Кіріспе
Стивен Вольфрамның кітабы – Стивен Вольфрамның "Жаңа ғылымның түрі" атты кітабы, 2002 жылы оның компаниясы Wolfram Research, Wolfram Media баспасымен жарияланды. Кітапта ұялы автоматтар сияқты есептеу жүйелерінің эмпирикалық және жүйелі зерттеулері қамтылған. Вольфрам осы жүйелерді қарапайым бағдарламалар деп атайды және қарапайым бағдарламаларды зерттеуге қатысты ғылыми философия мен әдістер ғылымның басқа салаларына да қолданылуы мүмкін деп тұжырымдайды.
A New Kind of Science is a book by Stephen Wolfram, published by his company Wolfram Research under the imprint Wolfram Media in 2002. It contains an empirical and systematic study of computational systems such as cellular automata. Wolfram calls these systems simple programs and argues that the scientific philosophy and methods appropriate for the study of simple programs are relevant to other fields of science.
Есептеу және оның әсері
"Жаңа ғылымның түрі" (ЖҒТ) диссертациясы екі негізгі қағидаға негізделген: есептеудің мәнін тәжірибелік жолмен зерттеу қажет, және осы тәжірибелердің нәтижелері физикалық әлемді түсінуде маңызды рөл атқарады.
Қарапайым бағдарламалар
Вольфрамның «жаңа ғылым түрі» негізгі тақырыбы – қарапайым абстрактілік ережелерді зерттеу, яғни элементарлы компьютерлік бағдарламалар. Есептеу жүйесінің кез келген класында оның ең қарапайым жағдайларының арасында тез арада үлкен күрделілікке тап болады (бірнеше итерациялық циклдардан кейін, ережелер жиынтығын өзіне-өзі қолдану арқылы, өзін-өзі нығайтатын циклға ұқсас). Бұл жүйедегі компоненттер мен оның құрылымына қарамастан, шындыққа сәйкес келеді. Кітапта қарастырылатын жүйелерге, мысалы, бір, екі және үш өлшемдегі жасушалық автоматтар; жылжымалы автоматтар; 1 және 2 өлшемдегі Тьюринг машиналары; алмастыру және желілік жүйелердің түрлері; рекурсивті функциялар; тіркелген рекурсивті функциялар; комбинаторлар; тег жүйелері; тіркелім машиналары; кері қосылу жатады. Бағдарламаның қарапайым екенін анықтау үшін бірнеше талап бар:
Оның жұмысын қарапайым графикалық иллюстрация арқылы толық түсіндіруге болады. Оны адам тілінде бірнеше сөйлеммен толық түсіндіруге болады. Оны компьютерлік тілде бірнеше жолдық кодпен іске асыруға болады. Оның мүмкін болатын вариацияларының саны олардың барлығын есептеуге мүмкіндік береді. Әдетте, қарапайым бағдарламалардың өте қарапайым абстрактілік құрылымы болады. Қарапайым жасушалық автоматтар, Тьюринг машиналары және комбинаторлар – мұндай құрылымдардың мысалдары, ал күрделі жасушалық автоматтар міндетті түрде қарапайым бағдарламалар ретінде қарастырылмайды. Табиғи жүйелердің жұмысын бейнелеу үшін жаңа құрылымдарды ойлап табуға да болады. Қарапайым бағдарламалардың ерекшелігі – олардың көп бөлігі үлкен күрделілікті тудыруға қабілетті. Бағдарламалардың кез келген класының барлық мүмкін вариацияларын қарастыру адамды күтпеген және қызықты нәтижелерге тез жеткізеді. Бұл сұраққа әкеледі: егер бағдарлама соншалықты қарапайым болса, онда күрделілік қайдан пайда болады? Бір жағынан, бағдарламаның анықтамасында бағдарламаның жасай алатын барлық нәрселерді тікелей кодтауға жеткілікті орын жоқ. Сондықтан қарапайым бағдарламаларды пайда болудың ең қарапайым мысалы ретінде қарастыруға болады. Бұл құбылыстан логикалық қорытынды – егер бағдарлама ережелерінің егжей-тегжейлері оның мінез-құлқымен тікелей байланысты болмаса, онда қарапайым бағдарламаны нақты мінез-құлықты орындау үшін тікелей жасау өте қиын. Балама тәсіл – қарапайым жалпы есептеу құрылымын жасау, содан кейін барлық компоненттер арасынан ең жақсы сәйкестікті табу үшін күшпен іздеу жүргізу. Қарапайым бағдарламалар өте кең спектрлі мінез-құлықтарға қабілетті. Кейбіреулері әмбебап компьютерлер екені дәлелденді. Басқалары термодинамикалық мінез-құлық, үздіксіз мінез-құлық, сақталатын шамалар, перколяция, бастапқы жағдайларға сезімталдық және тағы басқалар сияқты дәстүрлі ғылымнан таныс қасиеттерді көрсетеді. Олар қозғалыс үлгілерін, материалдың сынуын, кристалдың өсуін, биологиялық өсуді, сондай-ақ әртүрлі әлеуметтану, геологиялық және экологиялық құбылыстарды модельдеу үшін қолданылған. Кітапта айтылғандай, қарапайым бағдарламалардың тағы бір ерекшелігі – оларды күрделірек ету олардың жалпы күрделілігіне көп әсер етпейді. «Жаңа ғылым түрі» еңбектерінде қарапайым бағдарламалар кез келген күрделі жүйенің мәнін түсіруге жеткілікті екендігі дәлелденген.
Its operation can be completely explained by a simple graphical illustration. It can be completely explained in a few sentences of human language. It can be implemented in a computer language using just a few lines of code. The number of its possible variations is small enough so that all of them can be computed. Generally, simple programs tend to have a very simple abstract framework. Simple cellular automata, Turing machines, and combinators are examples of such frameworks, while more complex cellular automata do not necessarily qualify as simple programs. It is also possible to invent new frameworks, particularly to capture the operation of natural systems. The remarkable feature of simple programs is that a significant percentage of them are capable of producing great complexity. Simply enumerating all possible variations of almost any class of programs quickly leads one to examples that do unexpected and interesting things. This leads to the question: if the program is so simple, where does the complexity come from? In a sense, there is not enough room in the program's definition to directly encode all the things the program can do. Therefore, simple programs can be seen as a minimal example of emergence. A logical deduction from this phenomenon is that if the details of the program's rules have little direct relationship to its behavior, then it is very difficult to directly engineer a simple program to perform a specific behavior. An alternative approach is to try to engineer a simple overall computational framework, and then do a brute force search through all of the possible components for the best match. Simple programs are capable of a remarkable range of behavior. Some have been proven to be universal computers. Others exhibit properties familiar from traditional science, such as thermodynamic behavior, continuum behavior, conserved quantities, percolation, sensitive dependence on initial conditions, and others. They have been used as models of traffic, material fracture, crystal growth, biological growth, and various sociological, geological, and ecological phenomena. Another feature of simple programs is that, according to the book, making them more complicated seems to have little effect on their overall complexity. A New Kind of Science argues that this is evidence that simple programs are enough to capture the essence of almost any complex system.
Есептеу ғаламшарын карталау және қазбалау
Қарапайым ережелерді және олардың көбінесе күрделі мінез-құлқын зерттеу үшін Вольфрам осы есептеу жүйелерінің барлығын жүйелі түрде зерттеу және олардың не істейтінін құжаттау қажет деп санайды. Одан әрі, бұл зерттеу физика және химия сияқты ғылымның жаңа саласына айналуы керек екенін айтады. Бұл саланың негізгі мақсаты – тәжірибелік әдістерді пайдалана отырып, есептеу ғаламын түсіну және сипаттау. Ғылыми зерттеудің бұл жаңа бағыты ғылыми өнімнің көптеген түрлерін қабылдайды. Мысалы, сапалық жіктемелер көбінесе есептеу «орманына» жасалған алғашқы қадамдардың нәтижесі болып табылады. Екінші жағынан, белгілі бір жүйелердің осы немесе сол функцияны есептейтінін нақты дәлелдеу де мүмкін. Сондай-ақ, осы зерттеу саласына тән өнімнің кейбір түрлері де бар. Мысалы, әртүрлі жүйелерде пайда болатын, бірақ өте әртүрлі формадағы есептеу механизмдерін анықтау. Өндірістің тағы бір түрі – есептеу жүйелерін талдауға арналған бағдарламалар жасау. NKS аясында, мұндай бағдарламалардың өзі де қарапайым болуы керек және бірдей мақсаттар мен әдістемеге бағынуы тиіс. Бұл идеяны дамыта отырып, адам ақылының өзі есептеу жүйесі болып табылады, сондықтан оны мүмкіндігінше тиімді шикі деректермен қамтамасыз ету зерттеу үшін маңызды. Вольфрам бағдарламаларды және олардың талдауларын мүмкіндігінше тікелей визуализациялауға және мыңдаған немесе одан да көп мысалдарды толық зерттеуге болады деп санайды. Бұл жаңа сала абстрактілі ережелерге қатысты болғандықтан, теория жүзінде басқа ғылым салаларына да қатысты мәселелерді қарастыра алады. Алайда, жалпы алғанда, Вольфрамның идеясы жаңа идеялар мен механизмдерді есептеу ғаламында табуға болады, онда оларды ең қарапайым түрінде ұсынуға болады, ал басқа салалар өздеріне қатысты деп санаған жаңалықтарды таңдай алады.
Жүйелі абстрактілік ғылым
Вольфрам қарапайым бағдарламаларды ғылыми дисциплина ретінде жақтағанмен, оның әдістемесі ғылымның басқа салаларында да революция жасайды деп санайды. Оның аргументінің негізі – қарапайым бағдарламаларды зерттеу ғылымның ең минималды түрі болып табылады, ол абстракция мен эмпирикалық тәжірибелерге теңдей негізделген. NKS-де ұсынылған әдістеменің әрбір аспектісі тәжірибені мүмкіндігінше тікелей, оңай және мағыналы ету үшін оңтайландырылған, сонымен бірге тәжірибе күтпеген нәтижелер беру мүмкіндігін арттырады. Осы әдістеме есептеу механизмдерін ең қарапайым түрінде зерттеуге мүмкіндік беретіндей, Вольфрам осы процестің физикалық әлемнің математикалық негізімен байланысты екенін және ғылымға көп пайдасы бар екенін айтады. Вольфрам ғаламның есептеулік шындықтары ғылымды фундаментальды себептермен қиындатады деп мәлімдейді. Бірақ ол сондай-ақ осы шындықтардың маңыздылығын түсіну арқылы біз оларды өз пайдамызға қолдануға үйрене аламыз дейді. Мысалы, теорияларды бақылаулар негізінде кері инженериялаудың орнына, жүйелерді санап, оларды байқаған мінез-құлықтарымен сәйкестендіруге тырысамыз. NKS-тің басты тақырыбы – мүмкіндік кеңістігінің құрылымын зерттеу. Вольфрам ғылымның тым кейбірдей екенін, себебі қолданылатын модельдер тым күрделі және дәстүрлі математиканың шектеулі бастапқы элементтеріне байланысты қажетсіз ұйымдастырылған деп санайды. Вольфрам өзгерістері саналатын және салдары есептеу мен талдауға оңай модельдерді қолдануды ұсынады.
Есептеулік азайтылмаушылық
Вольфрамның айтуынша, оның жетістіктерінің бірі – санауды ғылымды ұйымдастырушы принцип ретінде негіздеуге мүмкіндік беретін идеялардың тұтас жүйесін ұсыну. Мысалы, ол есептеулік қысқартылмайтындық (кейбір күрделі есептеулерге қысқа жолдар қолданылмайды және оларды "қысқартуға" болмайды) табиғаттың есептеулік модельдерін дәстүрлі математикалық модельдермен қатар қарастыру қажеттігінің түпкі себебі болып табылады деп санайды. Сондай-ақ, оның ішкі кездейсоқтық генерациясы туралы идеясы – табиғи жүйелердің хаос теориясын немесе стохастикалық бұзылыстарды пайдаланбай, өздерінің кездейсоқтығын тудыра алатыны – есептеу модельдеріне сыртқы кездейсоқтықты қосудың қажеті жоқ екенін көрсетеді.
Есептеулік баламалық қағидасы
Эксперименттік нәтижелеріне сүйене отырып, Вольфрам есептеу эквиваленттілігі қағидасын (PCE) жасады: бұл қағида табиғи әлемде кездесетін жүйелер есептеу қуатының максималды ("әмбебап") деңгейіне дейін есептеулерді жүзеге асыра алады. Көптеген жүйелер осы деңгейге жете алады. Жүйелер, принцип бойынша, компьютер сияқты есептейді. Сондықтан есептеу – бұл бір жүйеден екінші жүйеге кіріс және шығыстарды аудастыру мәселесі. Осының салдарынан, көптеген жүйелер есептеу тұрғысынан эквивалентті. Мұндай жүйелердің мысалдары ретінде адам миының жұмысы және ауа райы жүйелерінің эволюциясы келтіріледі. Бұл қағиданы былайша да айтуға болады: көбінесе қарапайым емес процестердің барлығы да бірдей күрделілікке ие. Осы қағидадан Вольфрам өзінің теориясын нығайтатын бірқатар нақты қорытындылар жасайды. Олардың ең маңыздысы – біздің кездейсоқтық пен күрделілікті қабылдауымыздың себебін түсіндіру: көбінесе біз талдайтын жүйелер өзіміздей күрделі болады. Осылайша, күрделілік – жүйелердің ерекше қасиеті емес, мысалы, "жылу" ұғымы сияқты, есептеулері күрделі барлық жүйелерді белгілейтін атау ғана. Вольфрам мұны түсіну NKS парадигмасының "қалыпты ғылымын" дамытуға мүмкіндік береді деп санайды.
Қолданылу және нәтижелер
NKS кітабында бірқатар нақты нәтижелер мен идеялар бар, оларды бірнеше тақырыпқа бөлуге болады. Мысалдар мен қолданбалардың ортақ тақырыбы – қызықты мінез-құлыққа жету үшін қаншалықты аз күрделілік қажет екенін және дұрыс әдістеме осы мінез-құлықты қалай ашуға болатынын көрсету. Біріншіден, NKS кітабында белгілі бір ерекшеліктері бар сыныптағы ең қарапайым белгілі жүйелер ұсынылған, олар кітап жазылған кездегі ең жақсы белгілі жүйелер еді. Мысалдардың ішінде күрделілікке әкелетін алғашқы примитивті рекурсивті функция, ең кішкентай әмбебап Тьюринг машинасы және пропозициялық логиканың ең қысқа аксиомасы бар. Осыған ұқсас, Вольфрам дәстүрлі ғылымнан таныс фазалық ауысулар, сақталған шамалар, үздісіз мінез-құлық және термодинамика сияқты құбылыстарды көрсететін көптеген қарапайым бағдарламаларды көрсетеді. Қабықтың өсуі, сұйықтық турбуленттілігі және филотаксис сияқты табиғи жүйелердің қарапайым есептеу модельдері осы тақырыпқа жататын қосымшалардың соңғы санаты болып табылады. Тағы бір ортақ тақырып – есептеу ғаламы туралы фактілерді тұтастай қарастырып, салалар туралы толыққанды ой-пікірлер жасау үшін оларды пайдалану. Мысалы, Вольфрам есептеу ғаламы туралы фактілердің эволюциялық теория, SETI, еркін ерік, есептеу күрделілігі теориясы және онтология, эпистемология, тіпті постмодернизм сияқты философиялық салаларға қалай әсер ететінін талқылайды. Вольфрам есептеулік ирредукция теориясы номиналды түрде детерминистік ғаламда еркін ерік болуына шешім табуға мүмкіндік беретінін ұсынады. Ол еркін ерікке ие жандағы мидағы есептеу процесінің өте күрделі болғандықтан, есептеулік ирредукция принципіне байланысты, оны қарапайым есептеуде ұстау мүмкін емес деп санайды. Осылайша, процесс шын мәнінде детерминистік болғанымен, жандағы ерікті анықтаудың жалғыз жолы – эксперимент жүргізу және оған оны жүзеге асыруға мүмкіндік беру. Кітапта сондай-ақ, белгілі бір автомат нені есептейтіні немесе оның қасиеттері қандай екені туралы тәжірибелік және талдамалық түрде алынған көптеген жеке нәтижелер бар. Кітапта Rule 110 жасушалық автоматының Тьюринг толықтығын сипаттаудың жаңа техникалық нәтижесі келтірілген. Өте кішкентай Тьюринг машиналары Rule 110-ды симуляциялай алады, бұл Вольфрам 2 күйлі 5 символды әмбебап Тьюринг машинасының көмегімен көрсетілген. Вольфрам 2 күйлі 3 символды Тьюринг машинасының әмбебап екенін болжайды. 2007 жылы кітаптың бес жылдығын тойлау аясында Вольфрам компаниясы осы Тьюринг машинасының әмбебап екенін дәлелдеген адамға 25 000 доллар сыйлық ұсынды. Сол жылы Ұлыбританияның Бирмингем қаласынан келген компьютерлік ғылым студенті Алекс Смит Вольфрамның болжамын дәлелдеу арқылы жүлдеге ие болды.
Қабылдау
"Жаңа ғылым" туралы мақалалар мерзімді баспасөзde жарияланды, соның ішінде The New York Times, Newsweek, Wired және The Economist басылымдарында. Кейбір ғалымдар кітапты өткір тілді және мақтанқор деп сынады, сондай-ақ жасушалық автоматтар сияқты қарапайым жүйелердің эволюциялық жүйелердегі күрделіліктің деңгейін сипаттау үшін жеткілікті күрделі емес екенін қателік деп санайды және Вольфрам жүйелердің күрделілігін жіктеуге арналған зерттеулерді назарға алмағанын айтты. Сыншылар Вольфрамның әмбебап есептеуді көрсеткен нәтижесін мойындаса да, оны маңызсыз деп есептейді және Вольфрамның парадигмалық өзгеріс туралы талабына қарсы шығады. Басқалары осы еңбекте құнды ойлар мен жаңа идеялар бар екенін атап өтті. Вольфрам өз сыншыларына блог жазбалары арқылы жауап берді.
Ғылыми философия
NKS қағидасы - жүйе неғұрлым қарапайым болса, оның әртүрлі күрделі жағдайларда қайталану мүмкіндігі соншалықты жоғары. Сондықтан, NKS қарапайым бағдарламалар кеңістігін жүйелі түрде зерттеудің қайта пайдалануға болатын білім базасын құруға алып келетінін дәлелдейді. Дегенмен, көптеген ғалымдар барлық мүмкін параметрлердің арасында ғаламда тек кейбіреулері ғана кездеседі деген пікірде. Мысалы, теңдеу құрамына кіретін символдардың барлық мүмкін тізбектерінің көп бөлігі мағынасыз болып табылады. NKS сондай-ақ қарапайым жүйелердің мінез-құлқының барлық жүйелерді бейнелейтіні туралы айғақтары үшін сынға ұшырады.
Әдістеме
NKS-ді жиі сынға түсетін мәселе – ол орнықты ғылыми әдістемеге сай келмейді. Мысалы, NKS қатаң математикалық анықтамалар бермейді, сондай-ақ теоремаларды дәлелдеуге ұмтылмайды; көптеген формулалар мен теңдеулер стандартты белгіленудің орнына Mathematica тілінде жазылады. Осыған орай, NKS көруге арналған материалдарға тым көп сүйенгендігі үшін де сынға ілікті, көптеген ақпарат формалды мағынасы жоқ суреттер арқылы беріледі. Математик Стивен Г. Кранц: «Волфрам клеткалық автомат құрастырып, барыс терісіндегі дақтардың үлгісін шығара алады, бірақ осы арқылы ол барыс терісіндегі дақтардың пайда болу механизмін түсінген деп сенімді түрде айтуға бола ма, немесе дақтар не үшін пайда болады, немесе олар қандай қызмет атқарады (эволюциялық, жұптасу, маскировка немесе басқа)?» – деп жазды.
Есептеулік баламалық қағидасы (PCE)
Есептеулік баламалық принципі (ЭБП) тұжырымсыз, математикалық дәлелдемесіз және тікелей тексеріле алатын болжамдар жасамайды деп сынға ұшырады. Басқалары бұл – Чёрч-Тьюринг тезисін қайта атаудан артық емес деп санайды.
Негізгі теория (NKS 9-тарау)
Вольфрамның физиканың түпкілікті теориясына қатысты болжамдары тұманды және ескірген деп сынға алынды. Техас университетінің Остин қаласындағы компьютер ғылымының профессоры Скотт Ааронсон да Вольфрамның әдістерінің арнайы салыстырмалылық теориясымен де, Белл теоремасын бұзумен де үйлесімді бола алмайтынын, демек Белл сынақтарының байқалған нәтижелерін түсіндіре алмайтынын мәлімдеді. Эдвард Фредкин мен Конрад Цузе есептеуге қабілетті ғалам идеясын алға тартты, біріншісі өзінің кітабында әлемнің жасушалық автоматқа ұқсауы мүмкін екенін жазып, кейін Фредкин оны Salt деп аталатын модельдеу ойыншығы арқылы дамытты. NKS бұл идеяларды өздеріне қабылдауға тырысқан деген пікір бар, бірақ Вольфрамның ғалам моделі – жасушалық автомат емес, қайта жазу желісі, өйткені Вольфрамның өзі жасушалық автоматтың релятивистік ерекшеліктерді, мысалы, абсолютті уақыт шеңберінің болмауын түсіндіре алмайтынын айтқан. Юрген Шмидхубер де оның Тьюринг машинасының есептеу физикасы жөніндегі жұмысы, атап айтқанда, мүмкін болатын Тьюрингтік есептеу ғаламдарын санау туралы идеясы авторлық құқықсыз ұрланғанын айыптады. 2002 жылы NKS туралы жазған Нобель сыйлығының лауреаты және элементар бөлшектер физигі Стивен Вайнберг: «Вольфрамның өзі бұрынғы элементар бөлшектер физигі, және ол өзінің цифрлық компьютерлік бағдарламалармен алған тәжірибесін табиғат заңдарына қолдануға қарсы тұра алмайды деп ойлаймын. Бұл оны (сондай-ақ 1981 жылғы Ричард Фейнманның мақаласында қарастырылған) табиғаттың үздіксіз емес, дискретті екендігіне алып келді. Ол кеңістік жасушалық автоматтағы жасушалар сияқты оқшауланған нүктелер жиынтығынан тұрады және тіпті уақыт да дискретті қадамдармен өтеді деп болжайды. Эдвард Фредкиннің идеясын қолданып, ол ғаламның өзі автомат, алып компьютер сияқты болады деген қорытындыға келді. Бұл мүмкін, бірақ мен осы болжамдарға ешқандай себеп көре алмаймын, одан басқа Волфрам және басқалар компьютерлердегі жұмыстарында осындай жүйелерге үйреніп қалған. Сол сияқты, ағаш шебері айға қарап, оның ағаштан жасалғанын ойлауы мүмкін».
Табиғи іріктеу
Вольфрамның табиғи іріктеу биологиядағы күрделіліктің басты себебі емес деген пікірі журналист Крис Лаверстің Вольфрам эволюция теориясын дұрыс түсінбейді деген тұжырымға келуіне әкеп соқты.
Бастапқылық
NKS өзінің атауын және талаптарын негіздеуге жеткілікті түрде жаңалық немесе маңызды емес деп көп сынға іріккен. NKS көптеген мысалдар мен дәлелдерді авторитетті түрде ұсынатындығы, оқырманды осы идеялардың барлығы Вольфрамға тән деп ойлануға итермелеп отыр деп айтылған; әсіресе, кітапта ұсынылған маңызды жаңа техникалық нәтижелердің бірі – 110-шы ереже бойынша жұмыс істейтін ұяшықтық автоматтың Тьюринг толықтығын Вольфрам дәлелдемеген. Вольфрам бұл дәлелді өзінің ғылыми көмекшісі Мэтью Кукке жатқызды. Дегенмен, кітабының соңындағы түсіндірмелер бөлімінде басқа ғалымдардың көптеген жаңалықтары аталып, олардың есімдерімен бірге тарихи фактілер келтірілген, бірақ бұл дәстүрлі библиографиялық бөлім сияқты емес. Сонымен қатар, өте қарапайым ережелер көбінесе үлкен күрделілікті тудырады деген ой ғылымда, әсіресе хаос теориясы және күрделі жүйелер саласында бұрыннан қалыптасқан.