Po co nam komputery?

Komputery do wszystkiego!

Nauki komputerowe.

Informatyka i ambitne zastosowania komputerów.

Murray Gell-Mann (Nobel 1969 za teorię kwarków), przemawiając w czasie „Complex Systems Summer School” w Santa Fe, powiedział:

Transformacja społeczeństwa przez rewolucję naukową XIX i XX wieku zostanie wkrótce przyćmiona przez jeszcze dalej idące zmiany, wyrastające z naszych rosnących możliwości zrozumienia złożonych mechanizmów, które leżą w centrum zainteresowania człowieka. Bazą technologiczną tej nowej rewolucji będą niewyobrażalnie potężne komputery razem z narzędziami matematycznymi i eksperymentalnymi oraz oprogramowaniem, które jest niezbędne by zrozumieć układy złożone... Przykładami adaptujących się, złożonych systemów jest ewolucja biologiczna, uczenie się i procesy neuronalne, inteligentne komputery, chemia białek, znaczna część patologii i medycyny, zachowanie się ludzi i ekonomia.

Matematyka komputerowa

Komputerowe dowody są często znacznie pewniejsze niż dowody klasyczne, w których jest sporo błędów. Przykładem mogą być tablice całek, w których programy do algebry symbolicznej znajdowały od 10 do 25% błędnie podanych całek.

Jakie odkrycie polskiego matematyka zrobiło największą karierę? W 1946 roku Stanisław Ulam, układając w szpitalu pasjansa, wpadł na pomysł rachunku Monte Carlo. Jest to metoda uniwersalna, pod warunkiem, że mamy pod ręką narzędzie które potrafi w ciągu sekundy zbadać miliony przypadkowych możliwości. Jedynie komputery dają nam takie możliwości.

Projekt QED (od ,,Quod Erant Demonstratum”) zmierza on do zbudowania komputerowego systemu w którym zgromadzona zostanie cała wiedza ludzkości o matematyce!

Fizyka komputerowa

We wrześniu 1990 na konferencji w Amsterdamie stwierdzono:
„Fizyka komputerowa to fizyka teoretyczna studiowana metodami eksperymentalnymi”

Steven Wolfram, nazywany przez kolegów w Princeton następcą Einsteina, pracował nad teorią cząstek elementarnych i przyczynił się do rozwoju teorii automatów komórkowych. Jego największym sukcesem jest jednak system algebry symbolicznej Mathematica. Wolfram tak pisze o komputerach w fizyce:

Lata 80 wspominane będą jako dekada, w której komputery powszechnie wkroczyły do metod nauk fizycznych. W dawnych czasach fizyka była gałęzią filozofii. Za czasów Galileusza nastąpiła rewolucja i fizyka jest nauką doświadczalną. Teraz mamy kolejną rewolucję tj. symulowanie świata przez komputery. Jest to fundamentalna zmiana sposobu myślenia o nauce. Praca nad automatami komórkowymi i fraktalami pokazała, jak proste fizyczne modele prowadzą do niezwykle złożonych zachowań.

W nadchodzących latach zobaczymy związki pomiędzy pytaniami fizycznymi i teorią obliczeń, fizyka statystyczna pojawi się w projektowaniu systemów współbieżnych.

Chemia komputerowa

Po etapie intensywnego rozwoju teorii i oprogramowania w latach 60. i 70. chemia kwantowa (dział chemii i fizyki teoretycznej zajmujący się matematycznym opisem cząsteczek chemicznych) stała się w latach 80-tych przydatna chemikom doświadczalnikom. Obecnie znacznie jest więcej użytkowników wielkich pakietów programów kwantowochemicznych niż ludzi znających się na metodach wykorzystywanych w tych pakietach. Osiągane dokładności obliczeń własności małych, kilkuatomowych cząsteczek są często na poziomie danych doświadczalnych a można je uzyskać znacznie szybciej. Chemicy komputerowi znacznie lepiej znają się na programach i komputerach niż na robieniu doświadczeń czy rozwijaniu teorii. Istnieją nie tylko pisma dotyczące chemii kwantowej lecz również Journal of Computational Chemistry, czyli pismo chemii obliczeniowej. W sieci komputerowej Internet działa od lat grupa dyskusyjna chemii komputerowej (computational chemistry group).

Modelowanie molekularne, farmakologia kwantowa

Biologia i biocybernetyka komputerowa

Chociaż komputery wykorzystuje się w wielu działach biologii, do gromadzenia informacji i wspomagania eksperymentów to biologia komputerowa dopiero się zaczyna. Z jednej strony mamy symulacje na poziomie makroskopowym, ekologiczne, związane z przepływem substancji i energii w przyrodzie oraz z biologią populacyjną, z drugiej strony mamy symulacje na poziomie molekularnym, w genetyce i biologii molekularnej, w szczególności problemy powstania życia i kodu genetycznego. Jednym z najważniejszych zagadnień jest określenie struktury przestrzennej białek na podstawie sekwencji aminokwasów. Najczęściej próbuje się stosować różne metody heurystyczne, statystyczne lub detektory regularności oparte na modelach sieci neuronowych.


Bardzo ciekawe zagadnienia informatyczne związane są z projektem mapowania ludzkiego genomu. Specjaliści od baz danych oceniają, że problemy związane z sekwencjonowaniem genomów, wymagające zapisu informacji o miliardach par nukleotydów to jedno z największych wyzwań, przed którymi stanęli.


Coraz więcej biologów zamiast prowadzić badania doświadczalne korzystać będzie z baz danych i symulacji komputerowych w biologii i w medycynie. Przykładem takiego problemu obliczeniowego, gdy już powstanie odpowiednia baza danych, będzie próba rekonstrukcji drzewa ewolucji.


Ważnym działem biologii komputerowej są symulacje działania komórek nerwowych jak i fragmentów układu nerwowego, a w szczególności mózgu. Biologia komputerowa przechodzi tu w komputerową medycynę. Należą do niej symulacje działania organizmu ludzkiego i zwierzęcego na różnym poziomie, począwszy od symulacji całych narządów do symulacji cykli biochemicznych pozwalających śledzić na komputerowym modelu co dzieje się w organizmie z podawanym lekiem czy innymi substancjami.

Nauki o poznaniu (cognitive sciences)

W ostatnich dziesięcioleciach rozwinęła się z połączenia psychologii, lingwistyki, filozofii, neurobiologii i sztucznej inteligencji nowa gałąź nauki, określana jako „nauki o poznaniu”, „nauki kognitywne” lub „kognitywistyka”, stawiająca sobie za cel zrozumienie, w jaki sposób człowiek postrzega i poznaje świat, w jaki sposób reprezentowana jest w naszym umyśle informacja kształtująca nasz obraz świata. Nauki o poznaniu stosują metody psychologii eksperymentalnej, korzystają z wyników badań nad mózgiem, ale ich jądro to modele oparte na symulacjach komputerowych.

Nauki o poznaniu

Lingwistyka

Różne odnośniki do lingwistyki, zagadnień związanych z mową i uczeniem się języków.

Psychologia

Różne odnośniki do psychologii i psychiatrii.
Neuronauki kognitywne, czyli jak komputerowe symulacje funkcji mózgu wyjasniają zachowanie.

Ekonomia komputerowa

Za modelowanie matematyczne zagadnień ekonomicznych przyznano już kilka nagród Nobla, pierwsze modele pochodzą jeszcze sprzed ery komputerów, potrzebne są jednak realistyczne modele w makroskali lub w skali całego globu. Niektóre modele ekonometryczne pozwalają na dość dokładne przewidywania sytuacji ekonomicznej w wybranych dziedzinach na rok z góry. Bogate kraje zyskują na możliwości przewidywania różnych tendencji, chociaż takie czynniki zewnętrzne jak np. pogoda czy konflikty regionalne są nie do przewidzenia.

Nauki humanistyczne

Pojawiają się zastosowania bliższe temu, co można określić jako „komputerowa humanistyka.”

Historia

Klio, muza historii, udzieliła swojego imienia nauce o nazwie kliometria, zajmującej się ilościowymi (statystycznymi) metodami w historii.
Wkrótce doczekamy czasów, gdy wszystkie informacje historyczne będą natychmiast dostępne badaczom i zamiast szperać po starych dokumentach będą spędzali całe dnie przed monitorem.

The Association for History and Computing (AHC), czyli stowarzyszenie do spraw historii i komputerów, wydaje od 1989 roku pismo „History and Computing”. Polskie Towarzystwo Historyczne powołało Komisję Metod Komputerowych, która jest jednocześnie Polskim Oddziałem AHC.

Minęło niedawno 500-lecie odkrycia Ameryki. 11 października 1492 roku, o godzinie 10 wieczorem, ze statku Krzysztofa Kolumba dostrzeżono przy świetle księżycowym zarys brzegu. Fala była duża i trzeba było czekać do drugiej w nocy zanim brzeg nie pojawił się wyraźniej. Po 33 dniach podróży statki Kolumba dotarły do lądu. Ale jakiego lądu? Wiadomo, że była to wyspa należąca do archipelagu wysp Bahama. Kolumb nazwał ją San Salvador. Niestety, jej dokładne położenie pozostało przez wieki nie znane. Rozstrzygnięcie możliwe było dzięki stworzeniu komputerowego modelu tej podróży.

Archeologia

Rekonstrukcje znanych zabytków, np. kompleksu Borobodur na Jawie, nie byłyby możliwe bez możliwości wyszukiwania pasujących do siebie fragmentów kamiennych przy pomocy komputera. W archeologii często wykorzystuje się komputery przenośne, nadające się do prac w terenie. Tworzy się również graficzne bazy danych obiektów archeologicznych rozproszonych po wielu muzeach. Wydanie CD-ROMu jest znacznie mniej kosztowne niż wydanie wydawnictwa książkowego typu albumowego, a ilość informacji na nim zawarta może dorównywać 20-tomowej encyklopedii.

Geografia.

Rozwiniętą gałęzią nauki jest geografia komputerowa. Modele matematyczne w geografii społecznej stosuje się od dawna a liczba danych, które należy uwzględnić powoduje, że jedynie komputerowe opracowywanie danych ma sens. Ważnym zagadnieniem jest również wizualizacja danych zgromadzonych w systemach informacji geograficznej (GIS) w postaci map cyfrowych. Bez komputerów nie może się również obyć kartografia.

Filozofia

Przed metodami komputerowymi nie obroni się nawet filozofia, nie tylko ze względu na konieczność filozoficznej refleksji nad obecnymi tendencjami w tej dziedzinie, a w szczególności dyskusją nad możliwością powstania sztucznej inteligencji czy rozumieniem świadomości. Powstają również projekty w których większa grupa specjalistów z różnych dziedzin filozofii stara się stworzyć spójną filozofię opartą na jednolitych zasadach. W realizacji projektu Principia Cybernetica bierze udział wielu filozofów wspólnie pracujących nad pewnym stanowiskiem ogólnym, opartym na podejściu cybernetycznym, ewolucyjnym, ujmującym w sposób systemowy spontaniczne pojawianie się różnych poziomów organizacji systemów złożonych.

Komputery w badaniach literackich

Włoski jezuita, Ojciec Roberto Busa, zgłębiał teologiczne subtelności słowa „obecność” w dziełach Św. Tomasza. Niestety, bardzo często słowo to zastąpione zostało po prostu skrótem „w”, np. „jest w czymś”, pomijając „obecny”. Po latach pracy nad tekstami, zawierającymi 10 milionów słów, Ojciec Busa doszedł do wniosku, że jedynym rozwiązaniem jest stworzenie pełnej konkordancji wszystkich tekstów. W 1949 roku Busa napisał do szefa i założyciela młodej firmy IBM, Thomasa Watsona. W poczekalni zauważył hasło firmy: „Rzeczy trudne załatwiamy od ręki; niemożliwe zajmują nam troszkę dłużej.” Firma IBM obiecała mu pomoc. W kościele w pobliżu Mediolanu zainstalowano kilka dziurkarek kart perforowanych, czytnik kart i drukarkę a później również komputer. Każda pomyłka w wpisywaniu danych wymagała drukowania kart od nowa. Trwało to przez 18 lat, do roku 1967! Przez następne 13 lat Ojciec Busa sortował i przygotowywał do druku konkordancję. W sumie projekt ten trwał ponad 30 lat, wymagał 1.8 miliona godzin pracy ludzkiej i 10 tysięcy godzin pracy komputera, a jego rezultatem było 60-tomowe dzieło, zawierające 70 tysięcy stron!

Stylometria, czyli badanie stylu literackiego metodami ilościowymi, powstała jeszcze przed epoką szerokich zastosowań komputerów, jednak dopiero dzięki wprowadzeniu nowych, komputerowych metod klasyfikacji i pełnej dostępności tekstów w formie elektronicznej dziedzina ta mogła się w pełni rozwinąć. Dzięki stylometrii można rozstrzygnąć sporne kwestie dotyczące autorstwa dzieł literackich, np. na początku lat 90-tych rozstrzygnięcia doczekała się kwestia autorstwa ostatniego z dzieł przypisywanych Szekspirowi (The two noble kinsmen), napisanego wspólnie z Johnem Fletcherem. Niektóre z rozdziałów (pierwszy i piąty) okazały się w całości być dziełem Szekspira, rozdział drugi jest autorstwa Fletchera, a trzeci i czwarty w różnych proporcjach nosi cechy stylu obu autorów.

Nauki prawnicze

Istnieje informatyka prawnicza, zajmująca się głównie bazami danych dla potrzeb prawa.

Bardziej ambitne zastosowania komputerów w naukach prawniczych zmierzają do wprowadzenia metod sztucznej inteligencji do wyszukiwania informacji na podstawie opisów, które wymagają głębszej analizy (rozumienia pytania, a nie tylko szukania słów kluczowych), do wyszukiwania sprzeczności wewnętrznych w danym zbiorze przepisów, szukania precedensów itp. W dalszej perspektywie rozumowanie prawników zostanie całkowicie skomputeryzowane!

Nauki rolnicze

Jedna z nagrodzonych prac na konferencji „Large scale analysis and modeling” (analiza i modelowanie komputerowe na dużą skalę), sponsorowanej przez IBM, dotyczyła oddzielenia informacji genetycznej od środowiskowej dla krów mlecznych, uwzględniając informację od wszystkich spokrewnionych krów - wymagało to nie tylko ogromnej bazy danych, ale rozwiązania układu równań o wymiarze 10 milionów! Taka praca ma duże praktyczne znaczenie i wymaga dużego doświadczenia w pracy z superkomputerem.

Nauki komputerowe per se

Coraz więcej jest działów nauki, które wyłamują się prostej klasyfikacji. Można do owych „właściwych” nauk komputerowych zaliczyć część teorii systemów złożonych, można włączyć różnego rodzaju modelowanie matematyczne, np. metody komputerowego badania układów dynamicznych, najczęściej rozwijane przez fizyków, chociaż zagadnienia fizyki to zaledwie jedno z wielu możliwych zastosowań tych metod, można do nich zaliczyć teorię automatów komórkowych, również przez fizyków rozwijaną, symulacje "sztucznego życia" (Artificial Life), sieci neuronowe, algorytmy genetyczne i programowanie ewolucyjne i wiele innych. Można tu również wliczyć programowanie naukowe (scientific programming); dziedzina ta doczekała się swojego pisma, wychodzącego od połowy 1992 roku.

Czy nauki komputerowe nie powinny pozostać działami poszczególnych nauk? I tak i nie. Tak, gdyż wymagają one kształcenia w zasadniczych kierunkach, z których wyrastają, w naturalny sposób wyodrębniając się z tych kierunków, jak to się stało z chemią komputerową. Nie, bo ludzie mają w nich wspólny język i można kształcić w znacznym stopniu tak samo ekonomistów, biologów, chemików i fizyków: programowanie, analiza numeryczna, techniki wizualizacji danych, symulacji, modelowania, nienumeryczne metody komputerowe. Często łatwiej porozumieć się chemikowi komputerowemu z fizykiem czy ekonomistą robiącym symulacje ekonometryczne niż z chemikiem analitykiem czy biochemikiem. Nauki komputerowe to nietrywialne, a więc wykraczające poza elementarne wiadomości, zastosowania komputerów w tych dziedzinach. Poza tym do nauk obliczeniowych należą podejścia interdyscyplinarne, które nigdzie nie pasują.

Czy nie są to działy informatyki? W pewnym sensie tak, jest to informatyka stosowana w różnych naukach, a cała informatyka jest gałęzią matematyki. Taki dział nie wyrasta jednak z badań w już istniejących instytutach informatyki. Programy nauczania informatyki nie są dostosowane do potrzeb w tych dziedzinach. Jeśli któraś z gałęzi zaczyna przerastać całe drzewo to czas już chyba na jej odłączenie... Wielkie opisywanie świata dopiero się zaczęło a pojawienie się komputerów pozwala nam na dokonanie wielkiego postępu na każdym etapie tego procesu.

Do czego na przykład zaliczyć grafikę komputerową? Artyści korzystają jedynie z narzędzi i niepotrzebna im informatyka, ale jest też cała grupa ludzi - a potrzeba ich coraz więcej - posiadająca głęboką wiedzę o matematycznym modelowaniu rzeczywistości, psychologii percepcji, teksturach fraktalnych, znających się na animacji a jednocześnie obdarzonych artystycznym talentem. Im bardziej wyrafinowane narzędzia dają artystom do dyspozycji producenci oprogramowania tym głębszej trzeba wiedzy by je udoskonalić.

Co zrobiono, by ustalić tożsamość tych nowych gałęzi nauk? Mamy zatrzęsienie pism z „komputer” w tytule, konferencje na przeróżne komputerowe tematy, ale niewielu specjalistów skłonnych jest jeszcze przyznać, że jest to istotnie „trzecia siła” w nauce. Nowych nauk nie można jednak zdefiniować, powoli nabierają one tożsamości w miarę jak pojawia się grupa specjalistów zaczynająca pracować nad podobnymi tematami używając podobnych metod, zakładając pisma i organizując konferencje.

Plany kształcenia w zakresie nauk komputerowych

Murray Gell-Mann w dalszej części cytowanej w tym rozdziale wypowiedzi na „Complex Systems Summer School” w Santa Fe, stwierdził:

Jest rzeczą coraz wyraźniej widoczną, że zrozumienie złożonych systemów wymagać będzie wspierających się nawzajem badań, prowadzonych przez specjalistów reprezentujących szerokie spektrum, od matematyki i nauk przyrodniczych do nauk humanistycznych. Społeczeństwo musi znaleźć sposoby, by pielęgnować to niezbędne zbliżenie się różnych dyscyplin naukowych i innych ważnych czynników. Istniejące obecnie instytucje akademickie nie są dobrze przygotowane by podołać tym naglącym potrzebom.

Pojawianie się symulacji komputerowych jako nowego sposobu rozwiązywania zagadnień wymaga dostosowania programów nauczania. Zmiany powinny sięgać bardzo głęboko. Geoffrey Fox porównuje obliczanie do tak fundamentalnych umiejętności jak czytanie, pisanie czy arytmetyka, umiejętności których posiadanie jest podstawą wszelkiego działania w świecie współczesnym. Powstaje więc problem, jak nauczać takiego podejścia do nauki.

Instytut Modelowania Matematycznego i Komputerowego (Warszawa) i inne Ośrodki Superkomputerowe w Polsce pełnią ważną rolę integrującą zainteresowanych symulacjami komputerowymi.
Komitet Informatyki PAN powołał w 2009 roku "Sekcję Nauk Obliczeniowych".