science >> Wetenschap >  >> Natuur

Hoe de Living Earth Simulator werkt

Wat als er een proefkonijn op aarde was om onze aannames te testen? Maciej Frolow/Photodisc/Getty Images

De koningen van weleer kenden het gewicht van hun beslissingen. Ze wisten dat elke keuze die ze maakten rimpelingen door het koninkrijk veroorzaakte en dat een enkel slecht getimed decreet een reeks onstuitbare, trapsgewijze gebeurtenissen zou kunnen veroorzaken. Eén keuze zou een blijvende vrede kunnen garanderen, terwijl een dozijn andere zou kunnen leiden tot hun eigen omvergeworpen troon.

En dus wendden deze koningen zich tot voortekenen en tovenaars -- mensen die een speciale kennis van toekomstige gebeurtenissen claimden.

'Kijk naar morgen en adviseer me over vandaag', zou een koning kunnen bevelen. "Onthul me de effecten van mijn beslissingen, zodat ik de komende dagen, maanden en jaren veilig kan navigeren."

Maar natuurlijk hadden de adviseurs van de koning, ondanks al hun tovenarij en gebeden, geen echt inzicht in toekomstige gebeurtenissen. In het beste geval begrepen ze alleen maar de eb en vloed van de politiek of de publieke opinie. In het slechtste geval waren het charlatans.

Was er maar een manier om een ​​beslissing te testen op een afzonderlijke, identieke wereld - een complex model van de werkelijkheid waarin zelfs de meest catastrofale keuzes zich afspeelden in louter simulatie. Een leider zou kunnen spelen met een nieuwe wet of economisch beleid in de veilige isolatie van een gesimuleerde realiteit voordat hij deze daadwerkelijk aan de burgers voorstelt. Bedrijven konden de publieke belangstelling voor een nieuw product peilen. Ontwerpers konden de modetrends van het komende seizoen feilloos voorspellen.

Niet langer het domein van ingebeelde fantasie, dergelijke simulaties zijn nu binnen ons bereik dankzij moderne datamining en computertechnologie. Sterker nog, het internationale team van wetenschappers met de Future Information and Communication Technologies (ToekomstigeICT ) Project is van plan het te bouwen.

Ze noemen het de Living Earth Simulator en, zoals we in dit artikel zullen bespreken, streeft FutureICT ernaar om elk aspect van de wereld om je heen te simuleren, van Wall Street en de Parijse catwalks tot bloeiende jungle-ecosystemen en de donkerste oceaandiepten.

Inhoud
  1. Een wereld van simulatie
  2. Waarzeggerij over big data
  3. Het FutureICT-project:Knowledge Collider
  4. Het FutureICT-project:wat er voor nodig is
  5. Orde uit chaos

Een wereld van simulatie

Een simulatie van de sterren, dankzij Sir Francis Drake's 16e-eeuwse astrolabium RDImages/Epics/Getty Afbeeldingen

Simulaties stellen ons in staat om het ene systeem of proces te testen en te ervaren door de werking van een ander. Een vluchtsimulator van de Amerikaanse luchtmacht stelt beginnende jachtpiloten in staat een F-22 Raptor te testen zonder zichzelf of een vliegtuig van $ 200 miljoen in gevaar te brengen. Evenzo staat een Resusci Anne reanimatie-oefendummy in voor een niet-reagerend slachtoffer zonder een mensenleven te riskeren.

Mensen hebben zich sinds mensenheugenis tot modellen en simulaties gewend. Modellen van zowel mensen als dieren duiken vaak op op prehistorische locaties, en de oude Egyptenaren, Grieken en Romeinen bouwden allemaal modellen van hun voertuigen en gebouwen. Naast ceremonieel gebruik, dienden deze miniaturen als hulpmiddelen voor lesgeven en plannen - net zoals de modellen die we tegenwoordig gebruiken.

Mensen ontwikkelden ook de middelen om meer te kopiëren dan alleen fysieke vormen. Ze leerden systemen te simuleren. Het oude astrolabium, bijvoorbeeld, diende meer dan 2000 jaar als een onmisbaar astronomisch hulpmiddel en is een werkend model van de nachtelijke hemel en de positie van de sterren. De gebruiker maakte kolossale, interstellaire bewegingen terwijl hij het apparaat in de palm van zijn of haar hand hield en manipuleerde de gegevens om tijd, locatie en afstanden te meten.

Het astrolabium was in wezen een analoge computer, een pre-digitaal apparaat dat elektrische, hydraulische of mechanische systemen incorporeerde om een ​​ander systeem te simuleren. De Monetary National Income Analogue Computer (MONIAC) is een ander klassiek voorbeeld van analoog computergebruik. De MONIAC, gebouwd in 1949 door ingenieur en econoom Bill Phillips, gebruikte de stroom van gekleurd water door leidingen, afvoeren en pompen om de Britse economie te simuleren.

Digitale computers hebben echter alles veranderd. Denk maar aan meteorologie, de wetenschappelijke studie van atmosfeer en weer. Dankzij computerontwikkelingen konden meteorologen verder gaan dan louter op observatie gebaseerde voorspellingen en numerieke weersvoorspellingsmodellen (NWP) implementeren, waarin computers historische en huidige atmosferische gegevens gebruiken om voorspellende modellen van toekomstig weer te construeren.

De wetenschap van weersvoorspelling is verre van perfect, maar betere vergelijkingen, krachtigere computers en een steeds groter wordende reeks atmosferische datasets blijven de nauwkeurigheid van onze simulaties verbeteren.

Maar kunnen we de wereld zelf echt simuleren? Om daar achter te komen, moeten we de wateren van big data bereizen.

Waarzeggerij over big data

Onze reflectie in de plassen Michael Nagle/Getty Images

Simulaties voeden zich met externe gegevens. In het geval van weersimulaties vereisen de computermodellen een uitgebreid dieet van zowel vroegere als huidige atmosferische metingen - alles van de temperatuur in Aberdeen, Schotland, tot de huidige afstand van de aarde tot de zon. Het komt allemaal samen om een ​​completer beeld te vormen van het weer in de wereld.

Mensen hebben enorme verzamelingen gegevens verzameld over een reeks onderwerpen, maar in de meeste gevallen staan ​​deze gegevenssets los van elkaar. Stel je menselijke kennis voor als een uitgestrekt veld bezaaid met plassen. Elke plas vertegenwoordigt een verzameling gegevens:economische gegevens hier, politieke gegevens daar - allemaal gescheiden van de andere plassen.

Maar de regen blijft vallen en de plassen gegevens blijven opzwellen, met een snelheid van 2,5 triljoen bytes per dag [bron:IBM]. (Om je een idee te geven van hoe gek dat aantal is, hebben sommige mensen conservatief geschat dat alle woorden die ooit door mensen zijn gesproken gelijk zijn aan 5 triljoen bytes aan gegevens.)

Al die nieuwe gegevens zijn afkomstig van klimaatsensoren, sociale media-hubs, websites voor digitale media, online transactiegegevens, GPS-signalen van mobiele telefoons en talloze andere bronnen. De informatie over de wereld stroomt exponentieel binnen. Volgens IBM is 90 procent van de gegevens in de wereld van vandaag alleen al in de afgelopen twee jaar gecreëerd.

Dus de regen valt. De datapools zwellen op en verspreiden zich, overlappen en versmelten totdat er geen pools meer zijn -- alleen de enorme zee aan informatie die we big data noemen.

Voor een beter begrip van de waarde van big data , beschouw het in termen van drie v's:variëteit, snelheid en volume. Het omvat gegevens van alle variëteiten, wordt in realtime gegenereerd en verzamelt zich in volumes die tot de verbeelding spreken - tot petabytes. Dat is een miljoen gigabyte, voldoende ruimte om een ​​mp3-bestand van 32 jaar te bewaren [bron:BBC].

Kunnen we echt een simulatie van de wereld bouwen op basis van deze groeiende schat aan gegevens? De mannen en vrouwen achter het FutureICT-project geloven dat we het kunnen - en dat allemaal voor slechts 1 miljard euro ($ 1,3 miljard).

Het FutureICT-project:Knowledge Collider

Het stadsverkeer dient als een eenvoudig model voor de complexiteit van de menselijke samenleving. Michael Rosenfeld/Photographer's Choice/Getty Images

Dus hier zijn we, tot aan onze nek in een zee van big data met een duizelingwekkend onvermogen om het grote geheel te zien dat het illustreert. Gelukkig voor ons hebben verschillende grote technologiespelers al hun claim op de big data-grens gezet.

NASA en multinationale netwerkgigant Cisco Systems ontwikkelen een Planetary Skin . van $ 100 miljoen , onafhankelijk van het FutureICT-project. Met dit geïntegreerde systeem van lucht-, zee-, grond- en ruimtesensoren kan het ruimteagentschap wereldwijde milieugegevens vastleggen, analyseren en interpreteren voor een completer, realtime beeld van planeet Aarde.

Maar zelfs de Planetaire Huid is slechts een fractie van wat de FutureICT-teams hopen te bereiken. Het project is het geesteskind van Dirk Helbing, een socioloog, wiskundige en natuurkundige die gespecialiseerd is in modellering en simulatie aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich.

Het vroege werk van Helbing in de jaren negentig was gericht op stadsverkeer, met name hoe de opeenvolgende kleine verkeersgebeurtenissen die uiteindelijk tot grootschalige congestie zouden leiden, konden worden voorkomen. Tegenwoordig zijn de verweven wegen die hij in kaart wil brengen die van de samenleving, technologie, economie en milieu - waar de inzet varieert van een financiële crisis en politieke onrust tot een nucleaire oorlog.

De in Duitsland geboren modelbouwer vergelijkt de doelstellingen van het project met die van de Large Hadron Collider van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, en gaat zelfs zo ver dat hij FutureICT beschrijft als een 'kennisversneller'. Op dezelfde manier waarop natuurkundigen van de beroemde deeltjesversneller proberen fundamentele vragen over massa en materie te beantwoorden, hoopt FutureICT de onderliggende sociologische en psychologische wetten te onthullen die ten grondslag liggen aan de menselijke beschaving.

Er is tenslotte geen grootse theorie over hoe de samenleving werkt. Denk maar eens terug aan de analogie met plassen:ons eerdere gebrek aan gegevens maakte het de sociale wetenschappen onmogelijk om een ​​systematische wetenschap van de menselijke samenleving te ontwikkelen - laat staan ​​gelijke tred te houden met globalisering en technologische veranderingen.

Naast een toezegging van 1 miljard euro ($ 1,3 miljard) van de Europese Unie, heeft FutureICT ook de medewerking verworven van tientallen academische instellingen, onderzoeksorganisaties, supercomputercentra, bedrijven, industrieën en overheidsinstanties. Het team heeft een 10-jarige koers uitgestippeld om opnieuw uit te vinden hoe wereldwijde informatie- en communicatietechnologieën werken.

Op de volgende pagina bekijken we de belangrijkste componenten waaruit het plan bestaat.

Het FutureICT-project:wat er voor nodig is

Zal de Living Earth Simulator je privacy schenden? FutureICT beweert dat de uitgestrektheid van het project alle persoonlijke informatie zal verwijderen. Het gaat er niet om waar je gisteravond hebt gegeten, maar eerder waar bepaalde demografieën ervoor kozen om te dineren. Mario Tama/Getty Images

Het FutureICT-project valt uiteen in drie kerncomponenten. Ten eerste is er het Planetaire Zenuwstelsel , een uitgebreid netwerk van sensoren die sociaal-economische, ecologische en technologische systemen bewaken. De sensoren variëren van de slimme elektriciteitsmeters in uw huis tot het industriële gemiddelde van Dow Jones tot sonarbakens op de zeebodem en weerstations op de bergtop. FutureICT werkt zelfs samen met MIT's Media Lab om door smartphones gegenereerde data op te nemen.

Veel van de componenten voor het planetaire zenuwstelsel bestaan ​​al - de uitdaging is om ze samen te brengen op een groter informatieplatform.

Het volgende onderdeel is de Living Earth Simulator zelf, een metamodel van de wereld en de menselijke samenleving, gebaseerd op informatie en analyse van het planetaire zenuwstelsel. Zie het echter niet als een virtuele wereld a la "The Matrix". Zie het in termen van een weersvoorspelling die veel meer modelleert dan alleen atmosfeer.

Het uiteindelijke idee is dat we met de Living Earth Simulator simulaties kunnen uitvoeren die toekomstige gebeurtenissen projecteren op basis van specifieke vragen. De simulator zou bijvoorbeeld geen antwoord geven op de vraag:"Wat gebeurt er op 1 april 2060?" meer dan dat het zal antwoorden "Wat zal ik eten als ontbijt op 1 april 2020?" De eerste vraag is te breed en de tweede te klein. In plaats daarvan zou de enorme modelleringstool regeringen, organisaties of zelfs individuen in staat stellen om de parameters en variabelen te gebruiken die nodig zijn om vragen te onderzoeken als:"Hoe zal een Iraans olie-embargo van vandaag de euro morgen beïnvloeden?"

De simulator zal ook bogen op een open source-component die ongeveer hetzelfde werkt als de iTunes App Store. Deze Wereld van modellenwerk zal verschillende wetenschappers en ontwikkelaars in staat stellen hun eigen deskundige modelleringscomponenten te uploaden die hoeken van de wereld in kaart brengen. Stel je een door experts gegenereerde Wikipedia . voor waarin het doel niet louter een verklaring van de wereld is, maar een simulatie van onderling verbonden systemen.

Ten slotte bevat het FutureICT-project een Global Participatory Platform , dat zal dienen als een open raamwerk voor burgers, bedrijven en organisaties om gegevens en simulaties, mogelijk gemaakt door de Living Earth Simulator, te delen en te verkennen. Dit aspect van het project omvat alles, van open debatten over simulatorprojecties tot smartphone-apps die de gegevens exploiteren.

Zal het werken? Is dit echt de grote wetenschappelijke toekomst van big data? Op de volgende pagina worden we chaotisch -- en voorspelbaar.

Bestel uit chaos

Zwarte zwanen werden vóór hun ontdekking in de late jaren 1600 door westerse geesten algemeen beschouwd als een wetenschappelijke onmogelijkheid. Dean Mouhtaropoulos/Getty Images voor Red Bull Air Race

Even terug naar de wereld van de weersvoorspellingen, maar ook naar de wereld van vlinders en orkanen. Je hebt vast wel eens gehoord van chaostheorie , het wiskundige veld dat zich bezighoudt met het schijnbaar ongeorganiseerde gedrag van zeer dynamische systemen. De term vindt zijn oorsprong in 1961 met meteoroloog Edward N. Lorenz en zijn fascinatie voor hoe de kleinste atmosferische variabelen kunnen resulteren in drastisch verschillende weermodellen. Ja, het is het vlindereffect , het idee dat een insect in Brazilië met zijn vleugels kan klappen en een tornado in Texas kan veroorzaken.

Vanwege de vele variabelen is een dynamisch systeem zoals de atmosfeer van de aarde moeilijk te voorspellen - en de Living Earth Simulator heeft tot doel de resultaten te voorspellen in dynamische systemen die zijn samengesteld uit verweven dynamische systemen. Hoe hopen we het hoofd boven water te houden in zo'n oceaan van chaos? Bedenk bovendien dat de gesimuleerde aarde er een zou zijn met toegang tot een Living Earth Simulator:een simulatie van de wereld die toegang heeft tot een simulatie van de wereld. Kan zelfs een supercomputer voorspelbare patronen vinden te midden van zo'n complexiteit?

Andere critici richten zich op ons vermogen om vrijwel alles te voorspellen. Nassim Nicholas Taleb's Zwarte Zwaan Theorie ontleent zijn naam aan het feit dat vóór de ontdekking van Australië, wetenschappelijke observatie suggereerde dat alle zwanen wit waren. Er was niet meer zoiets als een zwarte zwaan, er was een groene of paarse. Toen ontdekten Europese ontdekkingsreizigers een zwarte zwaan Down Under -- een gebeurtenis die zowel onvoorspelbaar als uitzonderlijk was.

De zwarte zwaan was een uitbijter , die buiten het bereik van redelijke verwachting bestaan. Maar de menselijke geest is afhankelijk van patroonherkenning, dus, schrijft Taleb in zijn Black Swan-boek, wij mensen bedenken verklaringen voor het optreden van een uitbijter nadat we het tegenkomen, waardoor het verklaarbaar en voorspelbaar wordt.

Uitschieters zijn door hun aard onvoorspelbaar en, volgens Taleb, impliceert dit het onvermogen om de loop van de geschiedenis te voorspellen, gezien het grote aantal uitschieters zoals de marktcrash van 1987, de ondergang van het Sovjetblok en de terroristische aanslagen van 11 september hebben de vorm van menselijke gebeurtenissen drastisch beïnvloed.

Een andere kritiek komt niet voort uit de wetenschap van voorspelbaarheid, maar uit de koppige en irrationele aard van mensen. Neem even aan dat een kliek van supercomputers op een dag al onze big data zal kraken en ons zal adviseren welke keuze in een bepaalde beslissing ons van een grote catastrofe zal afhouden. Zullen we naar de machines luisteren?

De statisticus Victoria Stodden van Columbia University stelt dat we dat misschien niet doen, vooral als we de kolossale berekeningen die bij de computerbeslissing zijn betrokken, niet kunnen begrijpen [bron:Weinberger]. Stodden wijst op de waarschuwingen van wetenschappers over de gevaren van klimaatverandering -- en hoe vaak deze op simulatie gebaseerde waarschuwingen niet worden opgevolgd.

Dirk Helbing en FutureICT blijven er echter van overtuigd dat de Living Earth Simulator het vermogen van de mensheid om duurzaam om te gaan met de uitdagingen van een dynamisch veranderende wereld enorm zal verbeteren. De modellen zullen niet perfect zijn, zullen geen glimp opvangen van de verre toekomst of de details van het dagelijks leven. Maar volgens Helbing zullen ze ons meer inzicht geven in het aantal systemen waaruit de menselijke samenleving bestaat.

Bekijk de links op de volgende pagina om nog meer te ontdekken over de toekomst van technologische innovatie.

Veel meer informatie

Verwante artikelen

  • Hoe meteorologie werkt
  • Hoe de toekomstige misdaaddatabase zal werken
  • Hoe zal de aarde er over 500 jaar uitzien?
  • Hoe zal de aarde er over 5000 jaar uitzien?
  • Hoe zal de aarde er over 50.000 jaar uitzien?
  • Kan een computer namaken wat u ziet?
  • Wat is de toekomst van communicatie?
  • Waarom kunnen wetenschappers het weer niet nauwkeurig voorspellen?

Meer geweldige links

  • ToekomstigeICT
  • Het Planetaire Huidproject

Bronnen

  • Bakker, R. Scott. "Outing the It die denkt:de ineenstorting van een intellectueel ecosysteem." Three-Pound Brain.(Jan. 13, 2012) http://rsbakker.wordpress.com/essay-archive/outing-the-it-that-thinks-the-collapse-of-an-intellectual-ecosystem/
  • Burnham, Michael. "NASA-Cisco climate project to flash 'Planetary Skin.'" The New York Times. March 3, 2009. (Jan. 13, 2012) http://www.nytimes.com/gwire/2009/03/03/03greenwire-nasacisco-project-to-flash-planetary-skin-9959.html
  • Daily, Larry Z. "The Relationship of Hobbies and Personality." Shepherd University. (Jan. 13, 2012) http://webpages.shepherd.edu/LDAILY/pilot.html
  • FutureICT. Web site. 2011. (Jan. 13, 2012) http://www.futurict.eu/
  • Hsu, Jeremy. "Europe's Living Earth Simulator Could Forecast the Future." Popular Science. April 30, 2010. (Jan. 13, 2012) http://www.popsci.com/technology/article/2010-04/modeler-aims-living-earth-simulator-could-forecast-future
  • IBM. "Bringing big data to the enterprise:What is BIG DATA?" (Jan. 13, 2012) http://www-01.ibm.com/software/data/bigdata/
  • Morgan, Gareth. "Earth project aims to 'simulate everything.'" BBC News. Dec. 27, 2010. (Jan. 13, 2012) http://www.bbc.co.uk/news/technology-12012082
  • Taleb, Nassim Nicholas."'The Black Swan:The Impact of the Highly Improbable." The New York Times. April 22, 2007. (Jan. 13, 2011) http://www.nytimes.com/2007/04/22/books/chapters/0422-1st-tale.html?pagewanted=all
  • Weinberger, David. "The Machine That Would Predict the Future." Scientific American. December 2011.