Vår beregnende verden

Kronikk:Stephen Wolfram, som står bak boken "A new kind of science", er ikke spesielt beskjeden. Ikke bare mener han at hans idé er mer storslagen enn Charles Darwins "Artenes opprinnelse". Han mener sågar at den vil revolusjonere alle former for vitenskap, skriver vår Ole Jørgen Anfindsen.
17.6 2003 07:00

I sin kontroversielle bok “Darwin's dangerous idea”, sier filosofen Daniel C. Dennet følgende: “Om jeg skulle delt ut en pris for den beste ideen noen noensinne har hatt, ville jeg gitt den til Darwin, foran Newton og Einstein og alle andre.”


“Ole Jørgen Anfindsen.”

Dennet skrev dette i 1995, men i fjor kom det ut en bok hvis forfatter mener han har en enda mer storslagen idé enn Darwin. Han hevder faktisk at den vil revolusjonere alle former for vitenskap, og litt til.

Forfatteren er Stephen Wolfram, og boken har den ubeskjedne tittelen “A new kind of science”.

Ambisiøst verk

Charles Darwin arbeidet intenst i mer enn 20 år før han ga ut sitt mesterverk “Artenes opprinnelse”. Wolfram jobbet omtrent like intenst og like lenge før han ga ut sin bok.


“Etter 25 generasjoner har regel 30 generert dette bildet. Slik kan man fortsette gjennom tusenvis av generasjoner mens stadig nye mønstre dannes over det samme temaet. Dette gir en smakebit på noe Wolfram understreker mange ganger i sin bok, nemlig at selv meget enkle regler anvendt på meget enkle initialbetingelser kan gi opphav til stor kompleksitet.”

Det er neppe blitt skrevet et mer ambisiøst, naturvitenskapelig verk siden 1859. Slik sett er likheten mellom disse to bøkene slående. Samtidig er kontrasten stor når det gjelder de to forfatternes måte å skrive på. Darwin fremstår nærmest som ydmyk og beskjeden, mens Wolfram skriver med en selvsikkerhet man sjelden har sett maken til.

Time Magazine sitererte i fjor en forsker som tørt konstaterer at “Stephen is not a modest man”, og onde tunger påstår at han er en mann hvis geni kun overgås av hans ego.

Internasjonal bestselger

Wolframs personlighet er muligens en del av forklaringen på at hans bok er blitt en internasjonal bestselger, men dét er selvsagt helt irrelevant når det gjelder å bedømme resultatene han presenterer. Og det kan neppe være tvil om at hans bok inneholder banebrytende resultater innen informatikk.

Informatikk er det fagområdet der man studerer prinsippene som ligger til grunn for bruk av datamaskiner. For å forstå hva som er kjernen i Wolframs store idé, skal vi se litt på et meget sentralt begrep i informatikken, nemlig såkalte Turingmaskiner.

Hver gang en PC eller en annen datamaskin kjører programmer som hjelper oss med å skrive artikler, surfe på Internett, regne ut universets alder, eller hva det nå måtte være, så utfører datamaskinen det vi kaller beregninger (engelsk: computations).

Turingmaskiner

En av informatikkens store pionerer (mange vil si den største), Alan Turing, huskes spesielt for sitt arbeid med å finne ut hvordan maskiner må bygges for at de skal bli i stand til å utføre beregninger.


“Når man starter med en enslig svart celle, gir regel 30 dette resultatet gjennom fem generasjoner.”

Her snakker vi ikke om hvordan kommersielle datamaskiner bør bygges, men om hva som er det teoretiske minimum som må være tilstede for at en maskin av dødt materiale i det hele tatt skal kunne bli i stand til å utføre beregninger (hvilket jo i seg selv er ganske fantastisk). Turing lyktes i å beskrive en hel klasse av slike maskiner, og disse har siden blitt hetende Turingmaskiner. De er helt ubrukelige i praksis, men svært nyttige i teoretiske studier.

Det har vist seg at noen Turingmaskiner er såkalt universelle. Universelle Turingmaskiner har den egenskap at de kan utføre enhver tenkelig beregning.

Litt mer presist: dersom løsningen på et gitt problem i det hele tatt lar seg beregne, vil en universell Turingmaskin være istand til å utføre den aktuelle beregningen, så sant maskinen får nok tid på seg. En konsekvens av dette er at dersom man kan bevise at et system av ett eller annet slag kan utføre de samme beregningene som en universell Turingmaskin kan, ja da vet man at det aktuelle systemet kan beregne hva som helst.

Dette med universelle Turingmaskiner er helt sentralt for å forstå hva det er Wolfram har oppdaget. For at bildet skal bli nogenlunde klart, trenger vi å se litt på en annen type systemer også.

Celleautomater

Wolfram vier nemlig i sin bok stor plass til å drøfte egenskaper ved såkalte celleautomater (engelsk: cellular automata). Ordet automat brukes her i en litt annen betydning enn i dagligtale, og leseren kan tenke på celleautomater som en særlig enkel form for datamaskin.

En celleautomat består av et vilkårlig antall celler som ligger inntil hverandre. Hver slik celle kan ha ulike farger. I de enkleste celleautomatene ligger alle cellene på en lang rekke ved siden av hverandre, og kun to farger er i bruk: svart og hvitt. Når man starter en celleautomat og lar den kjøre, dannes stadig nye generasjoner av slike cellerekker, og fargen på en gitt celle i en gitt generasjon er entydig bestemt av fargen på samme celle i foregående generasjon, samt dennes to naboer.

Stort enklere beregningssystemer enn dette er det vanskelig å tenke seg, og man skulle kanskje tro at de ikke ville være i stand til å produsere annet enn helt trivielle resultater.

Vel, det viser seg at det finnes nøyaktig 256 celleautomater av nevnte type, og de fleste av disse genererer ganske riktig forholdsvis enkle og regelmessige mønstre når de får lov til å utvikle seg over et visst antall generasjoner. Men noen av dem genererer uhyre kompliserte mønstre, og det er disse Wolfram interesserer seg for.

Universell regel

Etter flere hundre sider med det som etter hvert blir en litt langtekkelig drøftelse av celleautomater, kommer Wolfram til det som etter min mening er høydepunktet i boken. Han beviser at den celleautomaten som i hans system er blitt hetende regel 110, er universell. Dette gjøres ved å bevise at regel 110 er ekvivalent med en universell Turingmaskin. Et slikt resultat ville for få år siden av de fleste ha blitt betraktet som nokså utenkelig, fordi de aller enkleste systemene man hittil har kunnet vise at er universelle, er mye mer komplekse enn regel 110.

Konsekvensene av denne nye innsikten kan vise seg å bli formidable, det mener i hvert fall Wolfram. Og det er altså dette som er grunnen til at han hevder å ha gjort århundrets oppdagelse, og vel så det.

For, sier han, når vi nå vet at et så enkelt system som regel 110, har universelle beregningsegenskaper, er det god grunn til å tro at det finnes mange systemer i naturen som også har slike egenskaper. Argumentene som bygger opp om dette, finnes på flere plan, og vi skal i det følgende kort se hvordan det resonneres rundt disse tingene.

Digitale fenomener

Det finnes en mengde fenomener i vårt univers som er digitale av natur. Digitale fenomener kjennetegnes ved at de har et klart enten-eller preg. Vi finner det blant annet innen kjemi, der ethvert atom representerer ett bestemt grunnstoff; enten er et gitt atom hydrogen, for eksempel, eller så er det annet grunnstoff.

Ubestemmelige mellomformer finnes ikke. Tilsvarende vet vi at DNA-molekylene til alle levende organismer inneholder digital informasjon; enten er du bærer av et bestemt gen, eller så er du det ikke. Ingen bestrider at listen over naturlige, digitale fenomener er lang.

Wolfram går et skritt videre, han mener at vitenskapen ennå ikke fullt ut har tatt konsekvensen av sin erkjennelse av at så mange av de fenomener den studerer, faktisk er digitale. For, sier han, de matematiske formlene som forskerne vanligvis bruker, er mye mindre generelle enn de verktøy informatikken kan gi oss, nemlig beregninger og såkalte algoritmer.

Med andre ord; når naturen likevel oppfører seg på samme måte som en datamaskin, da må vi bruke det samme begrepsapparatet som vi bruker når vi skal forstå datamaskiner, for å forstå naturen.

Teoretiske modeller

Så lenge vi beveger oss på dette planet, er ikke Wolfram så veldig kontroversiell. Dette handler først og fremst om betraktningsmåter og definisjoner, og spørsmålet blir bare hvor nyttige eller fornuftige disse er. Wolfram hevder at det å betrakte prosesser i naturen som digitale beregninger, er meget nyttig, ikke minst fordi det finnes en rekke slike prosesser som ikke lar seg redusere til vanlige, matematiske formler.

Teoretiske modeller fra databehandlingens verden er vår eneste mulighet for å kunne studere slike prosesser, sier han. Ikke alle vil være enige, men argumentene lar seg heller ikke uten videre avfeie.

Innen biologien har, i hvert fall på visse områder, denne måten å tenke på hatt stor innflytelse i flere tiår. Men Wolfram bringer likevel inn en ny dimensjon her. Han påviser nemlig at det finnes en slående likhet mellom mønstre som kan frembringes av ulike celleautomater, og mønstre som finnes hos planter og dyr, for eksempel fargemønstrene på muslinger, sebraens striper eller plassering av frø på et jordbær.

Wolfram mener at dette ikke er noen tilfeldighet, men skyldes at det i de aktuelle organismene faktisk foregår prosesser som er ekvivalente med de som skjer i celleautomater. Wolfram mener derfor at det naturlige utvalg spiller en mindre rolle for frembringelsen nevnte type mønstre, enn hva som hittil har vært vanlig å tro. Dette siste er da også et av de områdene der hans hypoteser er mest kontroversielle.

Universet er digitalt

Men Wolfram nøyer seg ikke med å påpeke at mange naturlige fenomener er digitale, samt at en del prosesser i naturen, ikke minst i levende organismer, ser ut til å gjøre nøyaktig det samme som visse typer celleautomater gjør. Han går enda et skritt lengre enn dette, og hevder at absolutt alt i hele universet i bunn og grunn er digitalt.

Spesielt sier han at tid og rom er digitale størrelser. Dette innebærer for eksempel at tiden ikke flyter som en kontinuerlig strøm, men at den kommer til oss, alternativt at vi beveger oss gjennom den, i bitte små “tikk”. Et sekund er i så fall summen av et ufattelig antall “tidsatomer”.

På dette området er Wolfram på sitt aller mest kontroversielle. Han har ingen beviser på at universet er digitalt, bare indisier av mer eller mindre overbevisende karakter. Det er forøvrig verd å merke seg at han ikke er den første som hevder at universet er digitalt, for dette er tanker som noen få eksentriske forskere har syslet med i flere tiår. Denne retningen går blant annet under betegnelsen digital filosofi, og interesserte lesere kan lett finne stoff om emnet på Internett.

Det unike med Wolframs bok, er at det er første gang noen lager en så omfattende og enhetlig fremstilling av denne måten å betrakte virkeligheten på, samt indisiene som peker i retning av at det har noe for seg.

Grunnlag for nye forskningsprogram

Et viktig mål med utgivelse av boken er å legge grunnlaget for et helt nytt forskningsprogram for nær sagt alle typer vitenskap. Et forskningsprogram som ikke bare har som mål å forene for eksempel kvantefysikk og generell relativitetsteori, men der man håper å bli i stand til å formulere et grunnleggende rammeverk som alle grener av vitenskap kan bygge på. Helt sentralt i dette rammeverket, vil være forestillingen om at det finnes noe som er enda mer grunnleggende enn tid, rom og materie; nemlig informasjon.

Det vil ta mange år å finne ut om Wolframs ideer faktisk kan gi oss en ny type vitenskap, eller om det bare er snakk om en viss mengde ny kunnskap på enkelte fagområder. På en del universiteter er det allerede startet både kurs og forskningsprosjekter som tar for seg disse tingene, så det er grunn til å tro at vi vil høre mer om dette i årene som kommer.

Undertegnede hører med til dem som lenge har trodd at verden faktisk er digital, og at det stoffet universet egentlig består av, er informasjon. Men det må innrømmes at dette foreløpig kun er en spinkelt underbygget hypotese.

Filosofi og naturvitenskap

Om jeg likevel skal driste meg til å runde av med en aldri så liten spådom, så må det bli at Wolframs tanker kommer til å få innflytelse innen evolusjonsbiologi, og derfor på vår forståelse av livets historie på jorden. Bare det ville jo være stort, for få spørsmål i skjæringspunktet mellom filosofi og naturvitenskap er, etter min mening, mer fascinerende enn dette.

Dersom det i tillegg skulle vise seg at Wolfram får rett i sin antagelse om at det i fysiske, kjemiske og/eller biologiske systemer nærmest koker av universelle beregningsegenskaper, da er det duket for en vitenskapelige revolusjon av de helt sjeldne.

A New Kind of Science
Av Stephen Wolfram
Wolfram Media, Inc.
1192 sider
ISBN 15-7955-008-8

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.