Macht der Computer die Wissenschaft, wie wir sie heute kennen, zum Schnee von gestern?

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1 Macht der Computer die Wissenschaft, wie wir sie heute kennen, zum Schnee von gestern? Philippe A. Bopp pdf File im Web: HAL : A Space Odyssey Stanley Kubrik

2 Auf dem Programm Ein Brief von Enea Silvio Piccolomini und die Folgen Der Computer: Maschine und Menschen Wissenschaft: Ein Hauch von Epistemologie Heinrich Hertz und William of Ockham Mathematik, Näherungen, Programme und Black Boxes Beispiele Grenzen Graphik Zusammenfassung Chinesische Perspektiven Literatur (Bücher und Web!) Dank

3 Am 12. März 1455 schreibt Enea Silvio Piccolomini (Humanist und künftiger Papst Pius II) von Wiener Neustadt an seinen Freund, Kardinal Juan de Carvaja: Letztes Jahr bei der Frankfurter Buchmesse... habe ich keine vollständigen Bibeln gesehen, aber eine gewisse Anzahl von Heften... in sehr klarer Schrift und völlig korrekt, gänzlich ohne Fehler,... Deine Würde hätte sie ohne Mühe und ohne Augengläser lesen können... Ich habe erfahren, daß 158 Hefte vollendet waren, andere sagen es seien hätte ich ohne Zweifel ein Heft erworben... jedoch befürchte ich, es ist nicht mehr möglich, denn, so sagt man, die Käufer standen schon bereit, bevor die Hefte vollendet waren... wahrscheinlich vom 5. bis 31. Oktober 1454; in 2008 vom Oktober, in 2009 vom

4 42-zeilige Bibel, Exemplar der British Library Mainz (Mayence, Magenza, Moguntia,...)

5 Der erstaunliche Mensch in Frankfurt (scripsit Enea Silvio Piccolomini) Johannes (Hennes) Gensfleisch zum Laden (genannt Gutenberg) Mainz

6 Gutenberg rechnet als Businessman (Pi mal Daumen) Sind zu liefern 160 Hefte (volumina) Von Hand: Ein Kopist schreibt 2 bis 3 Seiten am Tag, die 42-zeilige Bibel hat 1282 Seiten, also 430 Arbeitstage (oder 18 Monate) für ein Exemplar. (oder 160*18 = 2880 Monate für die Gesamtauflage) Druck: Gutenberg hatte wahrscheinlich (maximal) zwanzig Beschäftigte; sie haben (maximal) 18 Monate bis zwei Jahre gebraucht. Also zirka 3 Monate Arbeit für ein Exemplar, (oder 20*24 = 480 Monate für die Gesamtauflage) Festkosten (Tinte, Pergament, Papier, Rubrizieren, Binden,...), Lohn für Kopisten und Drucker (hochspezialisiertes High Tech der Zeit) seien gleich. Vorteil: Faktor > 6 (minimal) zugunsten des Drucks im Vergleich zum Schreiben, und der Vorteil nimmt mit zunehmender Auflage zu. oder vielleicht eher sein Finanzier Johann Fust, venture capitalist vor der Zeit 6

7 Das Zeitalter Gutenbergs (oder des Buches) Die Gutenberg-Revolution wurde ausgelöst durch einen Kostenvorteil für das Abspeichern und Beschaffen von Information von 10 bis 100. G Reformation (Martin Luther) G Anfang der modernen Wissenschaften (Galileo Galilei) G Aufklärung, Zeitalter der Encyclopédie G Allgemeine Anwendung wissenschaftlichen Denkens Industrielle Revolution G Erste elektrische Rechner (mehr oder minder experimentell) Die G-Revolution brauchte etwa 300 Jahre um ihre volle Wirkung zu erreichen 7

8 Gegen 1640 (G + 200) Blaise Pascal (Clermont Ferrand Paris 1662) Rechenoperationen pro Sekunde (oder FLOPS ) =? Speicherkapazität = 0 Charles Babbage (London Marylebone 1871) Computer (difference engin) FLOPS = Floating Point Operation per Second p.ex. X = Some people still think flops are something to be avoided 8

9 John (János Lajos) von Neumann (Budapest Washington, D.C. 1957) Mathematik, Algorithmik Alan Turing (London Wilmslow 1954) Kodierung, grundlegende Theorie des Computers

10 Konrad Zuse (Berlin Hünfeld 1995) Erster programmierbarer Rechner im modernen Sinn (Turing Maschine) Anfang FLOPS Speicher = 0 10 Brunswiga mechanisch mit elektrischem Motor

11 1976 (Los Alamos) Kosten: 9 Millionen US $ (später 5 Millionen US $) einige 100 MFLOPS (MEGA (=10 6 =1,000,000) FLOPS) Speicher: Einige 100 Mbyte Platten CRAY 1 Supercomputer 2008 kostet etwa 1000 US $ einige GFLOPS etwa 200 Gbyte Plattenspeicher (GIGA=10 9 =1,000,000,000) Ihr kleiner PC (DELL, SATURN, MEDIAMARKT,... ) 11

12 William Henry (Bill) Gates III (Seattle ) Der Computer als Massenprodukt von , zum gleichen Preis: Anzahl der FLOPS steigt um einen Faktor 40,000 (Moore s Law) Größe des Plattenspeichers steigt um einen Faktor 5,000 Netzkapazität steigt um einen Faktor (Erste Datenübertragung über ARPANET auf dem UCLA-Campus: um 22:30h seit 2000 verdoppelt sich die Übertragungskapazität etwa alle 2 Jahre (wie die FLOPS) ) 12

13 Nochmals: Von , zum gleichen Preis: Anzahl der FLOPS steigt um einen Faktor 40,000 (Moore s Law) Größe des Plattenspeichers steigt um einen Faktor 5,000 Netzkapazität steigt um einen Faktor Nie hat sich in der Geschichte der Menschheit eine Erfindung so schnell weiterentwickelt. Es wäre höchst verwunderlich, wenn dies keine Konsequenzen hätte 13

14 - Internet Informationsverarbeitung zu einem Bruchteil der Gutenberg -Kosten: Google, WIKIPEDIA, LEO,... - Ingenieurwissenschaften, CAD-CAM (computer aided design, computer aided manufacturing) - Verwaltung, Datenbanken: SAP, Oracle, das Finanzamt,... - GSM: Handy, Sicherheitsanwendungen, z.b. bei der Bahn,... (Global System for Mobile) - GPS: Positionierung (Global Positioning System) - Robotik

15 Und was ist mit der Wissenschaft? Der Computer als Gegenstand der Wissenschaft Mathematik, Algorithmik, Elektrotechnik, Elektronik,... Informatik, computer science Der Computer als Werkzeug in der Wissenschaft Physik, Chemie, Geologie, Biologie, Soziologie, Medizin, Philologie, usw. usw. usf. Einfach alles! Der Computer als Gegenstand und Werkzeug der Wissenschaft Robotik, künstliche Intelligenz(AI), Bio-Informatik,... 15

16 Und was ist mit der Wissenschaft? Der Computer als Gegenstand der Wissenschaft Mathematik, Algorithmik, Elektrotechnik, Elektronik,... Informatik, computer science Der Computer als Werkzeug in der Wissenschaft Physik, Chemie, Geologie, Biologie, Soziologie, Medizin, Philologie, usw. usw. usf. Einfach alles! Der Computer als Gegenstand und Werkzeug der Wissenschaft Robotik, künstliche Intelligenz(AI), Bio-Informatik,... 16

17 Ein Hauch von Epistemologie... der Computer sagt... alter studentischer (und journalistischer) Kehrreim Je ne veux pas comprendre, je veux apprendre (Ich will nicht verstehen, ich will lernen) Studentin der Chemie im 3. Semester The theory of knowledge (Wikipedia) Die Theorie des (wissenschaftlichen) Erkennens 17

18 Patrice Cambronne, Vortrag am 26. November 2008: L Actualité d Orphée Gründungsmythen Hoch Logos ( Abstraktion, Reduktion, Mathematik,... ) Tief Bild ( Beschreibung, Intuition, Schau, Holistik?,... ) Die abstrakte Intelligenz stünde somit ihrem Wesen nach über der Intuition. El libro delle natura é scritto en el lingua mathematica (G. Galilei) Anschauung, und nicht show! Die Deutsche Physik behauptete das Gegenteil! 18

19 Physik: Man hat nur das verstanden, was man mathematisch fassen kann Voltaire (über Descartes):... au lieu d étudier la nature, il voulut la deviner. Il était le plus grand géomètre de son siècle; mais la géométrie laisse l esprit comme elle le trouve. ( Le Siècle de Louis XIV )... anstatt die Natur zu studieren, hat er sie erraten wollen. Er war der größte Geometriker seines Jahrhunderts;.. aber die Geometrie belässt den Geist dort, wo sie ihn vorgefunden hat. 19

20 "ACTUALITES" Nach Heinrich Hertz ist eine wissenschaftliche Beobachtung dann verstanden, wenn ein Modell dafu r angegeben werden kann. Ein Modell ist ein mechanisches (spa ter auch elektrisches) Analogon, d.h eine Maschine, deren Verhalten (auf Naturgesetzen Heinrich Rudolf Hertz ( ) beruhend!) eine Relation zwischen input (Stimulus, Sto rung,...) und output (Ergebnis) analog dem wissenschaftlichen Experiment ergibt. OUTPUT INPUT experimental conditions (concentration, pressure...) e.g. Signal Experiment Analogy Analogy Model Laws of nature classical mechanics etwa im Sinne Sartres 20

21 Mikroskopische Größen (Sub-atomare Teilchen, Atome, Moleküle) Quantenmechanik : Unschärferelation (Werner Heisenberg ( )) x p x h 2 Die Lage x und der Impuls p x (p x = Geschwindigkeit in x-richtung Masse) können nicht gleichzeitig genauer als mit einer Unschärfe (Unsicherheit) x und p bestimmt werden. h Plancks Universalkonstante (Max Planck ) Das Verhalten eines Quantensystems kann nicht durch eine mechanische Maschine (auf klassischer, Newtonscher Mechanik beruhend) wiedergegeben werden. Die Gleichungen der Quantenmechanik (z.b. die Schrödinger Gleichung, Erwin Schrödinger ) beinhalten dieses Prinzip. 21

22 Heute kann ein Programm ( code ), welches auf einem Computer ausgeführt wird, Hertzs mechanische Maschine (oder analoge elektrische Schaltkreise) ersetzen. ( und oft auch explizite Gleichungen für die Lösung, die man sowieso nicht angeben könnte ( Henri Poincaré)) Was ist ein Programm (code)? Eine Abfolge von Anweisungen in einer Programmiersprache (sehr formell, Beispiele: COBOL, FORTRAN, PASCAL, c, C++, perl,...) wodurch die Abfolge der vom Computer durchzuführenden Operationen bestimmt wird, z.b.: 1. diese Größe aus dem Speicher holen 2. eine andere Größe aus dem Speicher holen 3. diese oder jene Operation (+ - / * ) mit diesen Daten durchführen 4. dieses mit jenem vergleichen (größer?, kleiner?, gleich?) 5. Ergebnis abspeichern 6. Ergebnis drucken 7. Graphik erzeugen

23 PROGRAM develop limit WRITE(*,*) a x delta einlesen READ(*,*) a,x,delta WRITE(*,*) Input: WRITE(*,*) a =,a WRITE(*,*) x =,x WRITE(*,*) delta=,delta exacte = a**x WRITE(*,*) x^a =,exacte sum = 1.0e0 xln = x * log(a) i = 0 1 i = i + 1 sum = sum + xln**i/factoriel(i) WRITE(*,*) Iteration No.,i, Naeherung =,sum, f genauer Wert =,exacte IF(abs(sum-exacte)/exacte.ge. delta) THEN GOTO 1 ENDIF WRITE(*,*) Es braucht,i, Iterationen um f FUNCTION FACTORIEL(N) DO I = 0, N IF (I.EQ. 0) THEN FN = 1.0E0 ELSE FN = FN * FLOAT(I) ENDIF ENDDO FACTORIEL = FN RETURN END, den Wert a,abs(sum-exacte)/exacte, <, delta, zu finden STOP END 23

24 Dieses Programm enthält 30-und ein paar Zeilen (Lines Of Code oder LOC) Ein wirkliches Programm enthält oft mehrere Hunderttausend (zehn oder hunderte von KLOC) Komplexität zurück zu H. Hertz: Hertzens Postulat Verstehen heißt, die Maschine bauen wird Verstehen heisst, das Programm erstellen oder zumindest, die Logik des Programms verstehen 24

25 Die Brute Force Methode = unendliche Zahl von Termen genau genähert brute force große Zahl von Termen Rekursivität mathematisch konzeptuell funktioniert in einigen günstigen Fällen numerisch funktioniert immer mit jeder gewünschten Präzision 25

26 Verfahren Black Box Programm? INPUT BLACK BOX OUTPUT 26

27 Verfahren Black Box Programm Neuronale Netze? INPUT click click klick BLACK BOX OUTPUT der Computer sagt... 27

28 Die meisten Computer- Anwendungen in der Wissenschaft gehören heute (auf Gedeih und Verderb) zu diesen black box Verfahren. Das ist oft äußerst wirkungsvoll für praktische Probleme: - Struktur eines Moleküls (eventuell noch nicht synthetisiert) - biologische Problem, Medizin,... (fast) alle Ingenieurwissenschaften - Crashsicherheit Ihres Autos (virtual crash test) - Gebäudefestigkeit gegen Wind, Erdbeben,... (Blindes?) Vertrauen in den(die)jenigen, der/die das Programm erstellt haben (etwa so als ob man alles wörtlich nehmen würde, was ein Autor in sein Buch geschrieben haben mag.) Lösung für das Problem der Komplexität (Biologie)? 28

29 William of Ockham (Occam) c 1347 Ockham s razor oder Das Prinzip der Sparsamkeit Pluralitas non est ponenda sine neccesitate Nicht mehr Voraussetzungen als streng notwendig verwenden (um einen Nachweis zu führen) Wikipedia zitiert Bertrand Russell: This maxim states that if one can explain a phenomenon without assuming this or that hypothetical entity, there is no ground for assuming it, i.e. that one should always opt for an explanation in terms of the fewest possible number of causes, factors, or variables. Die Naturwissenschaften (insbesondere die Physik) haben immer darauf bestanden, daß eine einfache elegante Erklärung intrinsisch besser sei als eine komplizierte. Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden, aber nicht einfacher 29 A. Einstein

30 Numerische Verfahren auf dem Computer genügen nicht unbedingt den Ansprüchen von Ockham s razor Very large amounts of data Simulation Limited amount of data Limited amount of data Look directly here! 30 z.b. mit graphischen Methoden die sehr schöne und sehr suggestive! Bilder machen

31 Beispiele Statistische Mechanik (Ludwig Boltzmann ) S = k ln W ( S = k ln Ω ) k Boltzmanns Universalkonstante Problem: Angenommen man kenne die mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen den Molekülen z.b. einer Flüssigkeit, so bestimme man daraus das makroskopische Verhalten der Flüssigkeit. Boltzmann hat in Prinzip gezeigt wie das Problem zu lösen ist. Nur der Computer erlaubt in der Praxis dieses Problem anzugehen (mit wenn und aber), mit den sogenannten Simulationsmethoden. 31

32 Zwei Wassermoleküle 32

33 Zwei Wassermoleküle, von anderen Wassermolekülen umgeben, Darstellung I 33

34 Zwei Wassermoleküle, von anderen Wassermolekülen umgeben, Darstellung II 34

35 Probe: 500 bis 1000 Moleküle Dauer der Simulation: 1 bis 10 ns (Nanosekunden, 10 9 Sekunden) Das heisst, daß man die (außerordentlich schnellen) Bewegungen der Moleküle während ca. 10 ns verfolgen kann. Trotz der Kleinheit der Probe und der sehr kurzen Simulationszeit (während der man das System verfolgen kann), kann man (unter anderem) daraus bestimmen: - Die Struktur der Flüssigkeit ( Roentgen- und Neutronenstreuung) - Nachbarschaftsbeziehungen ( chemische Reaktion) - Atombewegungen ( NMR, Schwingungsspektroskopien, dielektrische Eigenschaften,...) - usw. usf. 35

36 Die Bäume wachsen nicht in den Himmel Eine solche Simulation benötigt 100 bis 500 Stunden Rechenzeit auf einer Workstation (dicker PC). Um eine Sekunde Echtzeit zu simulieren bräuchte man also Stunden = /(24 365) Jahre 10 Millionen Jahre (Anfang der Rechnung zur Zeit der Dinosaurier!) Der Fortschritt ist, daß, als ich von ca. 30 Jahren mit diesen Arbeiten anfing, man mit den Simulation ein bißchen vor Big Bang hätte anfangen müssen. 36

37 Anderes Beispiel für Beschränkungen - 1 cm 3 Wasser (H 2 O) enthält Moleküle - Man will alle Abstände zwischen allen Molekülen berechnen Es sind Abstände Annahme: 1 Rechenoperation um einen Abstand zu berechnen (in Wirklichkeit eher 10) - Gesamtrechenleistung der 500 grössten Computer: 20 PFLOPS (PETA ) Operationen Sekunden Operationen = Sekunden Sekunden = Jahre = Jahre Alter des Universums (seit Big Bang) 14 Milliarden Jahre (oder Jahre) Es fehlen also etwa 10 Größenordnungen! (Es müssten also alle heutigen Großrechner während 10 Milliarden Weltalter rechnen, oder man bräuchte 10 Milliarden mal leistungsfähige Computer) 37

38 1995 PIXAR ( Disney ) Noch ein bischen etwas zur Graphik (BILD) - Does he who has the better graphics system also have the better science? Imre Ruff, Professor für theorische Chemie an der Eötvös Loránd Universität Budapest oder - A picture is worth 1000 words Anonymous 38

39 Fassen wir zusammen: Bücher: Das Abspeichern und Beschaffen von Information wird einfach und billig ( Nicht mehr nötig, alles auswendig zu lernen, es genügt zu wissen, wo es steht ) Computer: Das Abspeichern, Beschaffen und Manipulieren von Information werden noch viel einfacher und billiger ( Nicht mehr nötig, selbst die (logischen, mathematischen) Manipulationen durchzuführen, Es genügt, auf dem Computer richtig klicken zu können ) Der Computer (vor allem der vernetzte) ist somit (nach 50 Jahren) wesentlich mehr als ein Super-Taschenrechner. 39

40 Das Buch brachte eine fundamentalen Paradigmenwechsel für die Wissenschaften Der Computer wird höchstwahrscheinlich zu einem noch weit größeren führen - Was das Buch angeht: Es brauchte 300 Jahre bis alle Folgen offensichtlich wurden! - Wir haben gerade einmal 50 Jahre Computer hinter uns! 40

41 - Was werden die Folgen für unser wissenschaftliches Denken sein? - Kann man (dauerhaft) innovativ, kreativ sein ohen zu verstehen (im herkömmlichen Sinne des Wortes)? - Ist es vielleicht nützlich, gar wünschenswert, diese Etappe des Verstehens zu vermeiden und direkt zur (sogenannten) Praxis überzugehen? (Nach dem Motto: Nur nicht so pingelig! Who can, does; who can t, teaches Was kümmert mich Ockham wenn s nur tut, usw.) Vor dem Computer war diese Vorgehensweise nicht möglich, macht sie der Computer (auf Dauer) praktikabel und wirkungsvoll? - Wird die Intuition in den Wissenschaften nicht wichtiger als die Deduktion? (war sie es nicht schon immer?) - Wird es eine Elite von Weisen, Glasperlenspieler, Mandarine,... geben, die wissen (= die Programme schaffen) und eine Klasse von Nutzern? - Und wohin werden sich die Grenzen des Computers verschieben lassen? nach dem Roman von Hermann Hesse 41

42 Noel Joseph Terence Montgomery Needham (London Cambridge 1995) Mesure de l avancement scientifique et technique Chine Europe Schéma de Needham AD Die Needham Frage 42

43 Needham identifiziert (unter anderen) folgende Gründe für den wissenschaftlichen Aufschwung Europas nach Begriff des Naturgesetzes ( göttliches Gesetz, dura lex sed lex ) somit ist die Natur nicht eine Sammlung zusammenhangloser Phänomene - Der Mensch kann die Gesetze erkennen (das heißt verstehen ) Der Tao (, Natur, Geist, Wesen der Dinge) ist nicht wirklich etwas rationel Erkennbares, eher etwas (intuitives) Erfühlbares. - Reduktion der Beobachtung auf das Wesentliche (das (abstrakte!) Gesetz) - Wissenschaft Anwendung (Technik) - Dieser Wissenschaftsbegriff hat vor allem (bleiben wir bescheiden) deswegen Bestand gehabt, weil er Erfolg brachte. 43

44 - Wird er weiterhin erfolgreich bleiben? In wie weit? - Wird die klassische (der 250 letzten Jahre ) Art, Wissenschaft zu treiben, zusehends zum Schnee von gestern? - Kein Mensch weiss allerding, was genau sie ersetzen wird. - Hat Europa (der Westen) somit sein komparativen Vorteil aufgebraucht? soft sciences, holistische Ansätze,... 44

45 Einige Referenzen in alter Technik Guy Bechtel Gutenberg, Fayard, Paris 1992 Hermann Hesse Das Glasperlenspiel, Versuch einer Lebensbeschreibung des Magister Ludi Josef Knecht samt Knechts hinterlassenen Schriften, Suhrkamp Douglas R. Hofstadter Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid Random House, New York, 1979, Library of Congress QA9.8.H D Gödel, Escher, Bach, ein Endlos Geflochtenes Band, DTV 1992 Joseph Needham La science chinoise et l Occident Collection Points Sciences Seuil

46 und in neuer: 46

47 Dank Professor Jean-Marie Caillé Université Bordeaux II... und Herrn cand.phil. Hugo Remark für das Auffinden von Rechtschreibefehlern und andere Kommentare 47

48 "ACTUALITES" Neural Networks adjust empirically until desired result achieved INPUT BLACK BOX "Desired" output "Training" data INPUT some data OUTPUT Trained BLACK BOX OUTPUT some output 48

49 Rekursivität: Don Quichotte begegnet sich selbst Ein Fugenthema begleitet sich selbst Eine Filmkamera filmt sich selbst Eine Programm ruft sich selbst auf Program do_something Program do_something Program do_something Call do_something Call do_something Call do_something Stop Stop Stop Program do_something Program do_something Program do_something IF... Call do_something IF... Call do_something IF... Call do_something Stop Stop Stop 49

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