Một thế hệ khoa học mới của thế kỷ 21

Một thế hệ khoa học mới của thế kỷ 21

Sau đây tôi xin post loạt bài về 1 cách tiếp cận khoa học mới của loài người. Mong các bạn tham khảo và nhìn lại so sánh nó với cách tiếp cận toán học hoá trước đây.

Bài viết tạm chia làm 6 phần

I. Mở đầu
II. Vài nét về Stêphn Wolfram và con đường tới "Một loại hình khoa học mới"
III. Mô hình Hệ tự hành dạng tế bào
IV. Ý tưởng, nội dung và độc giả của "Một loại hình khoa học mới"
V. Kết luận
VI. Phụ lục - Các bài viết tham khảo




Để tri thức người Việt giàu hơn, trí tuệ sáng hơn !

Phần I. Mở đầu
1- Khoa học, trong động thái của mình, luôn đi sâu, phát triển và đưa ra các khái niệm, các phương pháp mới (thường gắn với các công cụ và công nghệ mới), khai phá "những vùng đất mới", nhằm một mục đích duy nhất là nắm bắt bản chất và giải thích mọi hiện tượng xung quanh ta.
Chúng ta còn nhứ, trước khi lý thuyết lượng tử và lý thuyết tương đối ra đời, đa số các nhà vật lý cho rằng họ đã biết hầu như mọi định luật cơ bản của vật lý và vấn đề chỉ còn ở chỗ là vận dụng các lý thuyết đó thế nào mà thôi.
Tuy nhiên, cho đến nay, mặc dù chúng ta đã nắm thêm nhiều khái niệm, phát hiện thêm nhiều định luật, nhưng rõ ràng là còn lâu chúng ta mới có thể giải thích được, dù chỉ là định tính nhiều hiện tượng trong tự nhiên, đặc biệt là những hiện tượng liên quan đến cấu trúc hoặc hành vi phức tạp (sau đây gọi là Hệ phức tạp) như hiện tượng mẫu hình pt sinh học hay động thái của thị trường trong kinh tế.

Để tri thức người Việt giàu hơn, trí tuệ sáng hơn !

2- Khi nghiên cứu các hệ phức tạp, thông thường, người ta bắt đầu từ hệ điển hình và "đơn giản" nhất. Đó là các hệ có thành phần cấu thành là các yếu tố đồng nhất và hành vi của từng phần tử hay tương tác của chúng là đơn giản. Tuy nhiên, khi số các phần tử trở nên lớn (như hệ nhiều hạt trong vật lý) thì hành vi của cả hệ cũng trở nên vô cùng phức tạp.
Lấy ví dụ dáng vẻ đẹp và phức tạp của những bông tuyết mùa đông xứ lạnh. Ở đây chúng ta đã biết rõ các luật điều khiển sự đóng băng của nước cũng như phương trình truyền nhiệt của chúng, nhưng cho đến nay chưa ai có thể dùng các quy luật và các phương trình đó để lý giải sự hình thành nên hình dáng đặc thù đó của các bông tuyết.
Về nguyên tắc, các hành vi phức tạp đó chỉ có thể giải thích bằng một phương pháp duy nhất là mô phỏng nó trên máy tính.
Tuy nhiên phương pháp mô phỏng truyền thống (thường dựa trên các lý thuyết vật lý với các phương trình đạo hàm riêng) có hạn chế cơ bản là nó chỉ có thể giải thích được hành vi của các hệ với một số ít phần tử, còn khi hệ có thể có nhiều phần tử (như số các phần tử nước trong 1 bông tuyết) thì phương pháp mô phỏng toán học cũ cũng chịu bó tay

Để tri thức người Việt giàu hơn, trí tuệ sáng hơn !

3- Để giải thích các hành vi và cấu trúc phức tạp có một con đường khác được Stephen Wolfram đề xuất ban đầu là: tìm ra các cơ chế toán học cơ bản nằm trong bản chất của các quá trình của tự nhiên, mà từ đó các hành vi phức tạp được sinh ra, lấy đó làm công cụ để xây dựng 1 lý thuyết khoa học mới "Lý thuyết của các hệ phức tạp".
Theo hướng đó, mô hình toán học "Hệ tự hành dạng tế bào" đã đwợc phát triển và ứng dụng rộng rãi. Bằng việc sử dụng máy tính để mô phỏng các phương án phong phú và đa dạng của Hệ tự hành dạng tế bào, đây được xem như một phương pháp nghiên cứu khoa học mới, có hiệu quả và triển vọng nhất để mô tả và giải thích phần lớn các hiện tượng phức tạp của tự nhiên.
Ý tưởng khởi đầu này của S. Wolfram được tập hợp trong cuốn sách (Cellular Automata and Complexity)

Để tri thức người Việt giàu hơn, trí tuệ sáng hơn !

4- Sự phát triển lôgic theo hướng nói trên đã dẫn Stephen Wolfram đến việc xuất bản một công trình khoa học lớn - cuốn sách tựa đề "A New Kind of Science" (Một loại hình khoa học mới), phát hành năm 2001 với 780 trang.
Điều đáng nói là như một nhà vật lý lý thuyết tài ba đồng thời là một nàh sản xuất phần mềm tính toán toán học nổi tiếng, S. Wolfram lại được coi là 1 nhà khoa học "đầy bí hiểm". trong vòng 1 chục năm gần đây, anh đã và đang tự minh nghiên cứu, và theo lời anh, đã phát hiện ra rất nhiều quy luật mang tính bản chất của tự nhiên, nhưng lại không hề công bố ngay chúng. Bởi lẽ "thay cho việc công bố các kết quả nghiên cứu rải rác, anh sẽ chỉ công bố chúng cùng 1 lúc, 1 lần và hoàn chỉnh, mang tính phổ cập để mọi người có thể hiểu 1 cách có hệ thống và đầy đủ nhất"
Trong lời giới thiệu, nhà xuất bản cho rằng "đây là 1 công trình được chờ đợi từ lâu của 1 trong những nhà khoa họ được nể trọng nhất ngày nay, chứa đựng các phát minh kịch tính chưa từng bao giờ được công bố... hứa hẹn một cuộc cách mạng lớn về tư duy",. Điều này đúng hay sai xin nhường quyền phán quyết cho các độc giả, các nhà khoa học,. đặc biệt là các nhà vật lý lý thuyết sau khi đọc và hiểu quyển sách đó.

Để tri thức người Việt giàu hơn, trí tuệ sáng hơn !

to CaChep
Cậu post bài lên lâu quá à. Muốn anh em đợi chứ gì. Vậy mà chứ nói là Để tri thức người Việt giàu hơn, trí tuệ sáng hơn !. Buồn cho cậu quá đây. Post nhanh lên há. ok

Ai nói sao tui nghe dzậy
Ai nói bậy tui cũng nghe theo. hi`
Kien_Lua

II. Vài nét về S. Wolfram và con đường đến ?oMột loại hình khoa học mới?
Sinh năm 1959 tại London, Stephen Wolfram học vật lý tại Oxford (Anh) và Caltech (Mỹ). Anh bắt đầu sử dụng máy tính khi lên 14 tuổi và nhanh chóng trở thành người tiên phong trong lĩnh vực khoa học tính toán đang sôi động bất giờ. Với tài năng hiến có và với một tính cách mạnh mẽ, S. Wolfram đăng nhiều công trình khoa học khi còn rất trẻ, đặc biệt công trình đầu tay của riêng mình lúc mới 15 tuổi.
Mặc dù không viết luận án, năm 20 tuổi anh vẫn được nhận bằng tiến sĩ vật lý lý thuyết của trường đại học Caltech bằng tập hợp 6 bài về cùng 1 hướng. Các kết quả trong thời kỳ này của anh tập trung chủ yếu trong các lĩnh vực vật lý năng lượng cao, lý thuyết trường lượng tử và vũ trụ học.
Năm 1981 (22 tuổi) anh là tác giả của chương trình SMP ?" 1 trong những phần mềm đầu tiên hỗ trợ tính toán đại số hiện đại. Giải thưởng MacArthur (MacArthur Prize Fellowship) được trao cho anh vào năm đó vì những công trình xuất sắc của anh trong 2 lĩnh vực vật lý và khoa học tính toán đã đưa S. Wolfram trở thành người trẻ tuổi nhất cho đến nay được nhận giải thưởng khoa học này.
Không dừng ở đây, S. Wolfram lại bắt tay khai phá một lĩnh vực hoàn toàn mới trong khoa học: phát triển một lý thuyết tổng quát của sự phức tạp trong tự nhiên. Ý tưởng cơ bản của anh là sử dụng thí nghiệm trên máy tính để nghiên cứu hành vi của 1 loại chương trình máy tính đơn giản mang tên Cellular Automata (tạm dịch là hệ tự hành dạng tế bào). Và trongnăm 1982, anh công bố những công trình đầu tiên trong 1 loạt các phát minh chấn động dự luận khoa học về bản chất của sự phức tạp. Việc công bố những bài báo của Wolfram về cellular automata tạo nên một sự xoay chuyển trong tư duy khoa học và đặt nền mong cho 1 lĩnh vực khoa học mới gọi là ?oLý thuyết hệ phức tạp?. Có thể nói 1 cách hình ảnh là mỗi nhà nghiên cứu đều đang nghiên cứu ?osự phức tạp? cho một lĩnh vực cụ thể nào đó, còn S. Wolfram có tham vọng đặt nền móng cho 1 lý thuyết tổng quát lấy mục đích nghiên cứu sự phức tạp như một đối tượng chính!
Vào những năm của thập kỷ 80, khi làm việc trong lĩnh vực ?olý thuyết hệ phức tạp?, S. Wolfram đã phát hiện ra 1 số mới quan hệ cơ bản giữa tính toán điện tử (computation với giới tự nhiên và đưa ra khai niệm: tínhtoán bất khả quy (computational irreducibility). Các kết quả khoa học này đã có nhiều ứng dụng rộng rãi và đặt nền móng cho 1 trào lưu khoa học lớn được biết đến như ?olý thuyết sự phức tạp và cuộc sống nhân tạo?. Cũng trong thời kỳ này Wolfram thiết kế phần mềm Mathematica (xem mathematica.com. Ra đời version 1 trong năm 1986 và version 2 năm 1991, Mathematica nhanh chóng được giới khoa học thế giới hoan nghênh và công nhận một phần mềm tích hợp đầy đủ và hoàn thiện nhất dùng trong tính toán khoa học, kỹ thuật. Và anh đã trở thành 1 nhà triệu phú tin học giàu có.
Trong những năm của thập kỷ 90 anh dành một thời gian cho việc lãnh đạo công ty Wolfram Research hoàn thiện Mathematica với version 3.0 năm 1996 và version 4.0 năm 1999. Phần lớn thời gian còn lại anh tiếp tục phát triển những ý tưởng cơ bản của ?olý thuyết hệ phức tạp ở tầng cao hơn?, tập trung nghiên cứu và tổng kết trong cuốn sách ?oA New Kind of Science? mà vừa qua mới ra mắt. Chắc chắn nó sẽ đem đến cho anh một vị trí xứng đáng trong lịch sử phát triển khoa học.

Để tri thức người Việt giàu hơn, trí tuệ sáng hơn !

III. Mô hình hệ tự hành dạng tế bào
?oHệ tự hành dạng tế bào? là một sự lý tưởng hoá các hệ tự nhiên một cách đơn giản về toán học và được định nghĩa như sau:
1. Một hệ tự hành dạng tế bào được cấu tạo như một mạng của các nút gián đoạn đồngnhất, mỗi nút có thể nhận được một trong các giá trị xác định. Ta gọi đây là ?omạng tế bào? (cellular lattice)
2. Các giá trị của nút mạng sẽ tiến hoá theo các bước gián đoạn của thời gian, theo các quy tắc cho trước mà sẽ xác định giá trị của nó ở bước sắp tới như hàm của các giá trị của các nút lân cận. Ta gọi đây là ?oquy tắc tiến hoá của tế bào?
Như vậy, theo định nghĩa trên,. một Hệ tự hành dạng tế bào được xác định khi ta biết 2 điều kiện là mạng tế vào và quy tắc tiến hoá của tế bào.
Ví dụ:
- Mạng đơn giản nhất là mạng một chiều gồm hàng các nút, mỗi nút chỉ có 2 giá trị 0 và 1.
- Quy tắc tiến hoá của tế bào là giá trị của 1 nút mạng bất kỳ thứ i tại thời điểm bất kỳ t+1 chỉ phụ thuộc vào giá trị của 2 nút mạng ?ohàng xóm? là i-1 và i+1, cụ thể là ai(t+1)=[a(i-1) (t) + a(i+1) (t)] mod 2.
- Ta dễ dàng biểu diễn hệ tự hàng dạng tế bào này cho mọi trường hợp khi cho mạng tế bào này tại thời điểm ban đầu t=0.
Điều quan trọng là mô hình Hệ tự hành dạng tế bào với cách định nghĩa như vậy hoàn toàn có thể mô tả và khảo sát bằng chương trình máy tính khá đơn giản, nói cách khác là ta có thể mô phỏng nó trên máy tính bằng chương trình viết trên Mathematica.
Việc áp dụng chương trình trên để nghiên cứu hành vi của mô hình Hệ tự hành dạng tế bào đơn giản nhất này cho ta nhiều kết quả thú vị. Khi khái quát mô hình hệ tự hành dạng tế bào này và dùng Mathematica mô phỏng chúng, S. Wolfram đã rút ra 1 nhận xét cực kỳ quan trọng: mặc dù sự tiến hoá của hệ tự hành dạng tế bào phụ thuộc cả vào trạng thái ban đầu và quy tắc tiến hoá nhưng chính các quy tắc tiến hoá mới là điều quyết định đến hành vi của chúng. Và các quy tắc tiến hoá có thể được phân loại thành 4 lớp hiện tượng:
Lớp 1 - Sự tiến hoá dẫn đến trạng thái đồng nhất
Lớp 2 - Sự tiến hoá đãn đến tập hợp của các cấu trúc tuần hoàn hay ổn định
Lớp 3- Sự tiến hoá dẫn đến trạng thái hỗn độn (chaotic pattern)
Lớp 4- Sự tiến hoá dẫn đến cấu trúc phức tạp, nhiều khi ?osống? rât lâu (long-lived)
Wolfram đã xem xét kỹ càng và phân tích sâu sắc các lớp phân loại nói trên. Đặc biệt, khi nghiên cứu lớp 4, lớp đặc trưng bởi độ bất định cao nhất, anh đã phát hiệu ra hành vi ?otự tổ chức? của chúng. Và đó là lý do dẫn anh đến việc dùng mô hình Hệ tự hành dạng tế bảo làm mô hình toán học cơ bản cho ?olý thuyết sự phức tạp? của mình.

Để tri thức người Việt giàu hơn, trí tuệ sáng hơn !

to CaChep
Ở lớp thứ 4 như cậu nói thì rất phức tạp. Vậy liệu có hiện tượng lượng đổi thì chất đổi ở đây không vậy. Có thế là cấu trúc không đổi nhưng thành phần cấu tạo nên nó thì sẽ phải đổi đấy. Vì biết đâu khi xử lý qua nhiều phép toán như vậy mấy tính sẽ không xử lý kịp. Và cái gì diễn ra tiếp theo thì chắc cậu cũng biết rồi đấy.
Theo cậu đó là cái gì nhỉ và máy tính sẽ tiến về phía nào cơ?
Hinh như dùng chính cái mô hình mà câu vừa đưa ra thì có thể giải quyết bài toán này đấy, cậu xem xét thử há.

Ai nói sao tui nghe dzậy
Ai nói bậy tui cũng nghe theo. hi`
Kien_Lua

Cậu đang quan tâm đến những quy luật phát triển các hệ thống. Có thể vận dụng phép biện chứng Lượng-Chất, nhưng chủ quan riêng mình không khoái cái cách giải thích "lèm nhèm" đó. Lượng đổi <-> Chất đổi và ranh giới Chất và Lượng là thiếu rõ ràng.
Nếu cậu đọc kỹ bài <<Có nên có một TRIẾT HỌC mới của thế kỷ 21 này không?>> Chất thay đổi chính là thay đổi về cấp độ điều khiển của hệ thống -- & chính từ đó liên quan đến thay đổi cấu trúc của hệ. Cậu cũng sẽ tìm thấy những nguyên lý chính giúp cho hệ thống pt, tiến hoá chuyển thành phức tạp hơn...
Cái máy tính cũng là 1 hệ điều khiển và cũng tuân theo ~ quy luật đã được mô tả.

Để tri thức người Việt giàu hơn, trí tuệ sáng hơn !