نوع جديد من العلوم

تتلخص أطروحة نوع جديد من العلوم ( NKS ) في شقين: الأول هو ضرورة استكشاف طبيعة الحوسبة تجريبياً، والثاني هو أن نتائج هذه التجارب لها أهمية كبيرة في فهم العالم المادي . ^{[ 2 ]}

الموضوع الأساسي لـ"النوع الجديد من العلوم" عند وولفرام هو دراسة القواعد المجردة البسيطة، أي برامج الحاسوب الأولية . في أي فئة تقريبًا من الأنظمة الحاسوبية، سرعان ما نجد حالات بالغة التعقيد حتى بين أبسطها (بعد سلسلة زمنية من حلقات تكرارية متعددة، تُطبق فيها نفس المجموعة البسيطة من القواعد على نفسها، على غرار دورة تعزيز ذاتي باستخدام مجموعة من القواعد). ويبدو أن هذا ينطبق بغض النظر عن مكونات النظام وتفاصيل إعداده. تشمل الأنظمة التي يستكشفها الكتاب، من بين أمور أخرى، الأوتوماتا الخلوية في بُعد واحد، وبُعدين، وثلاثة أبعاد؛ والأوتوماتا المتنقلة ؛ وآلات تورينج في بُعد واحد وبُعدين؛ وأنواعًا عديدة من أنظمة الاستبدال والشبكات؛ والدوال التكرارية؛ والدوال التكرارية المتداخلة ؛ والمُركِّبات ؛ وأنظمة العلامات ؛ وآلات التسجيل ؛ والجمع العكسي . ولكي يُصنَّف برنامج ما على أنه بسيط، هناك عدة متطلبات:

1. يمكن شرح طريقة عملها بالكامل من خلال رسم توضيحي بسيط.
2. يمكن شرح ذلك بالكامل في بضع جمل من اللغة البشرية .
3. يمكن تنفيذه بلغة برمجة باستخدام بضعة أسطر فقط من التعليمات البرمجية.
4. عدد الاختلافات الممكنة صغير بما يكفي بحيث يمكن حسابها جميعًا.

عمومًا، تميل البرامج البسيطة إلى امتلاك إطار عمل تجريدي بسيط للغاية. تُعدّ الأوتوماتا الخلوية البسيطة، وآلات تورينج، والمُركِّبات أمثلة على هذه الأطر، بينما لا تُصنَّف الأوتوماتا الخلوية الأكثر تعقيدًا بالضرورة كبرامج بسيطة. من الممكن أيضًا ابتكار أطر عمل جديدة، لا سيما لمحاكاة عمل الأنظمة الطبيعية. السمة اللافتة للبرامج البسيطة هي أن نسبة كبيرة منها قادرة على إنتاج تعقيد كبير. إن مجرد تعداد جميع الاختلافات الممكنة لأي فئة من البرامج تقريبًا يُؤدي سريعًا إلى أمثلة تُؤدي وظائف غير متوقعة ومثيرة للاهتمام. وهذا يُثير التساؤل: إذا كان البرنامج بهذه البساطة، فمن أين يأتي هذا التعقيد؟ بمعنى آخر، لا يوجد مجال كافٍ في تعريف البرنامج لترميز جميع وظائفه بشكل مباشر. لذلك، يُمكن اعتبار البرامج البسيطة مثالًا بسيطًا على الظهور . الاستنتاج المنطقي من هذه الظاهرة هو أنه إذا كانت تفاصيل قواعد البرنامج لا ترتبط ارتباطًا مباشرًا بسلوكه، فسيكون من الصعب جدًا هندسة برنامج بسيط لأداء سلوك مُحدد. يتمثل النهج البديل في محاولة تصميم إطار حسابي شامل بسيط، ثم إجراء بحث شامل من خلال جميع المكونات الممكنة للحصول على أفضل تطابق.

تتمتع البرامج البسيطة بقدرات سلوكية واسعة النطاق. وقد ثبت أن بعضها بمثابة حواسيب شاملة . بينما تُظهر برامج أخرى خصائص مألوفة من العلوم التقليدية، مثل السلوك الديناميكي الحراري ، وسلوك الوسط المتصل ، والكميات المحفوظة، والترشيح ، والحساسية العالية للشروط الأولية ، وغيرها. وقد استُخدمت هذه البرامج كنماذج لحركة المرور ، وتصدع المواد، ونمو البلورات ، والنمو البيولوجي، والعديد من الظواهر الاجتماعية والجيولوجية والبيئية . ومن سمات البرامج البسيطة الأخرى، وفقًا للكتاب، أن زيادة تعقيدها لا يبدو أن لها تأثيرًا يُذكر على تعقيدها الإجمالي . ويجادل كتاب "نوع جديد من العلوم" بأن هذا دليل على أن البرامج البسيطة كافية لفهم جوهر أي نظام معقد تقريبًا .

يرى وولفرام أنه من الضروري، لدراسة القواعد البسيطة وسلوكها المعقد في كثير من الأحيان، استكشاف جميع هذه الأنظمة الحاسوبية بشكل منهجي وتوثيق وظائفها. ويضيف أن هذه الدراسة يجب أن تصبح فرعًا جديدًا من فروع العلم، كعلم الفيزياء أو الكيمياء . والهدف الأساسي لهذا المجال هو فهم وتوصيف عالم الحوسبة باستخدام الأساليب التجريبية.

يُتيح الفرع الجديد المقترح للاستكشاف العلمي أشكالًا عديدة من الإنتاج العلمي. فعلى سبيل المثال، غالبًا ما تكون التصنيفات النوعية نتاجًا لمحاولات أولية في عالم الحوسبة. ومن جهة أخرى، تُعدّ البراهين الصريحة التي تُثبت قدرة أنظمة معينة على حساب هذه الوظيفة أو تلك مقبولة أيضًا. كما أن بعض أشكال الإنتاج تُعتبر فريدة من نوعها في هذا المجال، كاكتشاف آليات حسابية تظهر في أنظمة مختلفة ولكن بأشكال متباينة بشكلٍ لافت.

يتضمن نوع آخر من الإنتاج إنشاء برامج لتحليل الأنظمة الحاسوبية. في إطار عمل NKS ، ينبغي أن تكون هذه البرامج بسيطة، وتخضع لنفس الأهداف والمنهجية. ومن هذا المنطلق، يُعتبر العقل البشري نظامًا حاسوبيًا بحد ذاته، ولذا فإن تزويده بالبيانات الأولية بأكثر الطرق فعالية أمر بالغ الأهمية للبحث. يعتقد وولفرام أنه ينبغي تصوير البرامج وتحليلها بشكل مباشر قدر الإمكان، وفحصها بدقة متناهية من قِبل الآلاف أو أكثر. ولأن هذا المجال الجديد يهتم بالقواعد المجردة، فإنه من حيث المبدأ يُمكنه معالجة قضايا ذات صلة بمجالات علمية أخرى. ولكن بشكل عام، تتمثل فكرة وولفرام في إمكانية اكتشاف أفكار وآليات جديدة في عالم الحوسبة، حيث يُمكن تمثيلها في أبسط صورها، ومن ثم يُمكن للمجالات الأخرى اختيار ما تراه مناسبًا من بين هذه الاكتشافات.

بينما يدعو وولفرام إلى اعتبار البرامج البسيطة فرعًا علميًا، فإنه يرى أيضًا أن منهجيتها ستُحدث ثورة في مجالات علمية أخرى. ويستند في حجته إلى أن دراسة البرامج البسيطة هي أبسط أشكال العلم، إذ ترتكز بالتساوي على كلٍ من التجريد والتجريب العملي. وقد صُممت جميع جوانب المنهجية التي يدعو إليها وولفرام لجعل التجريب مباشرًا وسهلًا وذا مغزى قدر الإمكان، مع تعظيم احتمالية أن تُسفر التجربة عن نتائج غير متوقعة. وكما تُتيح هذه المنهجية دراسة الآليات الحسابية في أبسط صورها، يرى وولفرام أن عملية القيام بذلك تتفاعل مع الأساس الرياضي للعالم الفيزيائي، وبالتالي تُقدم الكثير للعلوم.

يجادل وولفرام بأن الحقائق الحسابية للكون تجعل العلم صعبًا لأسباب جوهرية. لكنه يجادل أيضًا بأنه من خلال فهم أهمية هذه الحقائق، يمكننا تعلم كيفية استخدامها لصالحنا. على سبيل المثال، بدلًا من هندسة نظرياتنا عكسيًا من خلال الملاحظة، يمكننا حصر الأنظمة ثم محاولة مطابقتها مع السلوكيات التي نلاحظها. أحد المحاور الرئيسية لنظرية المعرفة الجديدة هو دراسة بنية فضاء الاحتمالات. يرى وولفرام أن العلم يعتمد بشكل مفرط على الارتجال، ويعود ذلك جزئيًا إلى أن النماذج المستخدمة معقدة للغاية ومنظمة بشكل غير ضروري حول العناصر الأساسية المحدودة للرياضيات التقليدية. يدعو وولفرام إلى استخدام نماذج يمكن حصر تنويعاتها وتكون نتائجها سهلة الحساب والتحليل.

يحتوي مشروع NKS على عدد من النتائج والأفكار المحددة، ويمكن تنظيمها في عدة محاور. أحد المحاور المشتركة للأمثلة والتطبيقات هو توضيح مدى بساطة التعقيد اللازم لتحقيق سلوك مثير للاهتمام، وكيف يمكن للمنهجية المناسبة اكتشاف هذا السلوك.

أولًا، هناك العديد من الحالات التي يُقدّم فيها NKS ما كان، أثناء تأليف الكتاب، أبسط نظام معروف في فئة معينة يتميز بخصائص محددة. من الأمثلة على ذلك أول دالة تكرارية بدائية تُؤدي إلى التعقيد، وأصغر آلة تورينغ شاملة ، وأقصر بديهية لحساب القضايا . وبالمثل، يُقدّم وولفرام أيضًا العديد من البرامج البسيطة التي تُظهر ظواهر مثل التحولات الطورية ، والكميات المحفوظة ، وسلوك الوسط المتصل، والديناميكا الحرارية ، وهي ظواهر مألوفة من العلوم التقليدية. تُشكّل النماذج الحسابية البسيطة للأنظمة الطبيعية، مثل نمو الأصداف ، واضطراب السوائل ، وترتيب الأوراق، فئة أخيرة من التطبيقات التي تندرج ضمن هذا الموضوع.

ومن المواضيع الشائعة الأخرى استخدام الحقائق المتعلقة بالكون الحسابي ككل، وتوظيفها في التفكير في مجالات أخرى بطريقة شاملة . فعلى سبيل المثال، يناقش وولفرام كيف تُثري الحقائق المتعلقة بالكون الحسابي نظرية التطور ، ومشروع البحث عن ذكاء خارج الأرض (SETI) ، وحرية الإرادة ، ونظرية التعقيد الحسابي ، ومجالات فلسفية مثل الأنطولوجيا ، ونظرية المعرفة ، وحتى ما بعد الحداثة .

يقترح وولفرام أن نظرية عدم قابلية الحساب للاختزال قد تفسر كيف يمكن أن توجد الإرادة الحرة في كون حتمي ظاهريًا . ويفترض أن العملية الحسابية في دماغ الكائن ذي الإرادة الحرة بالغة التعقيد لدرجة أنه لا يمكن اختزالها في عملية حسابية أبسط، وذلك بسبب مبدأ عدم قابلية الحساب للاختزال. وبالتالي، فبينما تكون العملية حتمية بالفعل، لا توجد طريقة أفضل لتحديد إرادة الكائن من إجراء التجربة والسماح له بممارستها.

يحتوي الكتاب أيضًا على عدد من النتائج - التجريبية والتحليلية على حد سواء - حول ما تحسبه آلة معينة، أو ما هي خصائصها، باستخدام بعض أساليب التحليل.

يحتوي الكتاب على نتيجة تقنية جديدة في وصف اكتمال تورينج للأتمتة الخلوية للقاعدة 110. يمكن لآلات تورينج صغيرة جدًا محاكاة القاعدة 110، وهو ما أثبته وولفرام باستخدام آلة تورينج عالمية ذات حالتين وخمسة رموز . يفترض وولفرام أن آلة تورينج معينة ذات حالتين وثلاثة رموز هي آلة عالمية. في عام 2007، وكجزء من الاحتفال بالذكرى السنوية الخامسة للكتاب، قدمت شركة وولفرام جائزة قدرها 25000 دولار أمريكي لإثبات أن آلة تورينج هذه عالمية. ^{[ 3 ]} فاز أليكس سميث، طالب علوم الحاسوب من برمنغهام ، المملكة المتحدة، بالجائزة في وقت لاحق من ذلك العام بإثباته لفرضية وولفرام. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

من مبادئ نظرية المعرفة الجديدة (NKS) أن النظام كلما كان أبسط، زادت احتمالية تكرار نسخة منه في سياقات أكثر تعقيدًا. لذا، تجادل هذه النظرية بأن الاستكشاف المنهجي لمجال البرامج البسيطة سيؤدي إلى قاعدة معرفية قابلة لإعادة الاستخدام. لكن يعتقد كثير من العلماء أن بعض المعاملات الممكنة فقط هي الموجودة فعليًا في الكون. فعلى سبيل المثال، من بين جميع التباديل الممكنة للرموز المكونة لمعادلة، سيكون معظمها بلا معنى. كما وُجهت انتقادات لنظرية المعرفة الجديدة (NKS) لتأكيدها أن سلوك الأنظمة البسيطة يمثل بطريقة ما جميع الأنظمة.

من الانتقادات الشائعة الموجهة إلى برنامج NKS أنه لا يتبع المنهجية العلمية المعتمدة . فعلى سبيل المثال، لا يضع البرنامج تعريفات رياضية دقيقة ، ^{[ 15 ]} ولا يسعى إلى إثبات النظريات ؛ كما أن معظم الصيغ والمعادلات مكتوبة بلغة Mathematica بدلاً من الترميز القياسي. ^{[ 16 ]} وفي هذا السياق، وُجهت انتقادات أخرى لبرنامج NKS لاعتماده الكبير على العناصر البصرية، حيث تُنقل الكثير من المعلومات عبر صور تفتقر إلى المعنى الرسمي. ^{[ 12 ]} كما وُجهت إليه انتقادات لعدم استخدامه الأبحاث الحديثة في مجال التعقيد ، ولا سيما الدراسات التي تتناول التعقيد من منظور رياضي دقيق. ووُجهت إليه انتقادات أيضاً لتشويهه لنظرية الفوضى .

تعرض برنامج NKS لانتقادات لعدم تقديمه نتائج محددة قابلة للتطبيق الفوري على البحوث العلمية الجارية. ^{[ 12 ]} كما وُجهت انتقادات، ضمنية وصريحة، مفادها أن دراسة البرامج البسيطة لا ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالكون المادي، وبالتالي فإن قيمتها محدودة. وقد أشار ستيفن واينبرغ إلى أنه لم يتم تفسير أي نظام واقعي تفسيرًا مُرضيًا باستخدام أساليب وولفرام. ^{[ 17 ]} وكتب عالم الرياضيات ستيفن ج. كرانز : "لمجرد أن وولفرام قادر على ابتكار نموذج خلوي آلي يبدو أنه يُنتج نمط البقع على النمر، فهل يُمكننا أن نستنتج بثقة أنه يفهم الآلية التي تُنتج بها هذه البقع على النمر، أو سبب وجودها، أو الوظيفة التي تؤديها (تطورية أو تزاوجية أو تمويهية أو غيرها)؟" ^{[ 18 ]}

تعرض مبدأ التكافؤ الحسابي لانتقادات لكونه غامضًا، وغير رياضي، ولا يقدم تنبؤات قابلة للتحقق المباشر. [ 16 ^{] كما وُجهت} إليه انتقادات لمخالفته روح البحث في المنطق الرياضي ونظرية التعقيد الحسابي، اللذين يسعيان إلى التمييز الدقيق بين مستويات التعقيد الحسابي، ولخلطه الخاطئ بين أنواع مختلفة من خاصية الشمولية. ^{[ 16 ]} علاوة على ذلك، جادل نقاد مثل راي كورزويل بأنه يتجاهل التمييز بين العتاد والبرمجيات؛ فبينما قد يكون جهازان حاسوب متكافئين في القدرة، لا يعني ذلك بالضرورة أن أي برنامجين قد يُشغّلان عليهما متكافئان أيضًا. ^{[ 19 ]} ويرى آخرون أنه ليس أكثر من إعادة تسمية لأطروحة تشرش-تورينغ .

تعرضت تكهنات وولفرام بشأن التوجه نحو نظرية أساسية للفيزياء لانتقادات باعتبارها غامضة وقديمة. كما يزعم سكوت آرونسون ، أستاذ علوم الحاسوب في جامعة تكساس في أوستن، أن أساليب وولفرام لا يمكن أن تتوافق مع كل من النسبية الخاصة وانتهاكات نظرية بيل ، وبالتالي لا يمكنها تفسير النتائج المرصودة لاختبارات بيل . ^{[ 20 ]}

كان إدوارد فريدكين وكونراد تسوز رائدين في فكرة الكون القابل للحوسبة ، حيث كتب الأول سطرًا في كتابه حول كيف يمكن أن يكون العالم أشبه بآلة خلوية، ثم طوره فريدكين لاحقًا باستخدام نموذج مبسط يُسمى "سولت". ^{[ 21 ]} يُزعم أن شركة NKS تحاول نسب هذه الأفكار لنفسها، لكن نموذج وولفرام للكون هو شبكة إعادة كتابة، وليس آلة خلوية، كما أشار وولفرام نفسه إلى أن الآلة الخلوية لا يمكنها تفسير الخصائص النسبية مثل غياب إطار زمني مطلق. ^{[ 22 ]} كما اتهم يورغن شميدهوبر بسرقة عمله في الفيزياء القابلة للحوسبة بواسطة آلة تورينغ دون الإشارة إليه، وتحديدًا فكرته حول تعداد الأكوان الممكنة القابلة للحوسبة بواسطة تورينغ. ^{[ 23 ]}

في مراجعةٍ لكتاب "الطبيعة الجديدة " (NKS) عام ٢٠٠٢، كتب ستيفن واينبرغ، الحائز على جائزة نوبل وعالم فيزياء الجسيمات الأولية : "وولفرام نفسه عالم فيزياء جسيمات أولية سابق، وأظن أنه لا يستطيع مقاومة محاولة تطبيق خبرته في برامج الحاسوب الرقمية على قوانين الطبيعة. وقد قاده هذا إلى وجهة نظر (نُوقشت أيضًا في ورقة بحثية لريتشارد فاينمان عام ١٩٨١) مفادها أن الطبيعة منفصلة وليست متصلة. ويقترح أن الفضاء يتكون من مجموعة من النقاط المعزولة، مثل الخلايا في الأوتوماتون الخلوي، وأن الزمن نفسه يتدفق في خطوات منفصلة. وتبعًا لفكرة إدوارد فريدكين، يستنتج أن الكون نفسه سيكون أوتوماتونًا، مثل حاسوب عملاق. هذا ممكن، لكنني لا أرى أي دافع لهذه التكهنات، باستثناء أن هذا هو نوع النظام الذي اعتاد عليه وولفرام وغيره في عملهم على الحواسيب. كذلك قد يفترض نجار، وهو ينظر إلى القمر، أنه مصنوع من الخشب." ^{[ ٢٤ ]}

أدى ادعاء وولفرام بأن الانتقاء الطبيعي ليس السبب الأساسي للتعقيد في علم الأحياء إلى قول الصحفي كريس لافرز إن وولفرام لا يفهم نظرية التطور . ^{[ 25 ]}

تعرضت شركة NKS لانتقادات لكونها غير أصلية أو مهمة بما يكفي لتبرير عنوانها ومزاعمها.

تعرضت الطريقة الرسمية التي يعرض بها NKS عددًا كبيرًا من الأمثلة والحجج لانتقادات، إذ يُعتقد أنها توحي للقارئ بأن كلًا منها من ابتكار وولفرام؛ وعلى وجه الخصوص، فإن إحدى أهم النتائج التقنية الجديدة الواردة في الكتاب، وهي أن الأوتومات الخلوية من القاعدة 110 كاملة تورينج ، لم يثبتها وولفرام. وينسب وولفرام الفضل في هذا الإثبات إلى مساعده البحثي ماثيو كوك . ^{[ 26 ]}