Многие научные открытия — от тефлона до рентгена — свершились благодаря случайным ошибкам. Падение яблока помогло Исааку Ньютону вывести закон всемирного тяготения, а забытая на подоконнике чашка с плесенью позволила Александру Флемингу открыть пенициллин. Ко Всемирному дню науки исследователи российского ИТ-вуза рассказали о подобных примерах в истории и в их работе.
Ректор Университета Иннополис Александр Гасников поделился историей об исследовании Дэвида Хьюбела и Торстена Визеля, которые случайно обнаружили принципы работы зрительной коры головного мозга: «В начале 1960-х годов американские нейрофизиологи ставили эксперименты на статистических картинках и записывали активность отдельных нейронов у кошек, но сначала не могли понять закономерность, согласно которой происходит возбуждение нервных клеток. Открытие произошло в момент, когда они случайно сдвинули рассматриваемую картинку: изучаемый нейрон (клетка) внезапно начала реагировать на конкретные признаки — появление границы (определённой линии). Это натолкнуло учёных на гипотезу, которая вскоре была подтверждена: каждый нейрон определённого типа реагирует на специфичную для него линию, что в последующем формирует зрительные образы. За своё исследование авторы получили Нобелевскую премию в 1981 году. Это открытие определило архитектуру свёрточных нейронных сетей с пулингом и стало предзнаменованием начала эпохи искусственного интеллекта, в которой мы сейчас живём».
«Наше первое настоящее открытие случилось совершенно неожиданно. На протяжении двух или трёх часов у нас ничего не получалось. Затем постепенно мы начали различать какие-то смутные и непостоянные ответы при стимуляции где-то на границе между центром и периферией сетчатки. Мы как раз вставляли слайд на стекле в виде тёмного пятна в разъём офтальмоскопа, когда внезапно через аудиомонитор клетка зарядила как пулемёт. Спустя некоторое время после небольшой паники мы выяснили, что же случилось. Конечно, сигнал не имел никакого отношения к тёмному пятну. Во время того, как мы вставляли слайд на стекле, его край отбрасывал на сетчатку слабую, но чёткую тень в виде прямой тёмной линии на светлом фоне. Это было именно то, чего хотела клетка, и, более того, она хотела, чтобы эта линия имела строго определённую ориентацию. Это было неслыханно. Сейчас даже трудно подумать и представить себе, насколько далеко мы были от какой-либо идеи относительно того, какую роль могут играть клетки коры в обычной жизни животного», — привёл ректор слова Дэвида Хьюбела из нобелевской речи.
Декан Факультета компьютерных и инженерных наук Университета Иннополис Мануэль Маццара поделился: «Случайные открытия в науке — широко обсуждаемая тема. Хотя большинство известных историй связаны с медициной, химией и материаловедением, они есть и в программной инженерии. Как я объясняю студентам, программные системы построены на уровнях абстракции и изменение на одном уровне может неожиданно проявиться на другом. Яркий пример — манифест Agile, рожденный как “акт отчаяния” разработчиков, уставших от бюрократии. Документ определяет четыре основные ценности и 12 принципов, которые помогают противостоять ограничениям традиционных подходов и делают процесс разработки более адаптивным. Эта вынужденная мера произвела революцию в работе команд при разработке ПО за последние десятилетия».
Во время научной деятельности в аспирантуре Мануэль Маццара и сам не раз сталкивался с неожиданными открытиями: попытка разобраться в работе движка BPEL (Business Process Execution Language) от Oracle привела к разработке формальной семантики для механизма восстановления BPEL Recovery Framework. Позже на основе этого подхода он создал расширение π-исчисления, которое легло в основу докторской диссертации исследователя.
Также декан отметил, что случайные удачи в науке играют роль на этапе зарождения идей: «В Университете Иннополис простые разговоры за кофе нередко приводили к интересным разработкам и публикациям. Значительная часть моей профессиональной карьеры была связана с такими удачами, в том числе моя самая цитируемая статья “Microservices: Yesterday, Today, and Tomorrow” о стиле программирования, вдохновлённом сервисно-ориентированными вычислениями».
Профессор Центра образовательных программ топ-уровня в сфере искусственного интеллекта Университета Иннополис Юлия Цыганова привела статистику — по оценкам психологов Кевина Данбара и Джонатана Фугельсанга, 33—50% научных открытий происходят неожиданно, причём и сами учёные часто называют их счастливой случайностью: «Даже в классическом примере, когда Исаак Ньютон открыл закон гравитации, наблюдая за упавшим с дерева яблоком, — сразу несколько совпадений. Учёный оказался в саду у дома, потому что университет был закрыт из-за вспышки эпидемии чумы».
«Больше всего меня вдохновляет история создания фильтра Калмана — всемирно известного и эффективного вычислительного алгоритма для обработки зашумлённых данных. Чаще всего его применяют для решения задач, связанных с навигацией, наведением и траекторным слежением. Сам Рудольф Калман признавал роль везения: идея фильтра пришла к нему в конце ноября 1958 года, когда его поезд из Принстона в Балтимор по какой-то причине простоял на станции в течение часа. Именно эта вынужденная остановка позволила ему сформулировать ключевую идею, как можно решать сложные задачи фильтрации данных — шаг за шагом, на ограниченном интервале наблюдений, используя описание систем в пространстве состояний. Своё открытие он назвал истинным, потому что результат оказался одновременно простым, универсальным и невероятно полезным. А смог бы Калман отыскать знаменитое решение, которое используют математики и инженеры уже более полувека, если бы остановки поезда не было?», — поделилась Юлия Цыганова.
Доцент Лаборатории высокопроизводительных вычислений Университета Иннополис Мохаммад Алкуса рассказал о подобных случаях из своей практики: «Случайности и ошибки не раз приводили к новым исследованиям и сотрудничеству. Так случилось после публикации моей статьи “Оптимальная скорость сходимости для методов зеркального спуска со специальными правилами для изменяющихся во времени размеров шагов”. Коллега из Китая обнаружил небольшую неточность в доказательстве одной из теорем, мы исправили ту ошибку и продолжили дальнейшие исследования совместно. И такие ситуации — не редкость в науке. Английский математик Эндрю Уайлс спустя 7 лет исследований доказал теорему Ферма, которая оставалась нерешённой почти 350 лет. О научном прорыве тогда объявили в The New York Times в 1993 году. Однако после публикации в доказательстве нашли ошибку. Эндрю совместно с учеником в течение года исправили неточность и официально доказали теорему».
«Нередки научные “случайности”, когда учёным снились решения сложных задач. Так, например, математик-самоучка из Индии Сриниваса Рамануджан утверждал, что формулы являлись ему во сне. Когда я был аспирантом, мне самому несколько раз снились решения задач, над которыми я работал наяву. К сожалению, мне не везло и каждый раз, просыпаясь, я забывал решения. Эти примеры показывают, что научные открытия часто рождаются на стыке случайности, а ошибки становятся началом чего-то нового», — подытожил Мохаммад Алкуса.
С историей случайного открытия в студенческие времена поделился руководитель Лаборатории искусственного интеллекта в новых материалах Университета Иннополис Руслан Лукин: «Во время работы над гомогенным катализом, а конкретно, над реакциями гидросилилирования, мне стало интересно, что будет, если поставить ту же реакцию, но заменить платину на медь в качестве катализатора? И реакция пошла, кроме того, она была селективной. Несколько следующих опытов также прошли успешно. Я уже представлял, как сообщу научному руководителю о результате и начну писать статью, которая могла стать революционной. Это открытие положило бы начало целому направлению, где дорогую платину заменяют более дешёвыми и доступными металлами».
«Однако повторные эксперименты упорно не давали результата, и разгадка оказалась не в химии. В новых опытах я использовал новые магнитные мешальники — магниты в химически стойкой оболочке, которые перемешивают смеси и составы за счёт образуемого магнитного поля. А в первых экспериментах использовались старые мешальники, на поверхности которых прочно закрепились микрочастицы платины из предыдущих опытов. По сути эти мешальники надолго стали каталитически активными, потому что ни щёлочь, ни физическое воздействие не мешали протекать реакциям. Именно они, а не медь, были истинными катализаторами всех “успешных” реакций. Я предполагал, что почти совершил открытие, найдя замену платине, в итоге эта история осталась забавным воспоминанием. Позже я узнал, что с подобным феноменом “каталитически активных мешалок” столкнулся наш коллега — химик Валентин Анаников. Этой теме он посвятил выступление на конференции по металлоорганике. Вывод здесь один: если вы не знаете химию, то всё вокруг становится магией, а если вы не моете тщательно лабораторную посуду, то все реакции становятся каталитическими», — объяснил Руслан Лукин.
