Komputery a racjonalne poznanie świata

Prawie każde żyjące zwierzę musi trochę ”wiedzieć“ o swoim otoczeniu, aby żyć i być w stanie przekazać swoje geny następnemu pokoleniu. Może to być wiedza nabyta lub wrodzona i tylko instynktowna.

Człowiek będący najbardziej skomplikowanym zwierzakiem ma znacznie wyższe ambicje. Chce rozumieć swoje otoczenie, jego historie w przeszłości i przyszłości  oraz siebie samego, nawet jeśli ta wiedza nie służy mu natychmiast i bezpośrednio jego potrzebom  przetrwania. Jak słusznie zauważył Jacek Tabisz w komentarzu do mojego poprzedniego artykułu w Racjonaliście, najważniejszą zaletą człowieka jest jego ciekawość poznania świata i swojego miejsca w tym świecie  (moja interpretacja tej mysli).Nasza zdolność odróżnienia w dżungli agresywnego tygrysa od zwykłego kotka, to naturalna wyuczona w ciągu wielu lat nasza umiejętność, która nie wymaga usprawiedliwienia ani wyjaśnienia. Ale ludzka ciekawość i chęć poznania struktury atomu lub odległości do najbliższej gwiazdy to zdumiewająca cecha myślącego człowieka, bo pozornie tego rodzaju wiedza niczemu nie służyła tym, którzy pierwsi rozważali takie problemy. Możemy tu jednak przypuszczać że ewolucja wyposażyła nas w zdolność uczenia się “na wszelki wypadek  w przyszłości”.

Kiedy grecki filozof Demokryt (Democritus)  myślał, że musi istnieć jakaś najmniejsza cząstka materii i nazwał ją atomem, nie wiedział  o praktycznych konsekwencjach fizyki atomowej. Był po prostu kierowany tym wspaniałym  uczuciem racjonalnej ciekawości. Gdyby nie był racjonalistą to jego genialna myśl by ugrzęzła w błocie magicznego przesądu typu: „tylko Zeus wie co jest najmniejsze na ziemi, chwała Mu na wysokości Olimpu.” Często racjonalna myśl wybiega do przodu i dużo później jest potwierdzana eksperymentalnie.

Na cale szczęście dla ludzkości Zeus zniknął a fizyka atomowa, której pierwszym intelektualnym pionierem był Demokryt, rozwinęła się do potężnej nauki i technologi służącej nawet tym, którzy ciągle wierzą w Zeusa, lub jego pogrobowców. Napisałem „pogrobowców”, bo “wieczni” bogowie też umierają śmiercią zapomnienia  i są zastępowani następnymi pokoleniami“nieśmiertelnych” bogów.

A wiec Homo Sapiens to Homo Scientific który potrafi odmówić sobie nieco jedzenia i picia,  aby zbudować w Szwajcarii  za 10 miliardów USD  Large Hydron Collider  (LHC),  bo chce lepiej zrozumieć pierwszą sekundę istnienia świata. LHC jest nie tylko najdroższą maszyną

kiedykolwiek  zbudowaną, ale też najbardziej skomplikowanym instrumentem naukowym. Nad budowa LHC i jego użyciem pracowało tysiące naukowców wielu narodowości. Możemy łatwo zgadnąć, że tak zaawansowane pomiary jakie robi LHC wymagają  superkomputerów. Tak jest rzeczywiście. CERN, który jest organizacją  posiadającą LHC ma jeden z dziesięciu największych superkomputerów na świecie . Bez  olbrzymiego superkomputera  operacja LHC nie byłaby możliwa.

W tym zastosowaniu  superkomputer sluzy do zapisu wyników atomowych kolizji. Oceniono, że ilość zebranych danych dotyczących kolizji jest tak duża, że wymagałaby olbrzymiej ilości dysków CD. Co roku ilość dysków ułożonych jeden na drugim  równa byłaby wysokości jednej mili (1.6 kilometra). W innych zastosowaniach superkomputery wykonują
matematyczne obliczenia. Tego rodzaju zastosowania są często nazywane symulacjami.  Przykładami symulacji są modele zjawisk fizycznych, takich jak przepływ powietrza wokół skrzydła samolotu, lub warunki atmosferyczne związane z prognozowaniem pogody. Innym ważnym zastosowaniem superkomputerów są prognozy długofalowych zmian klimatycznych, działalności wulkanów i trzęsień ziemi.

W odróżnieniu od małych komputerów PC,  które są używane do osobistej komunikacji internetowej, lub indywidualnych drobnych  obliczeń, superkomputery są używane do badań naukowych i przemysłowych. Jest to obecnie główne narzędzie w poznawaniu świata obok wykonania eksperymentów. Przy wielu zagadnieniach dotyczących „nauk życia”, takich jak medycyna, lub nauk ścisłych, takich jak astronomia, eksperymenty nie są możliwe. Moga też  być zbyt drogie,  lub niebezpieczne. Symulacja superkomputerami jest względnie tańsza i bezpieczna. Nie możemy eksperymentować z ewolucją galaktyk, lub ryzykownymi badaniami nowych leków  na pacjentach, ale  często jest możliwa symulacja, jeśli uda się stworzyć matematyczno – logiczny model badanego problemu.

Tu czytelnik może dojść do słusznego wniosku, że matematyka i komputery, to razem doskonała para narzędzi  poznawania   rzeczywistości. Ale nawet te nadzwyczajnie szybkie superkomputery mają ograniczenia. Wiele zjawisk fizycznych można ująć w matematyczne szaty i je symulować. Istnieje jednak grupa problemów, które  mogą być matematycznie sformułowane, lecz nie rozwiązane, ponieważ czas obliczeń nawet superkomputerami  jest astronomicznie długi. Fachowo mówimy, że te problemy nie mają  wydajnych algorytmów. Można tylko policzyć je, jeśli problemy są malej wielkości,  lub jeśli będziemy zadowoleni z przybliżonych rozwiązań.

Na zakończenie mały ale znamienny fakt dotyczący symulacji aerodynamiki lotu na superkomputerach. Kiedy pojawiły się pierwsze superkomputery inżynierowie, którzy projektowali  latające pojazdy, nie mieli dużego zaufania do obliczeń matematycznej symulacji. Tak więc najpierw liczono superkomputerem aerodynamikę lotu, a później sprawdzano obliczenia używając modelu fizycznego i tunelu z poruszającym się powietrzem. Po wielu udanych obliczeniach inżynierowie  zmienili metodę. Najpierw testowali modele w tunelu a potem sprawdzali na superkomputerem czy pomiary w tunelu są dokładne. Był to piękny i przekonywujący sukces matematyki i superkomputerów. Obecnie mamy pełne zaufanie do wielu symulacji  superkomputerami i ich zastosowania szybko rosną.  Na przykład ostatnio USA i Unia Europejska  organizują wspólnie duży projekt, którego celem jest modelowanie struktury i zbadanie pracy ludzkiego mózgu. Na ten ambitny i trudny  projekt  przeznaczono miliard dolarów.  Przyjdzie czas kiedy będziemy rozumieli  samych siebie . Homo Sapiens pojawił się  setki tysięcy lat temu  i nareszcie będziemy go znali dzięki superkomputerom.

Dodatek autora:

Pragnę wyrazić głębokie podziękowanie Jackowi Tabiszowi za pomysł napisania  artykułów dla Racjonalisty. Jednego o symulacji ewolucji wszechświata oraz zachęcenie mnie do drugiego artykułu,  który jest o superkomputerach. Pisanie obydwu artykułów było dla mnie testem mojego polskiego języka, którego nie używałem na co dzień od czasu wyjazdu z Polski w 1964 roku. Polski język używałem tylko podczas wizyt na  Uniwersytecie Gdańskim gdzie niemal 10 lat uczyłem informatyki jako wizytujący profesor. Wszystkie wykłady były po angielsku.