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N° 32
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Dossier Stephen Wolfram
Note de présentation de "A new Kind of science"
29 mai 2002 (provisoire)          

A new Kind of ScienceCet article, écrit à la suite d'une première lecture rapide* de l'ouvrage "A new Kind of science", présente notre point de vue sur la façon dont le travail de Stephen Wolfram peut intéresser les sciences et la philosophie.
Aux lecteurs qui le souhaitent de réagir en envoyant des contributions, des questions, des critiques... (JPB/CJ
)


*Lecture rapide, car avec ses quelque 1284 pages, ce livre est un monument...

Nous voudrions être les premiers, dans la presse scientifique française, à signaler à nos lecteurs ce que nous pensons être l'importance capitale du livre de Stephen Wolfram, A new Kind of Science (ANKS), paru le 14 mai 2002 en anglais.
Nous nous le sommes procuré et nous l'avons lu, ce qui est bien sûr la première chose à faire avant d'en parler. Cela ne veut pas dire que nous avons encore perçu ou envisagé tous les développements que cette œuvre pourra provoquer dans l'ensemble des disciplines de recherche. Pour cela, il faudrait être l'Académie des Sciences toute entière.
Si les automates cellulaires ne sont pas une nouveauté, jamais personne ne les avait encore présentés dans une perspective si riche, traçant un chemin des plus originaux pouvant mener à une nouvelle connaissance du monde et de nous-mêmes.

Face aux travaux de l'auteur, nous imaginons déjà comment vont se répartir les scientifiques.
Il y aura ceux qui se saisiront des outils offerts par Stephen Wolfram pour les tester sans attendre, les appliquer à leur domaine, mettre ces travaux en perspective, approfondir et développer en s'ouvrant aux domaines voisins, comme le livre les incite à le faire.

Il y aura aussi ceux qui rejetteront tout ou partie de l'apport proposé par S. Wolfram. Peut-être auront-ils pour cela des arguments scientifiques solides, qu'il faudra examiner ne fut-ce que pour faire progresser ANKS. Ceci aura l'immense avantage de faire avancer la discussion. Mais sans doute aussi pour certains, ceci témoignera d'un refus de la remise en cause pure et simple de leur travail, reposant sur une formalisation mathématique qui fut longue et difficile à établir, alors qu'on aurait peut-être pu aboutir au même résultat avec des outils infiniment plus simples.

Et puis, on en verra certains, rejeter l'ensemble en bloc, défendant ici - bien que nous assurant du contraire - diverses conceptions idéologiques de la connaissance.

C'est qu'en effet, mais nous y reviendrons longuement dans la suite de ce dossier, ANKS démolit impitoyablement la place éminente jusqu'ici donnée en sciences aux mathématiques. Si on veut être sympathique, on se bornera à dire, comme le montre bien l'article d'Alain Cardon(1), que S. Wolfram leur donne un nouveau positionnement, subordonné (quelle horreur pour les médaillés Fields) à la fois aux modèles concrets de la réalité (par exemple l'évolution d'une molécule biologique dans une éprouvette) et à l'informatique capable de modéliser au mieux cette réalité, voire de l'exprimer directement.

ANKS dans l'histoire de l'informatique et de l'intelligence artificielle

Comment faut-il en effet lire ANKS dans la perspective de l'évolution de l'informatique et de l'Intelligence Artificielle IA ? Quand on connaît cette histoire, ainsi que ses perspectives de développement futurs, la trajectoire personnelle de Stephen. Wolfram et la genèse de son œuvre prennent toute leur légitimité. ANKS n'est pas sorti de la tête d'un savant fou (mathématicien au demeurant) mais s'inscrit dans une suite certainement inévitable, compte-tenu de la marche inexorable et grandissante des sciences et technologies informatiques. Encore fallait-il le génie de l'auteur pour le faire brutalement émerger, en le formalisant de façon à en faire un instrument utilisable par tous.

ANKS s'inscrit dans le développement du calculateur universel, dont les principes ont été posés par la machine de Turing. Il s'agit de travailler avec des entités discrètes, pas à pas, en principe en langage binaire. Ceci postule que le continu qui relèverait de calculateurs analogiques, peut être réduit au discret. La physique fondamentale ou la biologie diront ce qu'il en est dans la nature. Nous y reviendrons. On ajoutera que le traitement pas à pas est d'autant plus efficace que les algorithmes utilisés sont simples. La règle ou le programme simples sont vraiment la fondation de l'approche de Wolfram, qu'il retrouve partout à l'oeuvre dans la nature.

Ceci nous conduit directement aux automates cellulaires (AC), qui sont l'outil utilisé par l'auteur pour formaliser et illustrer toutes ces hypothèses. Les premiers chercheurs en intelligence artificielle en avaient fait un instrument essentiel pour la construction de modèles simulant l'évolution des systèmes complexes, notamment en biologie. Certains les emploient toujours, tels Thomas Schelling (1bis). Mais ils furent abandonnés (sauf exception) face au développement des modèles mathématiques complexes, eux-mêmes supportés par les programmes informatiques complexes permis par les ordinateurs modernes.

La redécouverte des AC (ou plutôt l'approfondissement du domaine) par Stephen Wolfram est loin cependant d'être la remise en usage d'une machine de Turing fonctionnant comme une caisse enregistreuse. Elle s'appuie et s'appuiera d'ailleurs de plus en plus sur les énormes ressources permises par les stations de travail moderne, le travail en réseau de type Grid et, dans un proche avenir, les progrès permis par les calculateurs nanotechnologiques, ainsi que très probablement les calculateurs quantiques. Nous nous retrouverons là au niveau du discret, microscopique, c'est-à- dire à ce qui se passe au niveau de l'atome (de la particule) physique ou de la molécule biologique. Avec l'avènement possible de l'ordinateur quantique pourrait alors certainement être fait le lien avec les possibilités, théoriquement infinies, de calcul multi-directionnel (multiways) permis à la particule quantique. On voit là comment les travaux d'un Johnjoe McFadden, signalés dans notre dernier numéro(2), pourraient bénéficier de nouvelles avancées en matière de calculable.

ANKS s'inscrit donc aussi dans les progrès de l'IA, et notamment de l'IA évolutionnaire. Mais il s'agira sans doute là d'une IA faisant beaucoup moins appel à l'évolutionnisme darwinien classique (réplication, mutation, sélection, amplification) qui laisse une part trop grande au hasard macroscopique résultant de la confrontation pour la survie des systèmes complexes. Il devrait alors s'agir d'une évolution artificielle découlant du déroulement d'algorithmes ou d'instructions simples, mettant en œuvre des agents discrets aussi petits que possible - ce qui nous ramènera au niveau des systèmes nanotechnologiques et des systèmes physiques et biologiques élémentaires. Restera évidemment alors à préciser à ce niveau le rôle de la compétition darwinienne pour l'accès aux ressources, entre systèmes se déroulant de façon algorithmique.

Indiquons tout de suite que cette évolution dirigée par des instructions ou règles ne peut être définie et prévisible à l'avance. La grande découverte de ANKS est précisément de montrer que les AC, à partir de règles simples judicieusement choisies, peuvent dans certains cas produire ce qui pour nous sera du complexe et de l'indécidable sans limites prévisibles, pour peu qu'ils disposent du temps et des ressources en quantité suffisante. L'informatique moderne évoquée ci-dessous le permet. L'IA utilisant les AC pourra produire des artefacts de systèmes naturels en bien plus grand nombre que  celui que l'ensemble des humains pourraient tester et implémenter dans des systèmes physiques et biologiques du monde réel.

La question philosophique et scientifique fondamentale

Ceci nous conduit à la question scientifique et philosophique essentielle. L'évolution pilotée par les AC, tels que proposés par ANKS, correspond-elle à des modèles, meilleurs que tous modèles mathématiques existant, mais modèles quand même, de ce se passe dans la nature ? Sont-ils au contraire une émanation de ce qui agit vraiment dans la nature et que nous pouvons comprendre aujourd'hui du fait du développement des systèmes eux-mêmes naturels que sont nos corps biologiques, nos cerveaux et les systèmes informatiques produits par eux ?

Si nous interprétons correctement l'auteur, c'est la deuxième réponse qui est alors la bonne. Convenablement choisis et mis en oeuvre, utilisant les ressources des nanotechnologies et - si on le réalise - de l'ordinateur quantique, les AC (ou plus exactement des programmes ou algorithmes simples fonctionnant comme eux) devraient alors nous placer au cœur de l'évolution des systèmes physiques et biologiques de "notre univers"(3). Permettront-ils, en amont, de développer l'analyse des systèmes physiques(4) et naturels que jusqu'à présent ni les technologies ni les mathématiques n'avaient permis de modéliser; comme par exemple ce qu'est la vie, ou la conscience ? Permettront-ils aussi, en aval, de remonter aux lois fondamentales réglant l'évolution de l'univers, soit sur le plan cosmique macroscopique, soit sur celui, quantique, de la particule élémentaire ? Il s'agirait alors non plus de construire des modèles de la réalité mais de reconstruire la réalité avec les mêmes méthodes et moyens qu'elle a utilisés pour construire notre univers jusqu'à ce jour. Dans la foulée, pourrait-on sans doute construire aussi des réalités différentes, peut-être celles existant dans d'autres univers. Dans cette perspective, Stepehn Wolfram pour sa part ne renonce pas à découvrir l'équation du Tout dont rêvent beaucoup de cosmologistes, tels Stephen Hawking. Mais il s'agira alors ici d'une équation simple reposant sur le modèle d'un AC universel obéissant à des règles adéquates elles-mêmes simples, qui restent évidemment à trouver.

Le concert des physiciens a semble-t-il déjà commencé à s'élever contre de telles perspectives, criant à l'ubris onirique. Nous serons ici plus modestes. Il faut respecter une œuvre de l'importance de celle de Stephen Wolfram avant de la renvoyer à l'enfer des délires parascientifiques. C'est ce que nous souhaitons défendre, en proposant dans les prochains numéros une lecture et une discussion progressive de ANKS, à laquelle nous serions très heureux de voir nos lecteurs aussi participer.

On peut se demander cependant quel est le statut des AC dans l'esprit de Wolfram et quel rôle nous-mêmes devrons leur donner. S'agit-il d'une espèce particulière d'outil informatique, qui nous servira à modéliser des phénomènes qui autrement nous échapperaient? Offriront-ils dans cette perspective toutes les solutions qui nous seront nécessaires, ou faudra-t-il les compléter d'autres méthodes de programmation et de modélisation? Si enfin, on considère que les AC révèlent une forme de computation universellement répandue dans l'univers, comment cette computation se réalise-telle en fait dans les systèmes naturels, puisque l'on n'imagine pas la nature utilisant Mathematica ou tout autre générateur d'AC pour développer ses propres procédures évolutives?

Figure réalisée avec un automate cellulaire (règle 110) Nous serons dans la suite de ce dossier évidemment obligés de revenir sur ce point essentiel des AC : selon Wolfram, puisque la simple répétition d'une règle simple peut conduire à des mécanismes complexes, les automates cellulaires sont la source fondamentale nous permettant d'appréhender la complexité de ce monde. Cela dit, il semble que l'auteur laisse ici certains points dans l'ombre ou évite certaines questions (à moins que cette constatation ne résulte simplement de notre lecture encore trop rapide du livre).
On peut par exemple se demander jusqu'à quel point les automates cellulaires présentés génèrent de la complexité. Y-a-t-il pour eux une limite ? Il semble en effet, à regarder les figures dans le livre, que la continuation du processus ne génère pas de complexité plus grande. Ferait t'on tourner les système des milliards de fois, le résultat serait-il différent ? Atteindrait-on un autre ordre de complexité ? Verrait-on une autre forme émerger ? A première vue, Wolfram n'en parle pas. Il n'explique pas comment un tel automate peut augmenter sa complexité. Faut-il pour cela, combiner ensemble des automates et les faire tourner jusqu'à trouver - un peu au bonheur la chance - la substantifique moelle ? S'agit-il encore de règles aussi simples ? Faut- il vraiment s'affranchir d'un phénomène tel que l'évolution et la sélection (qui alors conduit aux algorithmes évolutionnaires(5)).
Mais peut-être, finalement, la puissance informatique n'a pas encore atteint les performances suffisantes pour avoir pu faire tourner virtuellement le système aussi longtemps que ne l'a encore fait la nature...

Ajoutons qu'au moment de publier ce dossier, nous avons eu connaissance du long article que vient de consacrer Ray Kurzweil  au livre de Stephen Wolfram, ainsi que du forum ouvert sur son site(6). Nous reviendrons dans le prochain numéro sur les objections faites  par Kurzweil à A New Kind of Sciences, et sur les conclusions intéressantes pouvant découler du débat.

Commentaire sur la démarche

On ne reprendra pas ici le cursus professionnel et scientifique de l'auteur, tel qu'il le présente lui-même dans son livre. Remarquons seulement que certains lui ont reproché, outre un parcours solitaire, un parcours commercial. Il est vrai que A New Kind of Science est né des développements du générateur de programmes de calculs scientifiques Mathematica, qui s'est révélé un outil très apprécié des développeurs, et qui lui a apporté l'aisance matérielle, gage de pouvoir se consacrer totalement pendant dix ans à ces travaux sur les AC et à la réalisation de ce livre. D'ailleurs, si Stephan Wolfram a abandonné la carrière universitaire (comme d'ailleurs beaucoup d'autres scientifiques anglo-saxons), c'est peut-être aussi qu'il n'avait pas trouvé assez d'encouragements dans ce milieu universitaire pour concrétiser ses intuitions.

Aujourd'hui, la promotion du livre et des produits dérivés est conçue dans un cadre commercial apparemment strict, que certains regretteront. Rien n'empêche cependant ceux qui le souhaitent de reprendre ses hypothèses et de les approfondir comme ils l'entendent. Les idées de Stephan Wolfram ne sont pas brevetées, que nous sachions.

Notes
(1) "Un positionnement différent pour les mathématiques" (septembre 2001)
(1bis) Voir sur l'analyse de systèmes sociaux : http://www.theatlantic.com/issues/2002/04/rauch.htm . Voir aussi http://www.theatlantic.com/unbound/interviews/int2002-03-29.htm et http://www.theatlantic.com/issues/2002/04/rauch-movies.htm
(2) Voir interview du 12/05/2002 : http://www.automatesintelligents.com/interviews/2002/mai/mcfadden.html
(3) "Notre univers" est placé entre guillemets pour tenir compte de l'interprétation quantique dite des univers multiples
(4) Concernant l'idée de construire l'ensemble de la physique en termes de transformations computationnelles, on se reportera au site de Edward Fredkin qui, dès le début des années 80 à proposé une "Nouvelle théorie de la physique" basée sur cette idée. On lira avec intérêt sur le site son "Introduction to Digital Philosophy" (cf : http://www.digitalphilosophy.org). Notons que, durant l'été 2002, la National Science Foundation a parrainé l'atelier "The Digital Perspective" qui finalement contient beaucoup des idées évoquées par S. Wolfram, et dont les actes doivent sortir prochainement.
(5) Qui produisent souvent des solutions élégantes (devrions-nous dire "intelligentes") pour certains problèmes complexes. Mais même ici, il semble toujours manquer quelque chose car, à notre connaissance, ces algorithmes atteignent rapidement une asymptote dans leur niveau de performance.
(6) Voir http://www.kurzweilai.net/meme/frame.html?main=/articles/art0464.html.

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