BBC-documentary Brain Story

Watch here the beautiful 6-part BBC-documentary 'Brain Story' (2004) with neuroscientist Susan Greenfield as a guide.

Part 1: All in the mind

 Part 2: In the heat of the moment

 Part 3: The mind's eye

 part 3.1

 part 3.2

 part 3.3

 part 3.4

 part 3.5


 Part 4: First among equals
 Part 5: Growing the mind
 Part 6: The final mystery

Books of the world, unite!

Google has scanned and opened up access to an estimated 12% of all the world’s books. This unique dataset gives researchers in the humanities new ways to study cultural, historical and other trends. The new field this enables is known as ‘culturomics’. 

This article has been published in I/O Magazine september 2011

As an undergraduate in the late 80s, Jon Orwant wanted to build thinking computers. He was studying at the famous Artificial Intelligence Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology (MIT) near Boston. It was at that time that the ‘bad boy of robotics’, Rodney Brooks, was attempting − but failed − to build his cognitive robot child, COG, in the same lab, an endeavour that AI pioneer Marvin Minsky called ‘a PR stunt, not a project’. Orwant himself was working on a system to automate programming, but he switched to the MIT Media Lab in order to work on the Connection Machine, one of the first supercomputers to try the concept of parallel computing.

In the 90s he wrote a book on the Perl programming language. Afterwards, he edited and published a magazine devoted to the language. Orwant was the sole employee, using programs he’d written in Perl to do everything from answering subscriber questions to proofread articles and lay out advertisements. After this ‘fun, but not sustainable period,’ as Orwant calls it, he joined O’Reilly, the publishing company famous for its books for geeks and nerds. That’s how he started combining programming and publishing – or, as he puts it at the Google Netherlands headquarters on the 15th floor of the Viñoly Building in Amsterdam: ‘I was writing books about software and writing software about books.’

When Google announced its dream to digitise all the books in the world, Orwant was immediately excited. In 2005, when the company opened a Google office in Boston, he was one of the very first to join, and got to work creating a Google Books team there to complement the team at Google’s headquarters in California. He started as an engineer but is presently an engineering manager. Half of the time, however, he is still programming. Orwant: ‘I don’t want just to manage. I also want to program, to build things. Google is good at letting people do what they like and what they are good at.’

Ngram Viewer
Orwant did half of the programming work for a recently developed Google tool called the Ngram Viewer, which immediately attracted a lot of attention. Visit the Ngram Viewer website, set a time period and type a word or a series of words (a so-called ngram). Press ‘enter’ and the tool will create a graph showing how often the ngram occurs over time in the corpus of digitized Google Books.

On Orwant’s MacBook Pro we type in the two-word ngram (or bigram) ‘Alan Turing’. The output graph shows an exponential increase of books mentioning Alan Turing after 1960, with a decline after 2000. Strangely enough, we also see a small peak in the decade before Turing’s birth in 1912. Were there books that already knew that Alan Turing would be born? Orwant immediately wants to find out what is going wrong here. ‘I bet this is a metadata error,’ he says confidently. ‘It must be due to mistakes in cataloguing books.’ And yes, after he has checked the books that mention ‘Alan Turing’ apparently even before his birth, it turns out he is right.

Discovering cultural trends
Google originally developed the Ngram Viewer especially for two researchers at Harvard University. In December 2010 they published a paper in Science called ‘Quantitative Analysis of Culture Using Millions of Digitized Books’. Some interesting discoveries came to light. The researchers discovered that about half a million English words were used in books but had never made it into a dictionary. They also found that the English lexicon has nearly doubled over the past century, now amounting to more than a million words. And they visualized in a graph how the Nazis had suppressed the works of a large number of artists and academics. While the names of those individuals were still mentioned in English books, their use in German books from the same period fell sharply.

This type of analysis by means of huge numbers of books has been given the name ‘culturomics’. According to Science, the humanities researchers reacted ‘with a mix of excitement and frustration’. Some said that the new tools such as the Ngram Viewer ‘could become extremely useful’. Others saw their use for humanities research as ‘almost embarrassingly crude’. In any case, to stimulate researchers to use Google’s database of books, the company is now giving so-called Digital Humanities Research Awards of $50,000 to those who manage to convince Google of the innovativeness and the feasibility of their research plan.

Automatic idea extraction
The same day the article appeared in Science, the Ngram Viewer was publicly released on the Google Labs website. ‘The Harvard researchers had privileged access,’ says Orwant, ‘but it’s my job to see that nobody needs privileged access in the future. We want to make as much information available as possible to as many people as possible. As we digitise more and more books, the Ngram Viewer will get better and better. But we are not saying to the researchers: “We’re Google. Trust us.” We want to make sure that all data will be available at any time and that researchers ten years from now can verify results using exactly the same data set.’

Asked about his future plans for Google Books, Orwant explains that progress will take place in what he calls the Digital Humanities Stack: extracting more and more meaning from books. The Digital Humanities Stack is an imaginary stack with seven layers of abstraction. The lowest layer consists of the scanned pages. On top of this are the text and the pictures that have to be distinguished on the pages. The third layer consists of the letters, symbols and punctuation that the optical character recognition has to extract from the scanned pages. ‘Thinking about the digital humanities,’ says Orwant, ‘it is Google’s goal that no humanities researcher will have to bother about these basic three layers.’

The next four layers are increasingly harder for computers to interpret. The fourth layer has to do with the structure of the page (such as a table of contents or index), the fifth with the syntax of the text, and the sixth with the meaning: the semantics. ‘And finally,’ says Orwant, ‘on top lies the hardest layer of all for a machine to interpret: the layer of ideas.’ He tells of an exciting thought experiment: ‘Whereas Einstein came up with the theory of relativity on his own, Newton and Leibniz both invented calculus independently, almost simultaneously. Maybe the idea of calculus was in the air? Wouldn’t it be great to investigate whether calculus really was in the air back then by analyzing all the books from that period? Can we find traces in other books as well?’ Extracting ideas from books – and not just easy-to-find facts – would be Orwant’s ultimate dream.

Internet
Google Books: books.google.com
Google Books Ngram Viewer: ngrams.googlelabs.com/
Website about analyzing cultural trends using Google Books: www.culturomics.org
The ‘CATCH to eCATCH’ symposium (May 2011): www.nwo.nl/nwohome.nsf/pages/NWOP_8F7CSG_Eng
Google Awards, including the Digital Humanities Research Awards: research.google.com/university/relations/research_awards.html
Examples of award-winning projects: googleblog.blogspot.com/2010/07/our-commitment-to-digital-humanities.html

Google Books Statistics
The estimated total number of unique books in the world (as of the beginning of 2011):

• 129 million (with a minimum estimate of 3.1 million Dutch books)

Scanned by Google (as of the beginning of 2011):

• 15 million books (11.6% of the total), 168,000 of which are in Dutch 
• 5 billion pages 
• 2 trillion words 

Google cooperates with (as of the beginning of 2011):

• more than 40 major libraries 
• more than 30,000 publishers 

Jon Orwant is Engineering Manager for Google Books, Google Magazines and Google Patents and is responsible for Google’s Digital Humanities Research Award. He is working on Book Search, Patent Search, visualizations and the digital humanities. Orwant holds Bachelor degrees in computer science and cognitive science from the Massachusetts Institute of Technology (MIT). He earned a Master’s degree and a PhD in media arts & sciences, also from MIT. He worked as CTO for O’Reilly & Associates (2000–2002) and as Director of Research at France Telecom (2002–2006). He joined Google Book Search in Boston in 2006. Orwant was a keynote speaker at the ‘CATCH to eCATCH’ symposium in Amsterdam (20 May 2011).

BBC Horizon documentary "Fermat's Last Theorem" (1996)

Dangerous Knowledge

Watch below the wonderful BBC-4 documentary 'Dangerous Knowledge' (2008) about four great mathematicians (well, actually Boltzmann is rather a physicist than a mathematician):

Georg Cantor, Ludwig Boltzmann, Kurt Gödel and Alan Turing.

Cantor and Gödel went insane, Boltzmann and Turing committed suicide...so dangerous the pursuit of knowledge can be.

Part 1 of the documentary:



Part 2:



Part 3:



Part 4:



Part 5:

Who are you?

I just stumbled on an interesting old movie, part documentary and part drama: Victim of the brain (1988). The movie dramatizes some old philosophical question about brain & mind:

What is the relation between brain and mind?
What is consciousness?
What happens to you when your brain is removed and lives on in a vat? Are you still you?
Can mere matter think or feel?

The movie is partly based on the book The mind's I, edited by Douglas Hofstadter and Daniel Dennett. Both Hofstadter and Dennett appear in the movie. Hofstadter talks about his view on consciousness, brain, mind and free will. Dennett is the key figure in the dramatic part of the movie, which is based on Dennett's own story 'Where am I?'. The Pentagon hires him to remove a radioactive device deep in the earth. However, it's a special type of radioactivity that only affects the brain and not the rest of the body. Therefore, his brain is removed and kept alife in a vat, whereas his body is send on the mission to remove the radioactive device...See what happens...

The movie also adopts the short story The seventh Sally by Polish science fiction writer Stanislaw Lem. The whole movie can be seen below via Google Video's:



And here are the three parts from the same movie in which Daniel Dennett's brain is removed and turned into a brain in a vat:

Turing Test and Chinese Room Experiment on Numb3rs

De zegetocht van de laser

Dit artikel is gepubliceerd in maandblad KIJK, mei 2010

Samen met de computer en de transistor behoort de laser tot de succesvolste uitvindingen van de 20e eeuw. Op 16 mei 2010 werd de laser vijftig jaar. 

Wat zou er gebeuren wanneer alle lasers ter wereld vandaag zouden uitdoven? Weg is dan vrijwel al het internet- en telefoonverkeer. Weg elektronisch zaken doen, weg mobiel telefoonverkeer, weg noodoproepen. Vrijwel al deze communicatie zit tegenwoordig namelijk verpakt in laserlicht dat door optische glasvezels schiet. Optische glasvezels verbinden de continenten met elkaar en vormen het zenuwstelsel van de moderne informatiemaatschappij. Pinautomaten, pinbetalingen en creditcardbetalingen zijn ook afhankelijk van glasvezelcommunicatie en doen er om dezelfde reden het zwijgen toe wanneer alle lasers het vandaag zouden begeven. Zelfs automatische verkeerslichten vallen uit omdat glasvezels hen niet meer kunnen vertellen wanneer ze rood of groen moeten worden.

Verder zouden ziekenhuizen en klinieken bepaalde operaties niet meer kunnen uitvoeren. Geen laserlicht meer voor het vastmaken van losgelaten netvlies, het dichtlaseren van opengesprongen bloedvaten of het bijslijpen van de ooglens ter correctie van het gezichtsvermogen. In je huiskamer kun je geen cd’s en dvd’s meer afspelen. Op kantoor doet de laserprinter het niet meer. In conferentiecentra moet de aanwijsstok de laserpointer vervangen. Bij de kassa in de supermarkt begeeft de streepjescodescanner het. Hetzelfde lot treft de bagagelabelscanners en e-ticketscanners op vliegvelden. De entertainmentindustrie moet lasershows schrappen en hologrammen zijn in het niets verdwenen. En bij het leger slaat de paniek toe omdat het niet langer kan vertrouwen op lasergeleide wapens die dankzij laserlicht recht op hun doel afgaan. Wanneer alle lasers vandaag zouden uitdoven, zijn de gevolgen schier eindeloos.

Honderden miljoenen lasers vuren dagelijks hun licht in duizenden toepassingen. Geen betere illustratie van het succes van de laser. De uitvinders hadden niet kunnen voorspellen dat het apparaat zo succesvol zou worden. De uitvinding van de laser is een schoolvoorbeeld van het succes van fundamenteel natuurkundig onderzoek, uit pure nieuwsgierigheid, zonder één duidelijk praktisch doel voor ogen.

Fata morgana 
Het is 1958 wanneer grote Amerikaanse onderzoekslaboratoria als Bell Labs, IBM, Westinghouse Electric en vele andere zich op de bouw van de eerste laser storten. Het is een tijd waarin ook bedrijfslaboratoria nog veel fundamenteel onderzoek doen. De wetenschappelijke principes op grond van waarvan een laser in principe moet kunnen werken, zijn dan net gepubliceerd. De ruwe bouwtekening van een laser ligt er ook al, maar niemand weet nog welk materiaal als lasermedium kan dienen. Er wordt volop geëxperimenteerd. Bell Labs waant zich de koploper in de race naar de laser. Het heeft op papier de beste onderzoekers aangetrokken en stopt er het meeste onderzoeksgeld in. Maar een jaar later, wanneer de beste laseronderzoekers op een internationale conferentie bij elkaar komen, heeft niemand nog aansprekende vooruitgang geboekt. Sommigen denken dat een laser een fata morgana zal blijven.

Maar dan ineens, op 16 mei 1960, slaagt de outsider Theodore Maiman van het bescheiden Hughes Research Laboratories in Californië erin de moordende concurrentie te verslaan en de eerste werkende laser te bouwen. Maiman gebruikt robijn als lasermedium, een materiaal waarvan de toponderzoekers van Bell hadden voorspeld dat het niet kon werken. Maar Maiman gelooft hen niet en gaat als een bezetene meten, rekenen en experimenteren. Hij is zowel natuurkundige als elektrisch ingenieur, en precies door de combinatie van wetenschappelijk inzicht en ingenieurskunde slaagt hij waar anderen falen.

De klap voor het verslagen Bell Labs is zo groot dat het bedrijf tot op heden nog probeert Maimans prestatie te kleineren en zelf de uitvinding van de laser te claimen. Zeer ten onrechte. Theodore Maiman is de eerste die een laser aan de praat kreeg. Jeff Hecht, een Amerikaanse journalist gespecialiseerd in alles wat over lasers gaat, vertelt het als volgt: “Als we er nu op terugkijken, lijkt de laser een bedrieglijk eenvoudig apparaat, maar dat is hij totaal niet. Maiman had er een Nobelprijs voor moeten krijgen, maar dat is helaas niet gebeurd.”

Het is in 1960 nog onduidelijk wat je precies met een laser kunt. Vooraanstaande laseronderzoekers en latere Nobelprijswinnaars als de Amerikanen Charles Townes en Arthur Schawlow zien het vooral als een wetenschappelijk instrument om de eigenschappen van atomen mee te onderzoeken. Maimans assistent Irnee D’Haenens noemt de laser een beetje gekscherend “een oplossing op zoek naar een probleem”. Maimans eerste laser wordt binnen enkele weken door meerdere onderzoeksgroepen nagebouwd, een bewijs van de eenvoud en robuustheid van zijn ontwerp. En binnen enkele jaren worden steeds meer nieuwe lasertypes ontwikkeld: andere kleuren, andere vermogens, andere toepassingsmogelijkheden.

In de jaren zestig blijft de laser nog vooral een wetenschappelijk instrument voor het onderzoeken van atomen. Midden jaren zeventig verschijnt de laser in de eerste consumentenproducten, met de streepjescodescanner in de supermarkt voorop. En spoedig wordt de laser big business en groeien de laserproducenten en lasertoepassingen als kool. Anno 2010, vijftig jaar na zijn uitvinding, kunnen we concluderen dat de laser samen met de transistor en de computer tot de grootste technologische successen van de 20e eeuw behoort. Het totaal aantal laserpatenten gaat sinds de uitvinding in 1960 ruim over de vijftigduizend heen, alleen voorbijgestreefd door aantallen motor- en computerpatenten. Jaarlijks worden wereldwijd een kleine miljoen lasers verkocht, van krachtige onderzoekslasers tot handzame laserpointers.

Ideaal licht 
Wat is het geheim van de laser? Waarom is hij zo succesvol geworden? Geen enkel ander licht is zo netjes in ruimte en tijd geordend als laserlicht. De laser produceert een lichtstraal van één bepaalde kleur of golflengte die nauwelijks naar de zijkanten uitwaaiert. Dat levert de strakke, vlijmscherpe lichtstralen die we kennen van laserpointers en lasershows. Hoe weinig een laserstraal uitwaaiert blijkt uit een vergelijking met het licht van een gewone zaklamp. Neem als voorbeeld een helium-neonlaser met een golflengte van 633 nanometer (een nanometer is een miljoenste van een millimeter) en een opening van één millimeter. De laserstraal heeft dus een breedte van een millimeter wanneer hij de laser verlaat. Deze laserstraal is na één kilometer nog steeds niet breder dan een meter. Ter vergelijking: het licht van een gewone zaklantaarn is na ruwweg tien meter al uitgedijd tot een bundel van een meter breed.

De nette ordening van laserlicht ontstaat doordat alle lichtgolven precies met elkaar in de pas lopen: golftoppen vallen precies over golftoppen, golfdalen precies over golfdalen. Heel anders dan gloeilampen, halogeenlampen of tl-lampen, die licht uitzenden van meerdere kleuren of golflengten tegelijk. Bovendien is hun licht een allegaartje van golven die door elkaar lopen. Zelfs een blauwe gloeilamp zendt meerdere tinten blauw uit, terwijl een blauwe laser één goed gedefinieerde kleur blauw uitzendt. De unieke ordening van laserlicht in ruimte en tijd maakt de laser ideaal voor toepassingen op de drie terreinen waarop hij de wereld in vijftig jaar heeft veroverd: informatieoverdracht en -verwerking (zoals telecommunicatie), energiebezorging op precies gedefinieerde plaatsen en tijdstippen (zoals materiaalbewerking), en bij het uitlijnen, meten en in beeld brengen (zoals laserafstandsmeting).

Lasertoekomst
Is de laser nu af, klaar, uitontwikkeld? Nee, verre van. Laserlicht kan nog krachtiger worden, nog smaller gebundeld en nog sneller gepulst. Bovendien kan de laser zelf steeds kleiner worden gemaakt. In 2009 maakten Amerikaanse onderzoekers de allerkleinste laser, eentje die kleiner is dan een enkel eiwit. Al deze ontwikkelingen gaan gestaag door en bieden uitzicht op nieuwe toepassingen.

Experts verwachten dat dat de laser binnen tien jaar zijn licht kan bundelen op een puntje niet groter dan een nanometer (een miljoenste millimeter) in doorsnede. Dat is honderden malen kleiner dan de golflengte van het licht zelf − tot voor kort onmogelijk geacht. Dit biedt grote mogelijkheden om digitale informatie op een nog kleinere oppervlakte op te slaan. Zulke miniatuurlaserbundels zouden alle films die ooit in Hollywood zijn gemaakt − zo’n honderdduizend − in hoge resolutie op de harde schijf van je pc kunnen schrijven.

Ook de pulsduur van gepulste lasers wordt steeds korter. De pulsduur is zoiets als de flitsduur van je fotoapparaat. Hij bepaalt hoe goed je beweging kunt bevriezen in een beeld. Hoe korter de pulsduur, hoe scherper je snelle bewegingen in beeld brengt. Het voordeel van gepulste lasers vergeleken met continue lasers is dat je veel meer energie in een korte tijd kunt leveren. De snelste lasers genereren nu femtosecondepulsen met een duur van een miljoenste van een miljoenste van een milliseconde. Binnen tien jaar worden attosecondelasers verwacht met een pulsduur die nog eens duizend maal korter is. Voor huis-, tuin en keukengebruik weinig zinvol, maar voor de wetenschap biedt dit ongekende mogelijkheden om beeld-voor-beeldopnamen te maken tijdens chemische reacties. Je kunt dan zien hoe elektronen zich gedragen tijdens deze reacties. En als je chemische reacties beter begrijpt, kun je die kennis ook gebruiken om ze beter te beheersen.

Ook in het het ingenieurswerk van laserproducten valt nog een wereld te winnen. Miniatuur sensoren die zijn uitgerust met kleine lasers kunnen straks bloedsuikerspiegel, zuurstofgehalte, alcoholgehalte en vele andere parameters van ons lichaam meten. Die sensoren kunnen zo klein worden dat ze gemakkelijk onder de huid geplaatst kunnen worden en real-time metingen kunnen verrichten om onze gezondheid in de gaten te houden. Het zijn maar een paar van de vele nieuwe mogelijkheden van de laser in 2020.

Welke nieuwe toepassingen het wel en niet gaan maken moeten we afwachten, net zoals de uitvinders van de laser in 1960 dat moesten afwachten. Maar dat er baanbrekende nieuwe toepassingen komen, staat vast. Jaarlijks worden nog steeds in rap tempo nieuwe laserpatenten ingediend. Het succes van de laser is nog lang niet ten einde.

[Kader] Hoe werkt een laser? 

Laser staat voor light amplification by stimulated emission of radiation. Centraal in elke laser staat het lasermedium: een gas, vloeistof of vaste stof waarin de lasertruc werkt. De lasertruc bestaat eruit dat de meerderheid van de atomen in een toestand wordt gebracht waarin ze in een hogere energietoestand zitten (aangeslagen toestand). Wanneer die aangeslagen atomen getroffen worden door lichtdeeltjes met precies de juiste golflengte, worden ze gestimuleerd zelf nieuwe lichtdeeltjes uit te zenden met precies dezelfde golflengte als die van de invallende lichtdeeltjes. Dat heet gestimuleerde emissie. Bovendien is het bijzondere dat de golven precies met elkaar in de pas lopen.

Gestimuleerde emissie is het centrale natuurkundige principe van de laserwerking. De kunst is om een materiaal te vinden of te maken − het lasermedium − waarin dit fenomeen zich kan voordoen. Het lasermedium bepaalt de kleur van het laserlicht. Om het lasermedium te laten laseren, moet je er op een of andere manier energie in stoppen. Dat gebeurt met elektriciteit of licht (het pompsysteem). Naast een lasermedium en een pompsysteem heb je ook een lichtversterker nodig. De versterker kaatst het opgewekte licht tussen twee spiegels heen en weer waardoor het lasermedium steeds opnieuw wordt gestimuleerd om licht van precies dezelfde golflengte uit te zenden, waarbij alle lichtgolven met elkaar in de pas lopen. Een van de spiegels is gedeeltelijk doorlatend en wanneer het laserlicht sterk genoeg is geworden, schiet het naar buiten als een laserstraal. Een laser kan continu of gepulst een laserstraal produceren. Golflengte (kleur), pulsduur, vermogen en breedte van de laserstraal variëren per lasertype en lasertoepassing.

Internet
www.laserfest.org/ Veel achtergrondinformatie over de laser op deze site over de viering van 50 jaar lasers.
www.aip.org/history/exhibits/laser/interviews.html Interviews met laserpioniers
www.innovations.gatech.edu/lasers/index.php The future of lasers
www.youtube.com/watch?v=7wyp909mQPM De beroemde laserscène in de James Bond-film Goldfinger uit 1964

Literatuur
Beam − The race to make the laser. Spannend verhaal over de uitvinding van de laser, van laserjournalist Jeff Hecht. Oxford University Press (2005)