Neden insanlar bilgisayarların yardımıyla bile üç hafta içinde hava durumunu hesaplayamıyor?
"Şiirsel Evren: Güller, Zaman ve Mekan ve 21. Yüzyıl Fiziği"
kısa giriş
Bu küçük kitap, evrene bir aşk mektubu gibidir. Yazarın yazılarında, evren bir gül kadar güzeldir.Bu güzelliğin arkasında bilim vardır. Gülü besleyen sudan, dünyaya çarpan kuyruklu yıldızlar ve asteroitlere kadar, gülün fotonlara ve güçlü nükleer güce büyümesi için gerekli olan güneş ışığından bahsetmiştir. Gülün kök saldığı topraklardan gelen karanlık maddeden bahsediyor. Kuantum dolaşıklığı, enflasyon teorisi, sicim teorisi ve diğer soyut düşünceler, dedektif romanları ve ince metaforlar haline geldi. 20. yüzyıl fiziğin altın çağı olarak adlandırılabilir Bu kitapta sadece 20. yüzyılın çığır açan keşiflerini değil, son 20 yıldaki yeni gelişmeleri de görebiliyoruz.
yazar hakkında
Stefan Klein, fizikçi, denemeci ve popüler bilim yazarı. Almanya'nın Münih kentinde doğdu, üç kuşak bilim adamlarından oluşan "bilimsel bir aileden" geliyor. Biyofizik, teorik fizik ve analitik felsefe alanlarında uzmanlaşan Münih Üniversitesi'nden fizik alanında doktora derecesi aldı.
Klein, "Mutlu Bilim", "Leonardo'nun Mirası", "Hepimiz Dağınık Yıldız İskeletleriyiz" gibi kitapların yazarıdır. Eserleri 25'ten fazla dile çevrilmiştir ve birçok ülkede en çok satan listelerde yer almaktadır. Ayrıca birçok bilimsel dergide editör ve yazar olarak görev yaptı ve Alman Bilim Yazma Ödülü olan Georg von Holzbrink Ödülü'nü kazandı. Şimdi serbest yazar ve "Nature" ve "New York Times" gibi birçok ana akım medyada makaleler yayınladı.
Kitap alıntıları
Dört Laplace iblisi yenilgisi-öngörülemezlik (alıntı)
Konuşmak için akıllı cihazlar kullanıyoruz, tanıdık olmayan mahallelerde seyahat etmek için navigasyon cihazlarını kullanıyoruz ve yakın gelecekte hayatlarımızı otonom sürüş kabiliyetine sahip arabalara emanet edeceğiz. Arkadaşım ve seçtiği eş, nikah salonuna ilk kez girdikten sonra başarısız oldu ama şimdi bilgisayar tarafından seçilen partnerle mutlu bir hayat yaşıyorlar ki bu beni şaşırttı. Prensip olarak, kararıma müdahale eden makinelere karşı değilim. Cep telefonuma bazı hava durumu tahmini uygulamaları (uygulama yazılımı) indirdim. Önümüzdeki 14 gün için hava durumunu tahmin edebileceklerini ve her saat için doğru olduklarını iddia ediyorlar. Haftanın başında yazılımda bu cumartesi günkü hava koşulları güneşin bir simgesiydi, bu da beni çok rahatlattı çünkü planlanan bahçe partisi planlandığı gibi devam edebilir. Pazar günü, bir duş işareti gösterildi, bu yüzden o günkü kayak olayı için endişelendim.
Bugün, meteorologlar elde ettikleri sonuçlardan gurur duyabilirler. Fransa'da erken modern dönemde, havayı tahmin eden insanlar da yalancı olarak görülüyordu ve tekerleklere bağlıydı ve mermi sıkıştı. Bismarck ayrıca, Prusyalı yetkililerin hava durumuna ilişkin kendi yargılarında asla hata yapmadıkları gerekçesiyle Ulusal Hava Durumu Hizmetinin başlatılmasını yasakladı. Günümüzde meteorologlar, geleceğe dair giderek daha doğru tahminleriyle milyarlarca insanın hayatını etkiliyor.
Şu anda, ertesi günün hava durumuna ilişkin tahmin doğruluk oranı% 70'in üzerine çıkabilir ve önümüzdeki üç gün için hava tahmini, ertesi gün üniversitede olduğum hava tahmininden çok daha güvenilirdir. Bu konuda bilgisayar teknolojisi kesinlikle katkı sağlamıştır. 1979'da, Avrupa Orta Vadeli Hava Tahmin Merkezi, sıvı Freon ile soğutulan süper bilgisayar Cray-1'in yardımıyla yeni bir hava tahmini dönemi başlattı. O zaman bu bilgisayar saniyede 100 milyon işlem gerçekleştirebilirdi. Bugün, bir akıllı saat Apple Watch'un hesaplama hızı ondan 30 kat daha hızlı. Şu anda, Almanya üzerinden hava tahmini için kullanılan makinelerin analitik yetenekleri, 3 kilometre yarıçapına kadar doğru olabiliyor, bu da her köyün kendi hava tahminine sahip olabileceği anlamına geliyor. Bu amaçla, bu bilgisayarların on binlerce meteoroloji istasyonundan, binlerce uçak ve gemiden ve onlarca uydudan gelen veri akışlarını işlemesi gerekiyor.
Dünya taranıyor, toplanıyor ve makine tarafından okunabilir bilgilere dönüştürülüyor: Pierre Simon marquis de Laplace fantezisine inanılmaz bir şekilde yaklaşıyoruz. 1814'te Fransız gökbilimci, mükemmel bir zeki yaratık hipotezini ortaya attı: "Tüm verileri birlikte ayrıştırmak için yeterince geniş." Laplace iblisi olarak bilinen böylesine dünya çapında bir goblinin önünde , Hiçbir şeyi saklayacak yer yok. Ancak Laplace, küresel gözetimden bahsetmiyor. Bir keresinde, önerdiği zeki yaratığın geleceği öngörme yeteneğine sahip olduğunu yazmıştı. Çünkü her şey doğa kanunlarına göre gerçekleşir; dünyanın durumunu yeterince detaylı anlayabilirsek yarınki durum hesaplanabilir. Bu Laplace fikri sadece felsefi bir düşüncedir. O zamanlar, büyük ölçekli veri işlemenin bir gün gerçeğe dönüşeceğini kimse hayal edemezdi. O zamanlar Laplace iblisi, metafizik bir varoluştan başka bir şey değildi. Laplace şeytanı, doğa kanunlarının gücünü göstermek ve böylece her şeyi kendi iradesiyle yöneten tahttaki tanrıyı devirmek için tasarlandı. Bazı insanlar dünyanın öngörülebilir olduğuna inanarak onu takip edebilir, bazıları ise olmayabilir.
Ancak bizim için bu fantezi artık bir fantezi değil. Mucit Konrad Zuse, dünyanın ilk programlanabilir bilgisayarını sadece 70 yıl içinde Almanya'nın Berlin kentinde Kreuzberg'de piyasaya sürdükten sonra, büyük miktarda veriyi işleyebildik. Yeterli bilgisayarınız olması koşuluyla, istediğiniz kadar işlem yapın. Sonuç olarak, Laplace iblisi o yıl bilgisayar işlemcisinde bir yer bulmasını önerdi. Dahası, işlemcinin performansı, sanki hiçbir şey geleceği daha iyi tahmin etmemizi engelleyemezmiş gibi, her bir buçuk yıl ikiye katlanacaktır.
Günümüzde, güçlü bilgi işlem yeteneklerine sahip İnternet grupları ve istihbarat kurumları, insan davranışını ayrıntılı olarak tahmin etmeyi umuyor. Ne tür bir reklamın kalbimizi kapacağını ve bir sonraki terör saldırısının nerede olacağını bilmek istiyorlar. Doktorlar hastalıkları genetik bilgi yoluyla tahmin etmeyi umuyorlar.Bazı sinirbilimciler ve bazı filozoflar beynimizin de Laplace iblisi tarafından analiz edilen ve işlenen birçok olaydan biri olduğuna inanıyorlar.Vücudumuzda meydana gelen her şeyi temsil edebilecek bir matematiksel model olduğunu hayal ediyorlar. Bu kadar çok insanın böyle bir araştırmadan korkmasına şaşırır mısınız? Bu huzursuzluğun arkasında bir endişe var: İnsanlar ayrıştırılmış dünyanın artık büyülü olmayacağından ve ayrıştırılan insanın artık özgür olmayacağından endişe ediyorlar. Açıkça yakalanmak istemiyoruz.
Dünyanın tüm işlemlerinin birkaç yasaya dayandığı ve teorik olarak hesaplanabileceği veya tahmin edilebileceği görüşüne indirgemecilik denir. İndirgemecilik modern doğa bilimine dönüşmüş gibi görünüyor.Bu tür araştırmalar, mümkün olan en basit ve her şeyi kapsayan yorumu bulmaya odaklanıyor. Örneğin, aya uçabiliriz çünkü evrendeki tüm nesnelerin hareketi bir evrensel çekim yasasına göre türetilebilir; ayrıca tüm canlıların evrimini açıklamak için Darwin'in varyasyon yasasını ve doğal seçilimi kullanabiliriz; ve kuantumun yardımıyla Atomların dinamiklerini çeşitli fizik denklemleri üzerinden anladıktan sonra, bilgisayar ve lazerlerle dolu sanal bir dünya inşa ettik. Tüm bu başarılar, indirgemeciliğe olan güvenimizi eklenemeyecek kadar büyüttü.
Ama kim sıkıntılıdır ve küçük bir karıncanın davranışını tahmin etmek için doğa kanunlarını kullanamaz? İndirgemeciliğe inananlar dünya hakkında bilgi sahibi değiller. Karıncanın beynini anlamak için daha önümüzde uzun bir yol var Karıncanın beyninde kaç farklı nöronun ateşlendiğini bile bilmiyoruz. Bununla birlikte, ne kadar çok bilirsek, karıncaların yaşamlarını tahmin etmek o kadar kolay olur: Umut burada yatar.
Buna karşılık, meteorologların karşılaştığı zorluklar daha kolaydır. Atmosferde gizli bir aktivite yok Artık yağmur tanrısı Thor'un varlığına inanmıyoruz ve bulutların yoğunlaşmış buz kristalleri ve küçük su damlacıklarıyla dolu olduğunu zaten biliyoruz. Her türlü hava durumu, dünyanın güneşe maruz kalmasından sonraki sıcaklık artışı ile ilgilidir. Atmosfer ısındıkça, içindeki su buharı ve kuru hava hareket edecek, gaz genişlemeye başlayacak ve su buharı küçük su damlacıkları veya buz kristalleri halinde yoğunlaşacaktır. Bunlar temel fiziğin içeriğidir. Gaz ısıtıldığında yoğunluk düşecek; yoğunluk düştüğünde gaz yukarı doğru yükselecektir. Gazın bu kısmı yükseldiğinde, yerdeki yeni gazla takviye edilmesi gerekir: bu, rüzgarı oluşturur. Bu hava ve su buharı moleküllerden oluşur ve moleküllerin dinamiği kısa bir denklemle özetlenebilir. Bu, günlük yaşamla ilgili her şeyin Teorisi olan Schrödinger denklemidir. Dünyada her zamanki gibi var olmaları koşuluyla, tüm maddeler bu denklemi takip eder. Bu teori kristal oluşumu, çiçeklerin ve ağaçların büyümesi ve beyindeki nörotransmiterlerin rolü ve tabii ki hava durumu ilkelerini belirler. Schrödinger denklemi mesafe, kütle, çekirdek ve elektronların yükü ve doğal bir sabitten (fiziksel sabit olarak da adlandırılır) başka bir şey içermemesine rağmen, doğruluğu şüphe götürmez: en az 18 ondalık basamağa kadar doğrudur. Ölçüm sonuçları bunu kanıtlıyor. Öyleyse, önümüzdeki üç hafta ve hatta sonraki yaz hava koşullarını hesaplamak için süper bilgisayarları kullanmaktan bizi ne alıkoyuyor?
Her gece yayınlanan televizyon haberlerinden sonra, Laplace iblisinin gösteriş yapma zamanı gelmiştir. Ancak bir öğleden sonra bahçe partisine gittiğimde hava, tahminlerde belirtilen güneşli havalardan farklıydı, ancak şiddetli bir yaz fırtınası ile karşılaşıldı. Zaman zaman tersi olur: Alman Meteoroloji Dairesi tarafından uyarılan gök gürültülü fırtınaların% 65'inden fazlası hiç gerçekleşmedi. Bununla birlikte, özel şirketlerin hava durumu tahminlerinin çoğu bir haftadan fazla bir süredir zar atmak kadar doğru değil. Tüm bunlar bilinen basit yasaları takip etse de, hava durumu tahminleri yine de başarısız olacaktır.
Belki de bu tür tahminler için gereksinimler, Laplace iblisinin ağır sorumluluğu üstlenemeyecek kadar yüksek? Bu soru bana oğlum Elias ile satranç oynamayı hatırlatıyor. Oğlum 5 yaşındayken satranç öğrenmeye kararlıydı ve yarım saat içinde satrancın tüm kurallarına gerçekten hakim oldu. Arabanın, atın ve filin nasıl gitmesi gerektiğini ve nasıl yemek yemesi gerektiğini bilir.Piyonun rakibin alt çizgisine ulaştıktan sonra kraliçe olabileceğini bilir.Ayrıca kazanmak için ölmesi gerektiğini de bilir. Elias, kral arabasının yer değiştirmesini bile anladı, ancak babasını yenmek için yalnızca bu kuralları bilmenin yeterli olmadığı ve satrancının her hareketinin henüz hazır olmadığı için büyük hayal kırıklığına uğradı. Elias temel kurallar hakkında her şeyi bilmesine rağmen, o zamanlar satrancın büyüsünü gerçekten anlamamıştı. Yıllarca süren eğitimden sonra gerçek bir satranç oyuncusunun vizyonundan ve birikmiş deneyiminden yoksundur. Sadece kuralların anlayışına güvenerek tanrı olma âlemine ulaşamadı. Satrancı gerçekten anlamak için herkes satranç oynamaya ve binlerce satranç oyununda çeşitli olasılıkları keşfetmeye devam etmelidir.
Bilgisayar geliştirmenin ilk günlerinde, bilgi teorisinin babası Claude Shannon bilgisayarlara satranç oynamayı öğretmeye çalıştı. Satranç alanında bilgisayar her zaman yenilmezdir, değil mi? Sonuçta, mükemmel bir zekaya sahiptir, her oyunun yönünü ölçebilir ve en iyi hamleyi seçebilir. Her adımda, iki tarafın neredeyse 30 hamlesi vardır ve bir oyunda, siyah beyaz tarafların genellikle yaklaşık 40 turu vardır. Daha sonra, olası hareketler 10 ^ 120'ye ulaşacaktır, bu çok büyük bir sayıdır: 1'in eşdeğerinden sonra 120 sıfır. Tüm yolları denemek için, mevcut süper bilgisayarı kullanıyor olsanız bile, 1090 yılı saymanız gerekir ki bu, Büyük Patlama'dan sonraki tüm evrenden bir milyar kat daha uzun. Teorik olarak, bir süper bilgisayarın herhangi bir dezavantajı olmadan ses çıkarması çok uzun zaman alıyor.
Yukarıdaki sayıların anlaşılması daha zordur, bu nedenle onları çocuğun en yaratıcı kelime dağarcığı ile adlandırmak en iyisidir. Aslında, 1938 gibi erken bir tarihte, Amerikalı matematikçi Edward Kasner'ın dokuz yaşındaki yeğeni bunun için bir kelime hazinesi yaratmıştı. Bilim adamının küçük çocuktan yürürken 10100 sayısını, yani 1 rakamını takip eden 100 sıfır adını vermesini istediği söyleniyor. Bu rakamı 10 milyarı kendinizle 10 kere çarparak elde edebilirsiniz. "Googol", çocuk ağzından kaçırdı.
"Googol" kelimesinin telaffuzu, tanınmış bir arama motorunun adına çok benziyor, bu kesinlikle bir tesadüf değil. 1997 sonbaharında, California'daki Stanford Üniversitesi'ndeki birkaç doktora öğrencisi, bu web sitesinin muazzam miktarda bilgiyi keşfetme ve sunma becerisini yansıtan yeni bir web sitesi için uygun bir isim bulmayı planladı. Bu sırada küçük çocuğun yaptığı sözleri hatırladılar. Belki de Silikon Vadisi'ndeki insanların sık sık söylediği gibi, genç bilgisayar mühendisleri bilgisayar terminallerine çeşitli karakterleri yazmakta iyidir, ancak kelimeleri doğru yazmada iyi değiller.
Satrançtaki olası satranç oyunlarının sayısı Googol'den birkaç sıfır daha fazladır ve mükemmel bir süper bilgisayarın yıllar içinde satranç oyunlarını düşünmesi ve analiz etmesi için gereken süre Googol'dan yalnızca birkaç sıfır daha azdır. Fakat böylesine büyük bir büyüklük düzeni karşısında, birkaç sıfır artık gerçeği değiştiremez - bu sayı zaten insan kabiliyetinin menzilinin ötesindedir. Çünkü Googol sonsuza kadar sonsuza yakın. Normal sayıların kapsamını aşmasa da çok büyüktür, olasılık bu kadar büyük boyutlara ulaştığında hiçbir bilgisayar düşünülemez. Googol hakkında daha sonra sık sık konuşacağız.
İnsanlar daha iyi teknoloji beklese de umut hala çok zayıf. Örneğin, bir satranç bilgisayarı tarafından üretilen veriler bir yerde saklanmalıdır. Ancak sözde yenilmez satranç bilgisayar programıyla eşleşecek kadar büyük bir hafıza oluşturamıyoruz. Çünkü bilgi depolamak, bir kağıt parçası, beyin, bilgisayar çipi gibi maddi materyaller gerektirir. Ve her malzeme parçası parçacıklardan oluştuğundan, yazılı karakterler sonsuza kadar yakın olamaz, bu nedenle veri depolama kapasitesi sınırlı kalacaktır. Akla gelebilecek en büyük bellek, muhtemelen evrenin görünen kısmıdır.Evrenin her köşesindeki her parçacığın bir arada tutabileceği veri miktarını da ekleyerek, toplam miktar, bir oyunda görünebilecek tüm satranç oyunlarıyla tamamen aynıdır.
Bu nedenle, Laplace iblisi satranç oynayamaz ve dünyada sözde mükemmel bir satranç bilgisayarı olmayacak. Mevcut bilgisayar programları daha düşük hedefler peşinde, artık tüm olasılıkları hesaplamıyorlar, ancak kazanmanın en olası yolunu bulmaya çalışıyorlar. Bu çok daha hızlı. Ancak, bu bazı temel bilgilerin desteğini gerektirir ve programın oynamak için genellikle satrancın nasıl oynandığını bilmesi gerekir. Yani bu cihaz ünlü oluşumlara, çeşitli oyunların açılıp kapanmasına göre programlanacak ve programcı cihaza bir kraliçe atı değiştirmesi gibi başka programlar da girebilir, çoğu durumda bu değildir. Buna değer - tıpkı çocuklarıma öğrettiğim gibi. Bu şekilde, bilgisayarlar ve çocuklar artık yalnızca satrancın temel kurallarına dayalı olarak satranç oynamak yerine, her hareketin yolunu belirlemek için başkaları tarafından öğretilen deneyimi birleştirir. Bu şekilde, bilgisayar programları artık kesinlikle belirli tahminlere takıntılı değil ve belirsizlikle nasıl uzlaşılacağını biliyor. Bu nedenle artık yenilmez değildir, sonuçta deneyim bazen yanıltıcı olabilir. Dolayısıyla dünya satranç şampiyonunu mağlup eden mevcut bilgisayarlar cüceler arasındaki generallerden başka bir şey değildir. Bununla birlikte, bu bilgisayar mükemmel tahminler veremese de satrancın karmaşıklığını kontrol etme yeteneği muhtemelen zeki insanlarınkinden daha güçlüdür.
Satrançla karşılaştırıldığında hava daha kaotik. Satranç dünyasında sadece 32 parça ve 64 karelik bir satranç tahtası var. Öyle olsa bile, trilyonlarca olası satranç oyunu var. Atmosferdeki aktiviteyi tahmin etmek daha da zordur.Sadece bir nefeste yaklaşık 250 ml gaz 1022 oksijen ve nitrojen molekülü içerir.Atmosferdeki toplam gaz miktarı yaklaşık 1022 litredir, bu da 1'in arkasıdır. Ardından 22 tane sıfır var. Amerikalı bilim adamı Enrico Fermi'nin bir zamanlar bu sayılar hakkında akıllıca bir benzetme yaptığı söylenir: Her nefes aldığımızda, Jül Sezar'da nefes almaya eşdeğerdir. Son nefeste bazı oksijen molekülleri. Çünkü iki bin yıldır, o diktatörün ölümünün son nefesi yeryüzüne eşit olarak dağıtıldı. Diğer bir deyişle, ortalama olarak, her litre havada bir molekül Sezar'ın son nefesinden gelir. Enrico Fermi, atomik kontrollü nükleer fisyonu 1942'de başarıyla tamamladı ve bu alandaki ilk kişi oldu.
Dünyada atmosferin öngörülemeyen faaliyetlerini tam olarak kavrayabilecek bir beyin veya bilgisayar yok. Bir satranç bilgisayar programı bile her oyunu küçük bir satranç tahtasında deneyemez, bu nedenle atmosferdeki tüm olası durumlar karşısında bilgisayarın kullanımı daha da zordur. Sonuç olarak, insanlar açıklanamaz bir ikileme kapılıyor: Bir yandan, hava, temel yasalara dayanan gaz ve su buharının hareketinden başka bir şey değil. Bu atmosferik aktivitelerle kar yağışı, fırtınalar, yağmur ve parlak mavi gökyüzü oluşacaktır. Öte yandan, her şey bu basit temel kuralı takip etse de, gök gürültülü fırtına havasının zirvesini ondan çıkaramayız. Sirkümülüsün zararsız insan ve hayvan şeklini temel yasalara göre türetmek için, korkarım ki en hızlı dijital bilgisayar grubu, verileri elde etmek için evrenin yaşının birkaç katını alacaktır ve çok fazla veri kullanılabilir. Tüm evren sığamaz. Bu nedenle, doğanın temel yasalarını inceleyerek dolu, muson, kasırga, dondurucu yağmur ve güzel havanın ne olduğunu anlamak imkansızdır. Doğal dünyanın zenginliğini keşfetmek istiyorsanız, onu kendi gözlerinizle görmelisiniz.
Görülüyor ki, birkaç temel gerçeğe dayalı olarak faydalı sonuçlar çıkarmak için, tüm evreni bir bilgisayar olarak ele almak imkansız olsa bile, indirgemeciliğin işe yaramayacağı görülmektedir. Tek çıkış yolu bakış açınızı değiştirmek ve beyninizi bulutlar, rüzgar ve yüksek basınçlı bölgeler konusunda kullanmaktır.
O zaman tüm dünya çok daha karmaşık hale gelecektir. Ancak, Laplace iblisi fikrine artık takıntılı kalmadığımızda, çevremizdeki dünyadaki bazı temel kalıpları tanıyabiliriz. Sonuçta, madde sıraya girmeyi sever; moleküller birbirine yaklaşacak ve gökyüzünde bulutlar oluşacak. Bu nedenle geleceği tahmin etmek umutsuz değildir. Satranç bilgisayarının durumunu taklit edebilir, çiftçilerin atasözlerinden öğrenebilir ve ayrıntıları görmezden gelerek asıl görevi kavramayı öğrenebiliriz. Bazen önemli olan detaylar değildir, bu durumda çok keskin görünmeyin ve bir avantajınız olsun. Bu şekilde olsa da, en iyi ihtimalle ne olacağını belirleyebiliriz. Ancak bazı basit hava koşulları için bu yöntemin isabet oranı çok yüksektir. Tıpkı su ısıtıcısındaki her molekülün nasıl hareket ettiğini bilmesek bile çayın kaynama sıcaklığını tahmin etmeye cesaret ettiğimiz gibi.
Resim şuradan geliyor: Wikipedia
