Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Мы увидим, что основы виртуального человека восходят к 1950 г., когда компьютер был впервые использован для оживления новаторской теории английских биофизиков Алана Ходжкина и Эндрю Хаксли, с которыми мы столкнулись в предыдущей главе. Следствием стало то, что, хотя Ходжкин и Хаксли разработали модель, которая сегодня рассматривается как центральная основа нейробиологии, их работа также ознаменовала рождение вычислительной нейробиологии. К тому времени другие ученые начали моделировать мир снизу вверх. Сегодня эта попытка смоделировать «дрожь и колебания» атомов молекул, включая молекулы жизни, называется молекулярной динамикой. Этот термин также используется для описания того, как молекулы взаимодействуют друг с другом.

Область молекулярной динамики, наряду со всеми аспектами моделирования, основана на многих достижениях в области компьютерного программного и аппаратного обеспечения, а также на ряде технологий и идей, уходящих корнями в далекое прошлое. По причинам, которые станут очевидными в девятой главе, даже первые примитивные вычислительные машины имеют отношение к развитию виртуального человека.

Рисунок 16. Фрагмент антикитерского механизма (Национальный археологический музей, Афины, № 15987; Wikimedia Commons, cc BY-SA 3.0)

Антикитерский механизм

Одним из самых ранних и прекраснейших примеров компьютера является поразительный древнегреческий антикитерский механизм – созданная две тысячи лет назад аналоговая машина, которая могла имитировать движения небес[133]. Механизм с ручным приводом использовал указатели, чтобы воспроизвести движения пяти планет, которые древние греки могли видеть невооруженным глазом (а также рассчитывал другие явления, такие как затмения)[134]. Этот механизм представляет собой самый ранний известный пример машины для предсказания будущего.

Этот аналоговый компьютер – если хотите, древнегреческий суперкомпьютер – был продуктом первой великой научной революции эллинистической цивилизации, примерно с 330 по 30 г. до н. э. Используя антикитерский механизм, древние греки могли представить разработанные ими теории о движении планет. К XIX в. английский эрудит Чарльз Бэббидж (1791–1871) механизировал вычисления с помощью своей разностной машины, в которой зубчатые колеса переносили цифры для решения сложных задач (рис. 17). Для виртуального человека нам нужна машина, которая сможет одновременно представлять теории о том, как работает человеческое тело, и обрабатывать колоссальные объемы данных.

Наука моделирования – третий ингредиент виртуального человека – всерьез зародилась во время проекта «Манхэттен» по созданию первого ядерного оружия, одного из самых важных и противоречивых исследований XX в. Среди множества проблем, которые предстояло решить, была работа над математическими расчетами взрывных ударных волн, выраженными в форме уравнений в частных производных, включая уравнения динамики жидкости Навье – Стокса, с которыми мы столкнулись ранее. Задача заключалась в том, чтобы выяснить, как сфокусировать ударные волны с помощью «линз», чтобы сжать расщепляющийся материал до критической массы, когда вышедшая из-под контроля цепная реакция высвобождает колоссальное количество разрушительной энергии.

Проект «Манхэттен» изначально опирался на калькуляторы и компьютеры, которые, как и антикитерский механизм, являются аналоговыми, то есть используют для выполнения вычислений измеримые физические объекты, такие как расстояние или напряжение. Еще одним примером являются логарифмы, а также калькуляторы с ручным управлением. Однако прохождение фугасной ударной волны внутри ядерной боеголовки потребовало огромного количества вычислений, поскольку зависело от более сложных уравнений в частных производных. Каждый расчет приходилось проверять и перепроверять.

Должен был быть менее трудоемкий способ решения всех этих уравнений, и именно выдающийся и влиятельный венгерский математик Джон фон Нейман (1903–1957) познакомил оружейников с одним из первых электронных цифровых компьютеров, ЭНИАК (электронный числовой интегратор и вычислитель), заработавшим в 1945 г. в Пенсильванском университете. Вскоре последовали относительно мощные перфокарточные машины IBM[135].

При изучении возможности создания двухступенчатого термоядерного оружия, в котором атомная бомба деления используется для запуска водородной термоядерной бомбы, динамика жидкости стала чрезвычайно сложной. Математическое моделирование, от нагрева термоядерного оружия до гидродинамики его взрывного расцвета, известного как «Суперпроблема», сыграло центральную роль в разработке первой в мире водородной бомбы «Айви Майк», которая в 1952 г. была взорвана на атолле Эниветок Маршалловых островов Тихого океана.

Рисунок 17. Разностная машина Бэббиджа № 1 (фото Карстена Ульриха; Wikimedia Commons, cc BY-SA 2.5)