić, ile osób i ile czasu zajęło opracowanie poszczególnych elementów. Są to
jedynie kroki milowe, bez których nie bylibyśmy w miejscu, w którym obecnie się
znajdujemy.
Czy ktoś z nas wyobraża sobie życie bez urządzeń elektronicznych i Internetu?
„Nauki stosowane pozwalają na ulepszanie starych metod, podczas gdy nauki podstawowe
prowadzą do nowych metod. Nauki stosowane wprowadzają reformy, zaś nauki podstawowe
prowadzą do rewolucji. Rewolucje zaś, polityczne czy naukowe, dają olbrzymie możliwości,
jeśli stoi się po zwycięskiej stronie"
J.J. Thomson, noblista z dziedziny fizyki
LIDER: Agencja Rozwoju Innowacji SA, ul. Ostródzka 38, 54 – 116 Wrocław, tel./fax 71 354 07 93
PARTNERZY PROJEKTU: Uniwersytet Wrocławski, Agencja Rozwoju Regionalnego ARLEG SA, Powiat Legnicki