Celý svět v počítači díky simulacím

Programy mají moc zachránit životy hned tisíců lidí současně, nebo prostě jen zlepšit prosperitu firmy. Zdá se vám to jako sci-fi? Potom jste určitě neslyšeli o počítačových simulacích.

Slovníček
Biomorph – metoda modelování biologické evoluce, v jejímž rámci lze z jednoduchých prvků a sady operací značně rychle poskládat složité útvary.

Dark Matter – jedna z největších záhad současné astrofyziky. Jedná se o skrytou hmotu, jejíž existenci sice dokazují mnohé výpočty, ale sama o sobě není prakticky pozorovatelná. Podle mnoha názorů však tvoří společně se skrytou energií zhruba 96 % vesmíru.

Gen – dlouhé vlákno DNA. Geny jsou obsaženy v každé buňce našeho těla a nesou informace o jednotlivých vlastnostech a funkcích organismu. Rozmnožováním se předávají z generace na generaci.

Lamarckismus – teorie zabývající se vedle darwinismu adaptací organismů, rovněž pojmenovaná podle svého objevitele. V souladu s Lamarckem organismy úmyslně získávají přímo adaptivní vlastnosti a tyto předávají svým potomkům přímo, bez selekce nadbytečného potomstva. Dnes se již považuje spíše za zastaralou.

Mutace – změna genetického materiálu, která vzniká spontánně, nebo je uměle vyvolána (např. zářením).

Supernova – velmi hmotná hvězda, v jejímž nitru narůstá železné jádro až do kritické velikosti (Chandrasekharova mez). Poté nitro hvězdy vlivem gravitace zkolabuje do minimálního objemu, což doprovází uvolnění obrovské energie, převážně ve formě neutrin.

Tsunami – japonské slovo značící přílivovou vlnu. Většinou je způsobena podmořským zemětřesením, ale i sopečnou erupcí, či sesuvem půdy.

Největší síla simulací tkví především v tom, že zvládnou i takový experiment, jehož provedení v reálu by bylo značně komplikované, ať už z ekonomických či jiných důvodů. Další jasnou výhodou je taktéž neomylnost (nebrat prosím v absolutním smyslu slova) strojů. Chceme-li převést mentální model do počítačové formy, pak je nejprve zapotřebí z něj odstranit všechny nedostatky tak, aby neodporoval logice – tím zaručíme, že simulace chování systému proběhne správně a výsledky budou vzhledem k lidské nedokonalosti mnohem přesnější, než kdybychom problém řešili mentálním způsobem. Ten v tomto případě tvoří pouze jakýsi vstup, na jehož základě dosáhneme rychlejších a správnějších výsledků. Uplatňuje se zde ovšem i zpětná vazba, kdy získané údaje dodatečně ovlivňují a rozšiřují naše myšlenky, čímž vzniká kvalitnější základ pro případnou další simulaci.

Další důvody pro využívání simulace jsou ty, že nám umožňuje studium daného systému i ve zrychleném či zpomaleném čase, nabízí komplexnější pohled a prověřuje postupně různé varianty řešení. Pravděpodobně jste již pochopili, že v následujících odstavcích nebude řeč o žádných simulacích zaměřených primárně na výuku jakékoli činnosti typu řízení automobilu, či letadla. I ty samozřejmě mají své opodstatnění a velké klady. Piloti si na počítačem řízených trenažérech mohou procvičit desítky krizových situací, „nalétat“ stovky hodin a všechny takto nabyté zkušenosti později dobře zúročit ve skutečnosti. Americká armáda si dokonce nechala vytvořit speciální herní software, jenž používá při výcviku pěchoty atp.

Jaké počasí bude zítra?

Spousta z nás si nedokáže představit všední den bez toho, že alespoň jednou nevyslechli předpověď počasí pro nejbližší dny. Naučili jsme se již jaksi automaticky spoléhat na správnost předkládaných informací a na jejich základě často i plánovat budoucí aktivity. Dozvíme-li se, že tento víkend očekáváme po celém území ČR prudký déšť a bouře, nejspíš pro jistotu přesuneme chystaný výlet na týden příští.

K získávání meteorologických informací se využívá metoda nazvaná Monte Carlo, což již samo o sobě mírně evokuje hazard – jedná se však o zažitý postup pro modelování a simulaci náhodných jevů obecně vzato. V případě počasí vše začíná u odhadů současné situace na celé zeměkouli, které jsou následně vloženy do počítačového modelu. Ve chvíli, kdy se většina takto vytvořených předpovědí shoduje na jednom stavu (zima, sněhové přeháňky), lze teprve finální verzi ohlásit. Ta tedy určuje ne jak doopravdy bude, ale jaká je pravděpodobnost toho, že i ve skutečnosti nakonec dorazí sníh a mráz.

Stejně tak ovšem může hypoteticky nastat natolik absurdní moment, kdy jedna polovina dat bude signalizovat ledovou zimu, zatímco ta druhá si postaví hlavu s tím, že slunce hodlá pálit jako šílené – nutno však ale podotknout, že toto není zrovna běžný scénář. Ostatně na to, jak přesně celý proces probíhá, se můžete podívat sami v European Centre for Medium – Range Weather Forecasting (Evropské centrum pro střednědobé předpovědi počasí).

Závěry plynoucí z aktivního využívání počítačových simulací v meteorologii však mohou být ještě mnohem důležitější, než je pouhé zjištění faktu, že během cesty na chatu dost možná hrozí akutní riziko promoknutí. Když podmořské okolí aljašského ostrova Little Sitkin svého času zasáhlo ničivé zemětřesení o síle 7,5 stupňů Richterovy stupnice, mezinárodní úřad pro atmosféru a oceánografii byl schopen během necelé půlhodiny vydat varování, týkající se možnosti vzniku vln tsunami. V průběhu následujících minut se však se svými údaji ohlásilo další tlakové čidlo, podle kterého neměly vlny dosáhnout kriticky nebezpečné výšky, a proto byla výstraha zrušena. Ze simulace (která mimochodem umí i vypočítat, kdy bude tsunami kulminovat a kdy naopak poklesne) vyplynulo takové číslo, které se nakonec lišilo jen o přibližně dva centimetry v porovnání s pozorovanou výškou. Kromě jiného to znamenalo ušetření nemalých finančních prostředků, které by jinak musely být vynaloženy na evakuaci nejvíce ohrožených oblastí. Podstatnější však je, že i v případě, že by k poklesu nedošlo, zbývalo by nemálo času na záchranu mnoha lidí.

Jak je dobře patrné, vzhledem ke globální proměnlivosti klimatu jsou meteorologické simulace více závislé na rozsáhlém sběru vstupních dat – proto občas přijde vhod i výpomoc od běžných uživatelů počítačů. Jedním z takových rozsáhlých projektů se koncem devadesátých let stalo kupříkladu Casino 21, které se zaměřilo na simulování celosvětového vývoje atmosféry hned pro příštích padesát let, a to právě prostřednictvím využívání počítačů všech účastníku, kteří se do programu dobrovolně rozhodli zapojit. Na stejném principu distribuovaných výpočtů funguje třeba i známé pátrání po mimozemských civilizacích Seti at Home a další.

Do hlubin vesmíru

Snad žádné jiné odvětví lidské činnosti nepřikládá simulacím takový význam a rozsah jako kosmologie. Existují dokonce teorie, podle kterých i celý náš vesmír není ničím jiným, než pouhým šikovně napsaným programem, běžícím ve stroji nějakého ultrainteligentního stvořitele. My se ale raději pokusíme držet vědecké záležitosti, a to výbuchu supernovy. Podle některých hypotéz totiž stojí tento jev mj. za vznikem naší sluneční soustavy, a proto rozhodně taktéž není bez zajímavosti.

Zhruba před třemi měsíci se objevila v tisku zpráva, že tým z Chicagské university připravuje dosud nejmohutnější supersimulaci explodující hvězdy. Na pokus bylo vyhrazeno až neuvěřitelných 1,7 milion hodin procesorového času (běžná „spotřeba“ střediska je zhruba půl milionu hodin ročně), průběžně však probíhá i řada menších (a tudíž mediálně ne tak přitažlivých) experimentů.

Proč jsou vědci vlastně ochotni pouštět se do tak gigantických a složitých akcí? Jelikož skutečné výbuchy jsou relativně vzácné, hlavním smyslem simulací je odhalit doposud neznámé jevy, které za celým procesem stojí. Stejně tak můžou být ovšem využívány k tomu, abychom dokázali sledovat chování objektu, který se blíží k fázi supernovy, a pokusit se předpovídat jeho další vývoj. V minulých letech takto byla v popředí zájmu Eta Cariny – hvězda, která zhruba v roce 1843 patřila mezi nejjasnější vůbec. Pro vizuální snímek ukazující změny v prostorové distribuci jejích rádiových emisí bylo použito šestnáct obrazců, pořízených od června 1992 do února 1999 a výsledkem se stala zajímavá podívaná na proces, kterým právě takový objekt prochází.

Klepněte pro větší obrázek

Eta Carina v rentgenu – snímek získal uznání Chandra X-ray Observatory i NASA. Zdroj: Astro.cz

Simulace jsou však nezbytným doplňkem práce i pro řadu dalších astronomů, třeba těch, které zajímá budoucnost naší galaxie. Podle poznatků Johna Dubinského a Larse Hernquista splyne za přibližně tři miliardy let Mléčná dráha s galaxií v Andromedě a stane se její součástí. Vědci provedli počítačovou simulaci jejich vzájemné interakce, která v sobě obsahovala započítaný pohyb více než sto milionů hvězd a částic „dark matter“ pod gravitačním vlivem obou galaxií současně. K tomuto úkolu využili superpočítač IBM SP-3 (zvaný též Blue Horizont), jenž zvládne závratné tři triliony aritmetických operací za sekundu. Všechno trvalo pouhé čtyři dny (zatímco na běžném domácím počítači by se jednalo o dobu několika let) a nakonec došlo k vytvoření špičkové animace, podrobně již dnes ukazující detailní průběh splynutí, ke kterému by přitom mělo dojít až ve velmi vzdálené budoucnosti.

Zpět na zem

Zatímco v předchozím oddíle jsme se zabývali maximálně složitými experimenty, trvajícími i několik dní, k jejichž provedení je zapotřebí až neuvěřitelné výpočetní kapacity, nyní uděláme pravý opak. „I s malým kašpárkem se dá zahrát velké divadlo,“ praví jedno známé úsloví a má bezpochyby pravdu. Simulace, kterou vám teď představím, totiž původně probíhala na dnes už takřka prehistorickém typu stolního počítače a v rámci jednoduše napsaného programu – přesto její výsledky byly svým způsobem fascinující.

Oxfordský biolog Richard Dawkins (autor několika známých knih o evoluci) se totiž rozhodl vyzkoušet, zda by touto virtuální cestou šly vytvořit hypotetické organismy. Na první pohled složitý problém měl nakonec překvapivě jednoduché řešení. Program „evoluce“ de facto začne pouze tím, že udělá na obrazovce svislou čáru, která se následně rozvětví ve dvě, každé z nových ramen pak v další dvě atd. Hloubka vnoření určuje počet větví, jež se mají vytvořit, než proces skončí.

Klepněte pro větší obrázek

Výběr některých černobílých biomorph, vytvořených počítačovým programem „Slepý hodinář“. Evoluce sice nezná hranice, zato evidentně tíhne k několika málo tvarům

Dawkins vytvořil podprogram „vývoj“, v jehož rámci se nejprve rozhodl pracovat s pouhými devíti geny, kdy každý byl v digitální podobě zastoupen číslem. Toto číslo nazval hodnota genu a mohlo být rovno například 5 nebo –6. Prioritou však zejména bylo, aby geny svým působením ovlivňovaly průběh pučení – jeden z nich tedy působil například na délku větve, jiný na úhel větvení apod. Chybět nesměly ani mutace. Například přičtením čísla 1 k hodnotě náhodně vybraného genu došlo k „mutacím“ v růstu pomyslného stromu. Druhý podprogram byl pojmenován jako „rozmnožování“. Ten působil omezení v tom smyslu, že potomek jednoho grafického stromu se mohl od svého rodiče odlišovat mutací pouze v jediném genu a navíc k rodičovské hodnotě genu mohlo být přičteno (či naopak odečteno) právě již uvedené pouze číslo 1.

Samotný „vývoj“ nikdy nepřenášel hodnoty genů zpět do „rozmnožování“ – nejedná se tedy o obdobu lamarckismu. „Rozmnožování“ fungovalo jako přenašeč genů do dalších generací (přičemž mohlo dojít k mutaci) a „vývoj“ je překládal do pravidel kreslení, čímž určoval vzhled konečného obrázku. Vlastní evoluce pak neznamenala nic jiného, než soustavné opakování procesu rozmnožování. Selekci zajistil Dawkins sám, když prohlédnul potomky a zvolil jednoho z nich pro další šlechtění. Ten opět vstoupil do programu a na obrazovce se následně objevilo jeho mutantní potomstvo. Přestože se pracovalo pouze s devíti geny (skutečné organismy jich samozřejmě mají několik desítek tisíc), variabilita mnohých biomorph je vpravdě úžasná a především často velmi připomíná reálné živočichy i rostliny.

Klepněte pro větší obrázek

Pracovní okno programu LigandFit, které současně funguje jako spořič obrazovky. Najdete lék na rakovinu?

Kouzlo teprve začíná ...

Kam dál?
www.simonyi.ox.ac.uk/dawkins
www.ecmwf.int
setiathome.ssl.berkeley.edu
www.astro.cz
www.geophys.washington.edu/tsunami

Ukázali jsme si pouze střípek obrovského ledovce, jehož sněhová pokrývka je založena právě na výpočetní technice. Můžete se setkat jak s gigantickými programy, vyžadujícími pro své spuštění speciální a pro běžné smrtelníky nedostupné hardwarové zázemí, tak s projekty, které vznikly doslova „na koleně“. Zatímco v případě interakce galaxií je dopředu jasné, co chceme na monitoru vidět (tedy splynutí obou galaxií), Dawkinsova práce byla více dobrodružnější v tom ohledu, že netušil, jakou podobu budou vlastně nakonec jeho biomorphy mít.

Je taky zřejmé, že simulace umí dobře posloužit i jako pomyslné okno do budoucnosti, když ukazuje hrubou podobu procesů, které se mají teprve stát. Za připomenutí stojí i to, že do řady projektů se můžete zapojit díky distribuovaným výpočtům i vy. Nemusí to být nutně při honbě za mimozemšťany – v rámci projektu LigandFit se lze podílet třeba na vyhledávání léku proti rakovině atp.

 

Diskuze (38) Další článek: Mozilla představila budoucnost Firefoxu

Témata článku: Software, Supernova, Monte, Nový rám, Předpověď, Dlouhé vlákno, Počítačová simulace, Celý proces, Monty, Japonské slovo, Celý den, Běžný den, Složitý způsob, Monte Carlo, ETA, Železné jádro, Velké divadlo, Blue Ray, Celá obrazovka, Hvězda, Nitro, Kosmologie, Little, Casino, Dubí


Určitě si přečtěte

Jak funguje kontroverzní program, který ženám krade plavky. Mají se čeho bát?

Jak funguje kontroverzní program, který ženám krade plavky. Mají se čeho bát?

** Strojové učení ještě nepřitáhlo takový zájem jako na začátku prázdnin ** Ne, umělá inteligence nenašla lék na rakovinu ** Naučila se svlékat ženy nejen z plavek

Jakub Čížek | 35

Google dosáhl revolučního milníku v kvantové nadvládě. IBM ale nesouhlasí

Google dosáhl revolučního milníku v kvantové nadvládě. IBM ale nesouhlasí

** Google představil nový kvantový čip s 53 qubity ** Oznámil, že díky němu lidstvo poprvé dosáhlo kvantové nadvlády ** IBM toto tvrzení zlehčuje

Karel Javůrek | 15


Aktuální číslo časopisu Computer

Megatest: 20 powerbank s USB-C

Test: mobily do 3 500 Kč

Radíme s výběrem routeru

Tipy na nejlepší vánoční dárky