Intelligenter Rechner Computer entdeckt selbständig Naturgesetze

Werden Computer bald zu intelligenten Kollegen von Wissenschaftlern? Forscher stellen zwei faszinierende Fortschritte vor: Ein Computer entwickelt selbständig biochemische Experimente, ein anderer entdeckt sogar Naturgesetze - durch bloße Beobachtung von Bewegungen.


"Können Computer denken wie Wissenschaftler?" Diese Frage ist durchaus provokant - besonders, wenn das renommierte Wissenschaftsmagazin "Science" sie stellt. War Kollege Computer nicht bis vor kurzem nur der dumpfe Rechenknecht, der zwar mit beeindruckender Geschwindigkeit Zahlenberge durchwühlt, aber nichts Eigenes schafft?

Doppelpendel: Selbst bei solch einem relativ komplexen System hatte der Computer nach einigen Stunden die physikalischen Gesetze hinter den Bewegungen erkannt
Science / AAAS

Doppelpendel: Selbst bei solch einem relativ komplexen System hatte der Computer nach einigen Stunden die physikalischen Gesetze hinter den Bewegungen erkannt

Diese Zeiten sind inzwischen vorbei, wie zwei Studien in "Science" beweisen. Eine stellt einen Laborcomputer namens "Adam" vor, der chemische Experimente nicht nur selbständig durchführt, sondern auf Basis der Ergebnisse auch neue plant. Vielleicht noch beeindruckender ist aber ein weiterer Rechner: Anders als "Adam" gibt er sich nicht mit Analysen über den Metabolismus der Hefe zufrieden, sondern kann selbständig physikalische Gesetze entdecken - nur indem er Bewegungen beobachtet.

Isaac Newton hat es der Legende nach nicht anders gemacht: Er erspähte einen fallenden Apfel - und schloss daraus auf das Gesetz der Gravitation. Wissenschaftler der Cornell University in Ithaca (US-Bundesstaat New York) stellen in "Science" nun einen Computer vor, der ebenfalls die Natur beobachtet und dann auf die ihr zugrunde liegenden Gesetze schließt.

Herantasten an die Gesetze hinter den Dingen

Michael Schmidt und Hod Lipson haben dazu einen Algorithmus entwickelt: Er sucht nach mathematischen Gleichungen, die das Verhalten physikalischer Systeme erklären - ohne dass der Computer irgendein Vorwissen über Physik, Kinematik oder Geometrie besitzt. Getestet haben die Wissenschaftler ihren neuen Kollegen an einfachen Vorrichtungen wie etwa einem schwingenden Pendel.

Der Algorithmus sucht in ihnen nach Regelmäßigkeiten. Zunächst nimmt er Ableitungen von jeder beobachteten Variable und untersucht, wie sich die Veränderung auf andere Variablen auswirkt. Dann erschafft der Computer nach dem Zufallsprinzip Gleichungen - und tastet sich so immer näher an die Gleichungen heran, die das Verhalten des realen physikalischen Systems exakt beschreiben. Am Ende stehen sogenannte Invarianten - unveränderliche Größen, die immer richtig sind.

Der Eindruck, dass der Computer erratisch vorgehe, täusche, betonen die Forscher. "Es gibt immer etwas tiefer gehendes, das konstant ist", sagt Lipson. "Das ist der Hinweis auf die Physik hinter den Dingen." Sind die Invarianten erst einmal gefunden, sind prinzipiell alle Gleichungen, die das System beschreiben, greifbar. "Sie alle müssen die Invarianten berücksichtigen", erklärt Schmidt. "Für diesen Schritt brauchen wir natürlich nach wie vor den Menschen."

Naturgesetze aus Beobachtungen abgeleitet

Im Experiment mit einfachen Systemen wie einem einzelnen und einem doppelten Pendel hat der Algorithmus bestens funktioniert, schreiben die Wissenschaftler in "Science". Nur auf Basis der Daten über Positionen, Geschwindigkeiten und Zeiten habe der Computer beispielsweise den Impulserhaltungssatz und das zweite Newtonsche Bewegungsgesetz abgeleitet.

Allerdings braucht der Algorithmus dafür auch einige Zeit. Auf einem Parallel-Computer mit 32 Prozessoren konnte er einfache lineare Bewegung in wenigen Minuten durchschauen. Nach 30 bis 40 Stunden hatte er verstanden, welche Gesetze hinter den Bewegungen des Doppelpendels stecken. Als die Wissenschaftler dem Computer die Daten aus dem Experiment mit dem einfachen Pendel zu Hilfe gaben, sank die Rechenzeit auf sieben bis acht Stunden. Auf genau die gleiche Art, bemerken Schmidt und Lipson, bauen auch Menschen auf früherer Forschung auf. Dank dieses Vorgehens könne der Computer prinzipiell auch komplexere Systeme aus Bereichen wie der Biologie und der Kosmologie durchschauen.

Ängste, Computer und Roboter könnten Wissenschaftler künftig ebenso um ihre Jobs bringen, wie es mit Fließbandarbeitern in der Autoindustrie geschehen ist, sind nach Meinung von Schmidt und Lipson aber unbegründet. Die Rechner könnten lediglich die Kärrnerarbeit übernehmen - und ihren menschlichen Kollegen ermöglichen, sich schnell auf die wirklich interessanten Phänomene und deren Bedeutung zu konzentrieren.

mbe



© SPIEGEL ONLINE 2009
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH


Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.