Введение
Книга Стивена Вольфрама "Новый вид науки" – книга Стивена Вольфрама, опубликованная его компанией Wolfram Research под брендом Wolfram Media в 2002 году. Она содержит эмпирическое и систематическое исследование вычислительных систем, таких как клеточные автоматы. Вольфрам называет эти системы простыми программами и утверждает, что научная философия и методы, применимые к изучению простых программ, актуальны и для других областей науки.
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.
Вычисления и их последствия
Тезис книги «Новый вид науки» (NKS) заключается в двух утверждениях: природа вычислений должна изучаться экспериментально, и результаты этих исследований имеют огромное значение для понимания физического мира.
Простые программы
Основной предмет "нового вида науки" Вольфрама — изучение простых абстрактных правил, по сути, элементарных компьютерных программ. Практически в любом классе вычислительных систем очень быстро обнаруживаются примеры большой сложности даже среди самых простых случаев (после временного ряда множественных итеративных циклов, применяющих один и тот же простой набор правил к самому себе, подобно самоподдерживающемуся циклу, использующему набор правил). Это, кажется, верно независимо от компонентов системы и деталей её настройки. Системы, исследованные в книге, включают, среди прочего, клеточные автоматы в одном, двух и трех измерениях; мобильные автоматы; машины Тьюринга в 1 и 2 измерениях; различные виды систем подстановок и сетей; рекурсивные функции; вложенные рекурсивные функции; комбинаторы; системы тегов; регистровые машины; обратное сложение. Чтобы программа считалась простой, необходимо выполнение нескольких требований: её работа может быть полностью объяснена простой графической иллюстрацией; её можно полностью описать в нескольких предложениях на человеческом языке; её можно реализовать на языке программирования всего в несколько строк кода; количество её возможных вариаций достаточно мало, чтобы все они могли быть вычислены. Как правило, простые программы имеют очень простую абстрактную основу. Простые клеточные автоматы, машины Тьюринга и комбинаторы являются примерами таких основ, в то время как более сложные клеточные автоматы не обязательно квалифицируются как простые программы. Также возможно изобретать новые основы, особенно для моделирования функционирования природных систем. Примечательная особенность простых программ заключается в том, что значительный их процент способен порождать большую сложность. Простое перечисление всех возможных вариаций почти любого класса программ быстро приводит к примерам, демонстрирующим неожиданное и интересное поведение. Это приводит к вопросу: если программа настолько проста, откуда берётся эта сложность? В некотором смысле, в определении программы недостаточно места для непосредственного кодирования всего, что она может делать. Поэтому простые программы можно рассматривать как минимальный пример эмерджентности. Логическим следствием этого явления является то, что если детали правил программы мало связаны с её поведением, то очень сложно напрямую разработать простую программу для выполнения конкретной задачи. Альтернативный подход — попытаться разработать простую общую вычислительную основу, а затем выполнить полный перебор всех возможных компонентов для поиска наилучшего соответствия. Простые программы способны демонстрировать удивительный спектр поведения. Некоторые из них доказано являются универсальными компьютерами. Другие проявляют свойства, известные из традиционной науки, такие как термодинамическое поведение, поведение континуума, сохраняющиеся величины, перколяция, чувствительность к начальным условиям и другие. Они использовались в качестве моделей для описания движения транспорта, разрушения материалов, роста кристаллов, биологического роста, а также различных социологических, геологических и экологических явлений. Ещё одна особенность простых программ заключается в том, что, согласно книге, их усложнение, по-видимому, мало влияет на их общую сложность. "Новый вид науки" утверждает, что это является доказательством того, что простых программ достаточно для описания сущности почти любой сложной системы.
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.
Картирование и добыча вычислительной вселенной
Для изучения простых правил и их часто сложного поведения Вольфрам утверждает, что необходимо систематически исследовать все эти вычислительные системы и документировать их работу. Он также утверждает, что это исследование должно стать новой областью науки, подобно физике или химии. Основная цель этой области – понять и охарактеризовать вычислительную вселенную, используя экспериментальные методы. Предлагаемая новая область научных исследований допускает множество различных форм научной деятельности. Например, качественные классификации часто являются результатом первых шагов в исследовании вычислительной среды. С другой стороны, строгое доказательство того, что определенные системы вычисляют ту или иную функцию, также допустимо. Существуют также формы деятельности, которые в определенной степени уникальны для этой области исследований. Например, открытие вычислительных механизмов, возникающих в различных системах, но в причудливо разных формах. Другой вид деятельности включает создание программ для анализа вычислительных систем. В рамках NKS эти программы сами должны быть простыми и подчиняться тем же целям и методологии. Дальнейшее развитие этой идеи заключается в том, что человеческий разум сам по себе является вычислительной системой, и, следовательно, предоставление ему исходных данных максимально эффективным способом имеет решающее значение для исследований. Вольфрам считает, что программы и их анализ следует визуализировать максимально наглядно и тщательно изучать, анализируя тысячи и более примеров. Поскольку эта новая область касается абстрактных правил, она в принципе может решать вопросы, относящиеся к другим областям науки. Однако, в целом, идея Вольфрама состоит в том, что новые идеи и механизмы могут быть обнаружены в вычислительной вселенной, где они могут быть представлены в самых простых формах, а затем другие области могут выбирать из этих открытий те, которые они считают релевантными.
Систематическая абстрактная наука
В то время как Вольфрам отстаивает простые программы как научную дисциплину, он также утверждает, что его методология совершит революцию в других областях науки. В основе его аргумента лежит то, что изучение простых программ представляет собой минимально возможную форму науки, в равной степени опирающуюся как на абстракцию, так и на эмпирические эксперименты. Каждый аспект методологии, предлагаемой в NKS, оптимизирован для того, чтобы эксперимент был максимально прямым, простым и содержательным, одновременно увеличивая вероятность неожиданных результатов. Подобно тому, как эта методология позволяет изучать вычислительные механизмы в их простейших формах, Вольфрам утверждает, что сам процесс взаимодействия с математической основой физического мира, и поэтому может быть полезен для науки. Вольфрам утверждает, что вычислительная природа Вселенной делает науку сложной по фундаментальным причинам. Однако он также утверждает, что, понимая важность этих особенностей, мы можем научиться использовать их в своих интересах. Например, вместо того чтобы выводить теории из наблюдений, мы можем перечислять системы и затем сопоставлять их с наблюдаемым поведением. Важной темой NKS является исследование структуры пространства возможностей. Вольфрам утверждает, что наука слишком эмпирична, отчасти потому, что используемые модели слишком сложны и излишне структурированы вокруг ограниченных базовых элементов традиционной математики. Вольфрам выступает за использование моделей, вариации которых можно перечислить, а последствия – легко вычислить и проанализировать.
Вычислительная неснижаемость
Вольфрам утверждает, что одним из его достижений является создание последовательной системы идей, обосновывающей вычисления как организующий принцип науки. Например, он утверждает, что концепция вычислительной нередуцируемости (то, что некоторые сложные вычисления не допускают упрощений и не могут быть "сведены") является фундаментальной причиной, по которой вычислительные модели природы должны рассматриваться наряду с традиционными математическими моделями. Подобным образом, его идея о внутренней генерации случайности – о том, что естественные системы способны генерировать собственную случайность, а не полагаться на теорию хаоса или стохастические возмущения – подразумевает, что вычислительные модели не нуждаются в явном включении случайности.
Принцип вычислительной эквивалентности
На основе своих экспериментальных результатов Вольфрам разработал принцип вычислительной эквивалентности (PCE): этот принцип утверждает, что системы, встречающиеся в природе, способны выполнять вычисления на уровне максимальной ("универсальной") вычислительной мощности. Большинство систем могут достичь этого уровня. Системы, по сути, вычисляют то же самое, что и компьютер. Следовательно, вычисление – это лишь вопрос преобразования входных и выходных данных из одной системы в другую. Таким образом, большинство систем вычислительно эквивалентны. Примерами таких систем могут служить работа человеческого мозга и эволюция погодных систем. Принцип можно перефразировать следующим образом: почти все процессы, которые не являются тривиально простыми, обладают сопоставимой сложностью. Исходя из этого принципа, Вольфрам делает ряд конкретных выводов, которые, по его мнению, подтверждают его теорию. Вероятно, наиболее важным из них является объяснение того, почему мы наблюдаем случайность и сложность: зачастую анализируемые нами системы столь же сложны, как и мы сами. Таким образом, сложность – это не уникальное свойство систем, подобно, например, понятию "тепло", а лишь обозначение всех систем, чьи вычисления достаточно сложны. Вольфрам утверждает, что понимание этого позволяет заниматься "нормальной наукой" в рамках парадигмы NKS.
Применение и результаты
В книге «Новая наука» (NKS) содержится ряд конкретных результатов и идей, которые можно систематизировать по нескольким темам. Одной из основных тем, проходящей через примеры и приложения, является демонстрация того, как мало сложности требуется для достижения интересного поведения, и как подходящая методология позволяет это поведение обнаружить. Прежде всего, в книге NKS приводятся несколько примеров простейших известных систем в определенных классах, обладающих конкретными характеристиками, которые были таковыми на момент написания книги. К ним относятся первая примитивно рекурсивная функция, приводящая к сложности, наименьшая универсальная машина Тьюринга и самая короткая аксиоматика для исчисления высказываний. Аналогичным образом, Вольфрам демонстрирует множество простых программ, проявляющих такие явления, как фазовые переходы, сохраняющиеся величины, поведение континуума и термодинамику, хорошо известные из традиционной науки. Простые вычислительные модели природных систем, такие как рост раковин, турбулентность жидкости и филлотаксис, составляют еще одну категорию приложений, относящихся к этой теме. Другая общая тема – использование фактов о вычислительной вселенной в целом для рассуждений о различных областях знаний в комплексе. Например, Вольфрам обсуждает, как факты о вычислительной вселенной влияют на эволюционную теорию, поиск внеземного разума (SETI), проблему свободы воли, теорию вычислительной сложности и философские направления, такие как онтология, эпистемология и даже постмодернизм. Вольфрам предполагает, что теория вычислительной необратимости может предложить решение проблемы существования свободы воли в номинально детерминированной вселенной. Он утверждает, что вычислительный процесс в мозге существа, обладающего свободой воли, настолько сложен, что не может быть сведен к более простому вычислению в силу принципа вычислительной необратимости. Таким образом, хотя процесс и детерминирован, определить волю существа можно лишь путем эксперимента – позволив ему проявить эту волю. Книга также содержит ряд отдельных результатов – как экспериментальных, так и аналитических – относительно того, что вычисляет конкретный автомат или каковы его характеристики, полученных с использованием различных методов анализа. В книге представлен новый технический результат, описывающий Тьюринг-полноту клеточного автомата по правилу 110. Очень маленькие машины Тьюринга способны моделировать правило 110, что Вольфрам демонстрирует на примере универсальной машины Тьюринга с двумя состояниями и пятью символами. Вольфрам выдвигает предположение, что конкретная машина Тьюринга с двумя состояниями и тремя символами является универсальной. В 2007 году, в рамках празднования пятой годовщины книги, компания Вольфрама объявила приз в 25 000 долларов за доказательство универсальности этой машины Тьюринга. Позднее в том же году приз выиграл Алекс Смит, студент-компьютерщик из Бирмингема (Великобритания), доказав гипотезу Вольфрама.
Прием
В периодических изданиях вышла серия публикаций о книге «Новый вид науки», включая статьи в «Нью-Йорк Таймс», «Ньюсуик», «Wired» и «The Economist». Некоторые ученые раскритиковали книгу за резкость и высокомерие, а также указали на принципиальный недостаток: по их мнению, простые системы, такие как клеточные автоматы, недостаточно сложны для описания степени сложности, наблюдаемой в эволюционировавших системах, и отметили, что Вольфрам проигнорировал исследования, классифицирующие сложность систем. Хотя критики признают результат Вольфрама, демонстрирующий универсальность вычислений, они считают его незначительным и не согласны с его утверждением о смене парадигмы. Другие же увидели в работе ценные идеи и свежий взгляд. Вольфрам ответил на критику в серии постов в своем блоге.
Научная философия
Принцип NKS заключается в том, что чем проще система, тем выше вероятность того, что её вариант проявится в самых разных, более сложных контекстах. Поэтому NKS утверждает, что систематическое исследование пространства простых программ позволит создать базу переиспользуемых знаний. Однако многие ученые полагают, что из всех возможных параметров в реальности встречаются лишь некоторые. Например, из всех возможных перестановок символов, составляющих уравнение, большинство будут фактически лишены смысла. NKS также критикуют за утверждение, что поведение простых систем каким-то образом репрезентативно для всех систем.
Методология
Общая критика NKS заключается в том, что она не следует общепринятой научной методологии. Например, NKS не формулирует строгих математических определений и не стремится доказывать теоремы; при этом большинство формул и уравнений записаны на языке Mathematica, а не в стандартной нотации. В связи с этим NKS также критикуют за чрезмерную визуализацию, когда значительная часть информации передается посредством изображений, не имеющих формального значения. Математик Стивен Г. Кранц писал: "Тот факт, что Вольфрам может создать клеточный автомат, который, кажется, воспроизводит пятнистый рисунок на леопарде, позволяет ли нам с уверенностью заключить, что он понимает механизм образования пятен у леопарда, причину их появления или какую функцию (эволюционную, связанную с размножением, камуфляжем или другую) они выполняют?"
Принцип вычислительной эквивалентности (PCE)
Принцип вычислительной эквивалентности (PCE) критиковался за расплывчатость, отсутствие математической строгости и невозможность формулирования непосредственно проверяемых предсказаний. Другие считают, что это, по сути, лишь переименование тезиса Чёрча — Тьюринга.
Основная теория (глава 9 НКС)
Спекуляции Вольфрама относительно направления к фундаментальной теории физики подверглись критике как расплывчатые и устаревшие. Скотт Ааронсон, профессор компьютерных наук в Университете Техаса в Остине, также утверждает, что методы Вольфрама не могут быть совместимы одновременно со специальной теорией относительности и с нарушениями теоремы Белла, и, следовательно, не могут объяснить наблюдаемые результаты экспериментов по проверке теоремы Белла. Эдвард Фредкин и Конрад Цузе первыми выдвинули идею вычислимой вселенной: первый упомянул в своей книге, что мир может быть подобен клеточному автомату, а позже Фредкин развил эту идею, создав игрушечную модель под названием Salt. Утверждается, что NKS пытается присвоить себе эти идеи, однако модель Вселенной Вольфрама представляет собой сеть переписывания, а не клеточный автомат, поскольку сам Вольфрам предположил, что клеточный автомат не способен учесть релятивистские особенности, такие как отсутствие абсолютной системы отсчета времени. Юрген Шмидхубер также заявил, что его работа по физике, вычислимой машиной Тьюринга, была использована без указания авторства, в частности, его идея о перечислении возможных вычислимых вселенных Тьюринга. В обзоре NKS, опубликованном в 2002 году, лауреат Нобелевской премии и физик-теоретик Стивен Вайнберг написал: «Вольфрам сам когда-то был физиком элементарных частиц, и, полагаю, не может удержаться от попыток применить свой опыт работы с цифровыми компьютерными программами к законам природы. Это привело его к мнению (также высказанному Ричардом Фейнманом в статье 1981 года), что природа дискретна, а не непрерывна. Он предполагает, что пространство состоит из набора изолированных точек, подобно клеткам в клеточном автомате, и что даже время течет дискретными шагами. Развивая идею Эдварда Фредкина, он приходит к выводу, что сама Вселенная будет представлять собой автомат, подобный гигантскому компьютеру. Это возможно, но я не вижу никакой мотивации для этих спекуляций, кроме того, что это тот тип системы, к которой Вольфрам и другие привыкли в своей работе с компьютерами. Так же, как плотник, глядя на луну, может предположить, что она сделана из дерева».
Естественный отбор
Утверждение Вольфрама о том, что естественный отбор не является фундаментальной причиной сложности в биологии, побудило журналиста Криса Лаверса заявить, что Вольфрам не понимает теории эволюции.
Оригинальность
NKS подвергся резкой критике за отсутствие оригинальности и недостаточность значимости для оправдания его названия и заявлений. Авторитетный тон, в котором NKS представляет огромное количество примеров и аргументов, критикуется за то, что он может ввести читателя в заблуждение, заставляя поверить, будто все эти идеи принадлежат Вольфраму. В частности, одно из наиболее значимых новых технических результатов, представленных в книге – доказательство Тьюринговой полноты клеточного автомата по правилу 110 – не было доказано самим Вольфрамом. Вольфрам признает авторство доказательства за своим ассистентом Мэтью Куком. Тем не менее, в разделе примечаний в конце книги признаются многие открытия, сделанные другими учеными, с указанием их имен и исторических фактов, хотя и не в формате традиционной библиографии. Более того, идея о том, что очень простые правила часто приводят к возникновению большой сложности, уже является общепринятой в науке, особенно в теории хаоса и науке о сложных системах.