Як вчені відтворюють Всесвіт, мозок і зародження життя

 

Комп’ютерна симуляція — це інструмент, який допомагає моделювати та вираховувати поведінку складних систем. Вчені ставлять всі необхідні дані, а комп’ютер вираховує, як поводиться система. Симулювати можна що завгодно, від найдрібніших квантових частинок до галактик. Результат навіть необов’язково візуалізувати, хоча вважається, що, дивлячись на зображення, людина може помітити важливі деталі. Наприклад, метеоролог по зображенню моделі погоди може передбачити наближення урагану.

Восени 1945 року військові США побудували ENIAC — перший цифровий комп’ютер загального призначення. Він складався з 17 000 електронних ламп і був розміром з велику кімнату. Вперше ENIAC використовували в 1946-му для створення водневої бомби. Математики Станіслав Улам і Джон вон Ньюманн намагалися розрахувати поведінку частинок при термоядерної реакції. Їм потрібно було провести статистичну симуляцію такого масштабу, що Улама

і Ньюманн не могли забивати всі числа вручну (комп’ютери тоді працювали на перфокартах). Математики скористалися методом Монте-Карло: комп’ютер використовує випадкові числа, імовірнісні характеристики яких збігаються з даними задачі. Комп’ютер виконує симуляцію кілька разів, а потім статистично аналізує результати. Програма, виконана ENIAC, призвела до кількох наслідків в науці: в тому числі стали популярні дивовижні книги з випадковими числами (вони застаріли, як тільки комп’ютери навчилися виробляти їх самостійно), а комп’ютерне моделювання стало використовуватися в науці постійно.

 

 

 

З поширенням комп’ютерного моделювання науку можна розділити на три гілки:

СПОСТЕРЕЖЕННЯ Й ЕКСПЕРИМЕНТИ. Те, з чого почалася наука: вчені спостерігали за світом навколо і робили висновки з того, що вони бачили. Це називається методом індукції, коли в емпіричних даних знаходять структури і властивості і роблять з них висновки.

ТЕОРІЇ ТА ЗАКОНИ ПРИРОДИ. Мисляча частина науки, коли спостережень будуються теорії і подальша робота з ними. Це метод дедукції: висновки робляться з аксіом і припущень.

КОМП’ЮТЕРНА СИМУЛЯЦІЯ. Насправді симуляція — третя, нова галузь науки. Вона поєднує дедукцію та індукцію: як і дедукція, симуляція починається з чистих даних, з припущень, але при цьому в симуляції не доказуються гіпотези, а створюються дані, які можуть бути розглянуті за допомогою індукції.

 

 

Комп’ютерні симуляції використовуються в багатьох розділах науки, від астрофізики до хімії. Скажімо, сучасні метеорологи в першу чергу працюють з симуляціями: за допомогою них вони можуть виявити торнадо або ураган за 20 хвилин до того, як він з’являється, або спрогнозувати погоду на кілька днів вперед. Метеорологи збирають інформацію з радарів, супутників і наземних метеорологічних станцій і проводять симуляції, які використовують всю інформацію. Комп’ютер, втім, не скасовує участі людини: важливо, щоб симуляцію експерт проаналізував і зробив висновки.

Комп’ютерне моделювання може займати

від декількох хвилин до декількох днів, а то і років.

У XXI столітті вчені почали проводити по-справжньому складні і амбітні симуляції, генеруючи мільйони атомів і об’єктів.

 

 

Три амбітних комп’ютерних симуляції

 СПІВРОБІТНИКИ THE ILLUSTRIS PROJECT НАМАГАЮТЬСЯ СИМУЛЮВАТИ ЕВОЛЮЦІЮ ВСЕСВІТУ від Великого вибуху до наших днів — за 13,8 млрд років. Їх модель використовує всі найточніші дані і обчислення з астрономії, доступні на даний момент, щоб краще зрозуміти природу Всесвіту, формування галактик і темну матерію (це теоретичні частинки, з яких складається велика частина Всесвіту, але які не відбивають світло). У The Illustris Project вже є перші результати і навіть гарне відео, але повні результати симуляції повинні стати доступні пізніше в цьому році.

 У 2005 РОЦІ СПІВРОБІТНИКИ ЛОС-АЛАМОСЬКОЇ НАЦІОНАЛЬНОЇ ЛАБОРАТОРІЇ СТВОРИЛИ МОДЕЛЬ РИБОСОМИ в русі. Симуляція генерувалася 260 днів, і в ній було змодельовано 2,64 мільйона атомів. Рибосома — це органелла в клітинах живих організмів, відповідальна за створення білка. Це один з найважливіших елементів в організмі людини, і за допомогою цієї симуляції біологи в тому числі спробували зрозуміти, звідки взагалі з’явилася життя.

 ГЕНРІ МАРКРАМ І СПІВРОБІТНИКИ ЗАПУСТИТИ В 2005 РОЦІ BLUE BRAIN PROJECT ХОЧУТЬ СТВОРИТИ МОДЕЛЬ ЛЮДСЬКОГО МОЗКУ. На жаль, це неймовірно складно: потрібно змоделювати 100 трильйонів синапсів, зв’язків між нейронами в людському мозку. Тому Blue Brain Project намагаються для початку хоча б розібратися в базових законах, на яких працює мозок. Для цього вони моделюють нейронні колонки — групи нейронів, в кожній з яких знаходиться 10 тисяч нейронів. Поки що Blue Brain Project змогли змоделювати одну колонку з мозку щура.

 

 

Як і будь-які програми, симуляції схильні до помилок. Найчастіше помилки з’являються в первинних даних. Тим не менш, модель системи може бути неправильно побудована. Як правило, щоб з цим впоратися, вчені створюють спрощену модель потрібної системи (скажімо, екосистеми) в якості зразка. Вони налагоджують її і порівнюють результати з відомими і правильними. А потім вже порівнюють роботу великої повноцінної моделі із зразком, щоб уникнути помилок.

Є речі, які звичайний комп’ютер підрахувати

не може. Існують симуляції, які неможливо провести, — для цього потрібно дочекатися квантового комп’ютера. Наприклад, вчені з американського Національного інституту стандартів і технологій пропонують використовувати квантові комп’ютери для симуляції поведінки частинок, у тому числі їх зіткнень. У таких обчисленнях задіяні квантові властивості, тому, щоб їх зрозуміти, потрібен квантовий комп’ютер.

Нарешті, є важлива (хоча кілька спекулятивна) ідея, пов’язана з комп’ютерними симуляціями. Якщо довести ідею комп’ютерної симуляції до логічного кінця, то при досить потужному комп’ютері і достатній кількості даних людство коли-небудь зможе симулювати всю Всесвіт цілком. До найдрібніших деталей, включаючи живих істот всередині неї. Передбачається, що такі істоти не будуть розуміти, що знаходяться всередині симуляції. Тут філософи, а також деякі математики і фізики здійснюють наступний розумовий крок: як довести, що ми самі не перебуваємо всередині такої симуляції? Про це багато пишуть журналісти; головним аргументом на користь того, що ми знаходимося в симуляції, зазвичай називають чисто математичний: ймовірність того, що наша реальність — симуляція, вище того, що це не так. Так чи інакше, це дійсно межа для комп’ютерної симуляції в науці — змоделювати весь світ цілком.

  1. 5
  2. 4
  3. 3
  4. 2
  5. 1
(0 голосов, в среднем: 0 из 5)

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *