суббота, 23 октября 2010 г.

Идеи, которые навсегда изменят науку в этом столетии - 2

Продолжение поста, посвященного cover story последних двух выпусков журнала New Scientist.

Интернет как социальный телескоп. Одна из основных задач социологии, в двух словах, состоит в изучении процессов, когда толпа людей перестает быть совокупностью отдельных личностей и образует сложные структуры - семьи, организации, рынки и институты. Решение этих задач основывается, преимущественно, на изучении взаимодействия между отдельными членами подобных структур. В последнее время, когда миллионы людей перемещаются в онлайн, принося с собой все разнообразие своей социальной и экономической деятельности, подобные исследования становятся гораздо более масштабными и всеобъемлющими. Сеть предстает для социологии примерно тем же, чем является телескоп для астрономов: инструментом, который открывает перед исследователем целую вселенную. Теперь ученые могут ставить широкомасштабные эксперименты и изучать крупные социальные образования из тысяч и миллионов человек. Возможно, именно Сеть подтолкнет нас к пониманию человечества как единой сложной системы, как в свое время телескоп открыл астрономам картину космоса.

Формальная верификация программного обеспечения. Глюки в веб-браузере раздражают, но не приводят к катастрофам. А вот сбои в программе автопилота самолета или центре управления ядерного реактора - совсем другое дело. С каждым днем наша жизнедеятельность все больше переплетается с программами, поэтому совершенно необходимо выработать способ однозначной проверки их надежности. В настоящее время надежность ПО проверяется путем тщательного глубокого тестирования, когда тесты покрывают практически весь исходный код программы. Тестирование принципиально не может однозначно выявить все недостатки программы - только лишь ошибки программиста и проектировщика. Существует единственный способ доказательства надежности программы - формальная верификация, когда правильность функционирования алгоритма рассматривается как теорема, и с помощью математических объектов проводится доказательство этой теоремы. Попытки создать математическую методику формальной верификации ведутся с 60-х годов прошлого века, но верифицировать алгоритм, который несколько сложнее сортировки, очень сложно. Есть надежда, что в ближайшем будущем развитие математической теории, помноженное на огромные вычислительные мощности, породит новое поколение программ - гарантированно надёжных.

Зеттафлопс. Современные суперкомпьютеры - невероятно мощные вычислители, но не настолько, как этого хотелось бы ученым. Самый мощный современный компьютер, Cray Jaguar, обладает мощностью в 1.7 петафлопс, то есть 1.7*10^15 операций с плавающей точкой в секунду. Этого совсем недостаточно для самых сложных и крупномасштабных имитаций: состояния Вселенной в первые секунды её существования, развития климата планеты с учетом всех возможных условий и многого другого. Но уже к 2030-му году появятся первые зеттафлопс-компьютеры, то есть вычислительные машины, способные выполнять 10^21 операций в секунду, что эквивалентно триллиону современных ПК. Этот момент станет переломной точкой в способностях человечества делать прогнозы. Появится возможность полностью моделировать влияние новых лекарств на человеческое тело, реакции сообществ из миллионов человек на изменения климата или как сталкивающиеся галактики рождают новые звезды - и это лишь перечень самых очевидных расчетов, для которых требуются зеттафлопс-машины.

Мемристоры. Основные пассивные строительные блоки современных электронных схем - это резисторы, ёмкости и индуктивности. Помимо них, еще 40 лет назад был теоретически предсказан другой пассивный элемент - "мемристор", то есть "резистор с памятью". Но только в 2008 году был получен материал, который на практике обладал "мемристивным" поведением. Маленькие размеры и ничтожное потребление энергии мемристором делает его идеальным средством хранения информации: один такой элемент способен заменить схему из десятка транзисторов в чипах будущего. Однако мемристоры потенциально готовы дать намного больше. С их помощью, предположительно, можно будет полноценно имитировать функциональность синапсов - связей, посредством которых нейроны в мозгу обмениваются электрическими сигналами. Возможно, именно мемристоры станут ключевой технологией, которая откроет путь полноценным имитациям человеческого мозга.

Квантовый дарвинизм. Сотни экспериментов показывают, что реальность, в её фундаментальной основе, управляется законами квантовой механики, а вся окружающая  человека действительность есть симуляция, плод воображения, сформированный нашими органами чувств. Это  звучит несколько напыщенно, ведь на макроскопическом уровне   влияние законов квантовой механики незаметно - в отличие от атомных масштабов, где проявляются все непостижимые свойства частиц: объекты могут присутствовать в нескольких местах одновременно, или обладать разными спинами. Но когда мы производим измерение, то его результат всегда определен однозначно - как и в макроскопическом мире. Идея квантового дарвинизма заключается в том, что декогеренция квантовомеханической системы является процессом "естественного отбора" тех квантовых состояний, которые не нарушаются при контакте со средой. Окончательное, стабильное состояние, "выжившее" в процессе декогеренции, многократно копируется и может наблюдаться в макроскопическом масштабе. Если эта идея подтвердится, то можно будет утверждать, что мы можем лишь исследовать реакцию квантовой системы на изменения окружающей среды, но никогда не сможем полностью измерить её параметры.