Boeken

Saturday, April 18, 2009

Ultieme informatie




Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 18 april 2009

Vraag twee informatici waarover hun vakgebied gaat, en je krijgt twee verschillende antwoorden. De informatica is de afgelopen tien jaar zo’n uitgebreid gebied geworden, dat niemand meer lijkt te weten wat de wetenschappelijke kern is. Professor Jan van Leeuwen is op zoek naar die kern.

[kader:]
Op woensdag 11 maart ontving de Utrechtse informaticus professor Jan van Leeuwen (1946) de eerste Distinguished Lorentz Fellowship-prijs. Van Leeuwen kreeg de prijs vanwege zijn verdiensten in de ontwikkeling van de fundamentele informatica. De prijs is bedoeld voor wetenschappers die bruggen slaan tussen wetenschappelijke disciplines, en bestaat uit drie delen: een naar eigen inzicht te besteden persoonlijke geldprijs, een verblijf van maximaal één academisch jaar aan het Netherlands Institute for Advanced Study in the Humanities and Social Sciences (NIAS) in Wassenaar om zich te verdiepen in een onderzoek naar keuze, en een werkbudget voor het organiseren van een internationale en interdisciplinaire workshop aan het Lorentz Center for the Sciences in Leiden. Van Leeuwen gaat de prijs gebruiken om een wetenschapsfilosofie van de informatica te ontwikkelen.


Weinig wetenschappers hebben het werkterrein onder hun voeten zo radicaal zien veranderen als informatici in de afgelopen zestig jaar. “Wij lopen nu met computers in ons lijf, terwijl wij in de jaren veertig nog in computers liepen”, verwoordt de Nederlandse computerpionier Jaap Zonneveld de informaticarevolutie in het boek Alles moest nog worden uitgevonden van Cordula Rooijendijk. We chatten en e-mailen nu over de digitale snelweg, we doen onze bankzaken achter de pc, we spelen multi-player games over het internet en zoekmachines gidsen ons door een alsmaar uitdijend informatie-universum. Het internet is een verlengstuk van onze hersenen geworden.

Maar vraag informatici wat de kern van hun vakgebied is en de kans is groot dat je sterk uiteenlopende antwoorden krijgt. ‘Het ontwerpen en bouwen van software’, zegt de een. ‘Het maken van informatiesystemen die ons dagelijks leven vereenvoudigen’, zegt de ander.
De een benadrukt de diepe kennis, de ander de creatieve engineering in het gebied. Informaticahoogleraar Jan van Leeuwen van de Universiteit Utrecht is op zoek naar wat al die verschillende visies verbindt – een filosofie van de informatica.

“De ontwikkelingen van de laatste decennia hebben de informatica het kenmerk gegeven van een volwassen wetenschap”, zegt hij. “Maar de informatica lijkt inmiddels geëxplodeerd in subdisciplines die nog maar weinig met elkaar praten. Elke subdiscipline bekijkt de informatica vanuit haar eigen venster.”

Wie door het venster van het begrip informatie kijkt, zal elk denkbaar proces willen zien als een programma dat werkt met veranderende informatietoestanden. Denk bijvoorbeeld aan administratieve processen, communicatieprocessen en zelfs aan sociale processen. Maar ook veel natuurkundige en biologische processen kun je zo modelleren. Kijk je echter door het venster van het begrip berekenbaarheid, dan stel je de mechanismen van de berekeningen centraal die het slimme deel van de computer uitmaken. Vooral de natuurwetenschappen gebruiken dit venster. Wie door het cognitievenster naar de informatica kijkt, probeert de manieren van het menselijk denken na te bootsen en zelfs te verbeteren op een computer.

Grondleggers
“Het is begrijpelijk dat elke informaticus door zijn eigen venster kijkt, en ik wil de verscheidenheid van het vakgebied zeker niet ontkennen of veranderen,” zegt van Leeuwen, “maar ik denk dat het de ontwikkeling van het vak sterk belemmert als iedereen alléén maar door zijn eigen venster kijkt. Vergelijk het met de natuurkunde. Ook de natuurkunde bestaat uit een reeks van erkende deeldisciplines, en toch bestaat er een duidelijk beeld van het vak als geheel: het ontdekken van natuurwetten door verschijnselen te observeren, door theorieën te ontwikkelen waarmee we ze kunnen begrijpen en door te experimenteren. En daarnaast ook het benutten van de ontwikkelde kennis. Zo’n beeld is ook voor de informatica mogelijk, en zeer gewenst.”

Niet dat de vraag naar de kern van de informatica nieuw is. De grondleggers van het vakgebied hebben er in de jaren vijftig en zestig uitgebreid over nagedacht. Maar daarna waren informatici zo druk bezig met de ontwikkeling van computers, programmeertalen en informatiesystemen, en later met netwerken en internettoepassingen, dat de vraag naar de fundamenten van hun vakgebied op de achtergrond raakte. En dat terwijl het vakgebied zich stormachtig ontwikkelde. Vroeger was de computer alleen een rekenapparaat. Tegenwoordig is het een apparaat dat intelligent met informatie omgaat, dat kan redeneren, analyseren en communiceren.

Van Leeuwen stelt zich opnieuw die kernvraag om de essenties van het vakgebied helder neer te zetten. “Want informatica is zo veel meer dan de alledaagse visie dat het alleen maar gaat over alles wat op een pc draait”, zegt hij. “Informatici proberen ook antwoorden te vinden op fundamentele vragen als: Wat is berekenbaar? Wat is informatie? Wat is intelligentie? Hoe kunnen we complexe systemen simpel bouwen en onderhouden? Zijn programma’s theorieën van een stukje werkelijkheid? Kunnen we algemene informatiewetten vinden? Kunnen we slimme manieren vinden om problemen op te lossen waarvoor zelfs de snelste huidige computer nog langer moet rekenen dan de levensduur van het heelal?”

Informatie
Heeft hij al mogelijke antwoorden op de vraag wat dan gemeenschappelijk is aan alle subdisciplines van de informatica? “Voor een antwoord is het nog te vroeg”, zegt van Leeuwen. “Het Distinguished Lorentz Fellowship stelt me juist in staat om mij dit jaar volledig met die vraag bezig te houden [zie kader]. Maar ik kan wel uitleggen waarom ik de huidige antwoorden ontoereikend vind.”

Een wetenschapsfilosofie gebruikt paradigma’s – theoretische denkkaders – om de kern van een wetenschapsveld te karakteriseren. Welke paradigma’s kenmerken de informatica van nu? Een klassiek paradigma is natuurlijk ‘informatie’: informatica als de wetenschap van de informatieverwerking. “Het mooie van dit paradigma,” zegt van Leeuwen, “is dat het onafhankelijk is van het instrument computer. Veel informatica-activiteiten kun je inderdaad zien in termen van informatieverwerking. Er bestaat inmiddels een redelijk ontwikkelde filosofie van het begrip informatie. Maar daarmee is lang niet alles verklaard. Welke informatie heb je bijvoorbeeld nodig in een navigatiesysteem dat met files rekening houdt en reistijden tot op een procent nauwkeurig kan voorspellen? Hoeveel informatie heb je ervoor nodig en waar komt die vandaan? Hoe bereken je continu de beste routes? Hoe willen consumenten de resultaten aangeboden krijgen?”

Informatici kijken met computers naar de wereld en ontwikkelen tegelijk de ICT die ervoor nodig is. Je kunt vanuit het begrip informatie naar elk gebied kijken, of het nu de biologie is of een bedrijfsorganisatie. Maar een informaticus die met zijn methoden bijdraagt aan de ontrafeling van de genenstructuur van levende wezens, zal niet ineens claimen dat hij alles van de biologie begrijpt. Wel kijkt hij op een heel eigen manier naar een stukje biologie, een manier die de klassieke bioloog niet eigen was en die zowel de biologie als de informatica verrijkt. Van Leeuwen: “Het werk van de informaticus begint niet op het moment dat iemand zegt: ‘wij hebben een boel informatie verzameld, en wil jij dat nu eens gaan verwerken’. Nee, de informaticus denkt zelf al na over het begrijpen en modelleren van informatiegestuurde processen.”


Algoritmen
Een ander mogelijk paradigma is dat van het algoritmisch denken. Je zou de informatica kunnen zien als de studie van algoritmen, de rekenrecepten voor computers. “Algoritmen zijn inderdaad hèt middel om oplossingen voor informatieverwerkingsproblemen te vinden”, zegt Van Leeuwen, die zelf internationaal naam heeft gemaakt met zijn onderzoek naar het ontwerp van algoritmen.

“Waar een natuurwetenschapper een verschijnsel probeert te vangen in een formule, zal een informaticus altijd proberen een verschijnsel te vangen in een beschrijving die uitvoerbaar is op een computer. Hij neemt geen genoegen met een formule – een formule is immers ook maar een formule. Hij neemt ook geen genoegen met alleen een wetmatigheid – want wie zegt dat je die wetmatigheid ook in de praktijk kunt uitvoeren. Maar hij wil het verschijnsel volledig kunnen simuleren. De natuurkundige wetten die een stroming beschrijven, zijn bekend, maar dat betekent niet dat, als ik je vraag om stromend water op een beeldscherm na te bootsen, je weet wat je moet doen. Het verschijnsel alleen begrijpen is niet genoeg. Je zult moeten nadenken over een rekenmethode – een algoritme – om stromend water op een computer te simuleren. En dat is verre van triviaal.”

Maar om algoritmen als het centrale paradigma te zien, vindt Van Leeuwen een te beperkte en te instrumentele visie. “Neem de elektronische veilingsite eBay. Het klopt dat eBay draait op algoritmen, maar het is te simplistisch om te denken dat eBay alleen maar bestaat bij de gratie van algoritmen. eBay bestaat ook bij de gratie van veel andere slimme ontwerpaspecten.”

Uniek samenspel
De informatica heeft veel gemeen met de klassieke natuurwetenschappen maar gaat ook verder. De natuurkunde bestudeert de levenloze natuur, de biologie de levende natuur. Die natuur is in principe gegeven. Maar het onderzoeksterrein van de informatica breidt zich voortdurend uit onder haar eigen ontwikkeling, door de veelheid aan complexe systemen die de mens met computers continu creëert. De ontwikkeling van het internet heeft een geheel nieuwe dimensie geopend in het omgaan met informatie, die een jaren-tachtig informaticus zich niet eens kon voorstellen, laat staan bestuderen.

Van Leeuwen: “De informatica is een uniek samenspel tussen instrumentarium en wetenschappelijke ontdekkingen langs de wegen van de informatisering. Computers en software worden in rap tempo slimmer dankzij de ontdekkingen in het gebied, en dit stuwt de informatica weer voort naar nieuwe ontdekkingen. Ik denk dat de wisselwerking tussen technologie en wetenschap in geen enkel ander gebied zo sterk is als in de informatica.”

En we staan pas aan het begin van de resultaten van die wisselwerking, denkt de informaticus. “Ik denk dat we bijvoorbeeld nog niet eens één procent hebben gezien van de informatisering in het bedrijfsleven. Veel informatiediensten die bedrijven nu aan elkaar of aan hun klanten bieden benutten maar een klein deel van wat theoretisch mogelijk is. Dat komt onder andere omdat informatici de moeilijkheid van de werking en veilige interactie met die diensten nog lang niet volledig doorgrond. Op dit soort onderzoek zou Nederland meer moeten inzetten.”

Twee culturen verenigd
Een filosofie van de informatica zal volgens Van Leeuwen ook een antwoord moeten geven op de vraag hoe de verschillende culturen in het gebied zich laten verenigen: de bèta-wetenschappelijke cultuur en de meer alfa- en gamma-wetenschappelijke cultuur van de ICT-toepassingen in bedrijven en organisaties.

Op 7 mei dit jaar is het precies vijftig jaar geleden dat de Engelse natuurkundige en schrijver C.P. Snow zijn invloedrijke lezing ‘The two cultures’ hield in Cambridge. Snow betoogt hierin dat de wereld van de alfa- en de bètawetenschappen zozeer uit elkaar zijn komen te liggen dat ze nauwelijks meer iets van elkaar weten. Een Shakespeare-deskundige heeft geen idee meer wat een elementaire-deeltjesfysicus doet, en andersom. En in de alledaagse cultuur word je scheef aangekeken als je nooit van Vincent van Gogh hebt gehoord, maar niet als je geen idee hebt waar de tweede wet van de thermodynamica over gaat. Hoe is dat binnen de informatica?

Volgens van Leeuwen is de informatica de laatste tien jaar het toonbeeld geworden van een wetenschap waarin beide culturen niet zonder elkaar kunnen. Dit komt aan de ene kant uiteraard door de toepassingen. Historici kunnen straks op een Google-achtige manier door grote hoeveelheden handgeschreven archiefmateriaal zoeken, literatuuronderzoekers kunnen met één zoekopdracht door legio bibliotheekcollecties in binnen- en buitenland surfen, en kunstenaars zoeken straks net zo gemakkelijk door beeld- en geluidscollecties als nu door teksten.

Maar het samenkomen van twee culturen zit aan de andere kant ook in de methoden die de informaticus nodig heeft. “Het bèta-aspect zit in de rekenmethoden die de informaticus gebruikt en in het ontwerpen van computers en software”, zegt Van Leeuwen. “Maar voor een succesvolle toepassing van de informatica moeten we bètakennis integreren met alfa- en gammakennis. En de bril waardoor ik op zoek ga naar een filosofie van de informatica, zal dan ook zowel een bètabril zijn, als een alfa- en gammabril.”