هل يحتاج علم الحاسوب إلى الحواسيب؟

احصل على آخر الأخبار مباشرة في بريدك الإلكتروني.

منشور مستقل تحريرياً تدعمه مؤسسة سيمونز (Simons Foundation).

اكتب عبارة (أو عبارات) البحث واضغط إدخال

• حفظ المقال للقراءة لاحقاً للقراءة لاحقاً

كان عالم الحاسوب الرائد إدسخر ديكسترا (Edsger Dijkstra)، الحائز على جائزة إيه إم تورنغ (A.M. Turing Award) لعام 1972 ومبتكر إحدى أكثر الخوارزميات شهرة في تاريخ الحوسبة بأكمله، صاحب آراء قاطعة وصريحة للغاية. فقد أثارت بعض لغات البرمجة غضبه على سبيل المثال: إذ وصف لغة فورتران (Fortran) ذات مرة بأنها «الاضطراب الطفولي»، وصرّح بأن «استخدام لغة كوبول (COBOL) يُشل العقل؛ ولذا ينبغي اعتبار تدريسها جريمة جنائية». وفي تبريره لعزوفه عن استخدام الحواسيب في عمله الخاص، كتب: «ليس مطلوباً من الباحثين في المجال الطبي أن يعانوا من الأمراض التي يبحثونها».

صادفتُ آراء ديكسترا الجريئة لأول مرة منذ قرابة أربع سنوات، بعد فترة وجيزة من انضمامي إلى مجلة كوانتا ككاتب ضمن فريق العمل لتغطية علم الحاسوب. كان الموضوع جديداً بالنسبة لي — إذ كنت صحفياً في مجال الفيزياء، وقبل ذلك فيزيائياً — وسرعان ما أدركت أن معظم الناس لا يعرفون كيف يفسرون مسمى «كاتب في علم الحاسوب». ففي الخطاب العام الأوسع، يُعد علم الحاسوب مرادفاً تقريباً للبرمجة أو كتابة الأكواد، ولكننا في كوانتا نغطي الجانب النظري الأقل فهماً من هذا المجال. ثم عثرت على مقولتي المفضلة من بين العبارات العديدة التي لا تُنسى والمنسوبة إلى ديكسترا: «علم الحاسوب لا يدور حول الحواسيب أكثر مما يدور علم الفلك حول التلسكوبات».

وتبيّن أن هذا التشبيه ربما لم ينشأ مع ديكسترا، لكنه كان ليؤيد هذا المعنى على الأرجح. بالنسبة لي، قدم الاقتباس طريقة موجزة ومثيرة للاهتمام للتمييز بين تقاريري الصحفية والصحافة التقنية. ولا أستطيع أن أنكر أنه كان أمراً ممتعاً ومحفزاً؛ إذ أشار إلى أن المجال الذي أغطيه يدور حول شيء عميق وخالد ويتجاوز مجرد الابتكار التكنولوجي.

واعتدتُ على الاستشهاد بهذا التشبيه بانتظام — بما في ذلك في إحدى حلقات بودكاست كوانتا (The Quanta Podcast) — لكني بدأت أيضاً أشكك فيه لأسباب لم أستطع صياغتها بدقة. هل كنت أشعر بالذنب فحسب إزاء لمزة ضمنية لزملائي السابقين الذين يبنون التلسكوبات، أم أن التشبيه يغفل جانباً مهماً؟

قررت أن أحاول سبر أغوار هذه المسألة. هل يدور علم الحاسوب حقاً حول الحواسيب؟ وإذا لم يكن الأمر كذلك، فما هو جوهره بالضبط؟

كنت أخوض في غمار نقاش قديم للغاية. فقد بدأ الباحثون في تطوير نظرية رياضية للحوسبة في ثلاثينيات القرن العشرين، وبنى المهندسون أولى الحواسيب الإلكترونية ذات الأغراض العامة في الأربعينيات. ثم ظهر علم الحاسوب كتخصص أكاديمي مستقل في العقود التالية، عندما تلاقت التقاليد البحثية للرياضيات والهندسة معاً، وسرعان ما أعقب ذلك جدالات حول طبيعة المجال الجديد. وفي عام 1967، أعلن علماء الحاسوب البارزون ألين نيويل (Allen Newell) وألان بيرليس (Alan Perlis) وهيربرت سيمون (Herbert Simon) عن موقفهم في رسالة حماسية إلى المحرر في مجلة ساينس (Science)، وكتبوا فيها، ربما بشيء من الاستياء: «أينما وُجدت ظواهر، يمكن أن ينشأ علم لوصف تلك الظواهر وتفسيرها. وهناك حواسيب؛ إذن، علم الحاسوب هو دراسة الحواسيب».

وجّه نيويل وبيرليس وسيمون رسالتهم جزئياً إلى النقاد الذين جادلوا بأن أي علم يستحق اسمه يجب أن يدرس الظواهر الطبيعية. وردوا بأمثلة على ظواهر اصطناعية تُعتبر جديرة بالدراسة في علوم راسخة، مثل الكيمياء. وفي كتابه الصادر عام 1969 بعنوان «علوم الاصطناعي» (The Sciences of the Artificial)، ذهب سيمون إلى أبعد من ذلك وتبنى هذا التمايز: إذ جادل بأن التركيز على الأنظمة الاصطناعية المصممة عن قصد هو تحديداً ما يجعل علم الحاسوب مميزاً.

وفي عام 1974، قدم عالم الحاسوب دونالد كنوث (Donald Knuth) رؤية متميزة للمجال تركز على عملية الحوسبة بدلاً من الحواسيب نفسها. وعرّف علم الحاسوب بأنه دراسة الخوارزميات، أو الإجراءات الدقيقة خطوة بخطوة، التي تستخدمها الحواسيب لإنجاز المهام. ويمكن تطبيق الخوارزميات بلغات برمجة مختلفة، بالطريقة نفسها تقريباً التي يمكن بها التعبير عن الأفكار باللغة الإنجليزية أو المندرينية أو العربية. كما يستخدم البشر الخوارزميات أيضاً، ليس فقط لحل المسائل الرياضية، بل أيضاً لمهام مثل فرز العناصر. ومن هذا المنظور، تُعد الرياضيات الكامنة وراء الحوسبة جوهرية؛ ولا تكتسب الحواسيب أهميتها إلا لأنها تفتح الباب لمسائل لا يمتلك البشر الوقت ولا الصبر لمعالجتها بمفردهم.

يبدو تعريف كنوث جذاباً بالنسبة لي، ولكن يصعب إنكار بساطة التعريف الذي قدمه سيمون وزملاؤه. ومع ذلك، لا يبدو أن هذه التعريفات أو غيرها قد حظيت بقبول عالمي بين الباحثين. ولماذا حدث ذلك؟ سألتُ ويليام رابابورت (William Rapaport)، الأستاذ الفخري لعلم الحاسوب والفلسفة في جامعة بافالو (University at Buffalo)، والذي وثّق على نحو مستفيض التعريفات العديدة المقترحة لعلم الحاسوب. فأشار إلى أن الخلاف ينبع في نهاية المطاف من الأصول غير المعتادة للمجال، والتي تجمع بين تخصصات متعددة.

قال لي: «لعلم الحاسوب والدان: والد رياضي، ووالد هندسي، وهو في الحقيقة هجين بين الاثنين».

ولا يزال رابابورت يرى نوعاً من الوحدة الفكرية في هذا المجال — فهو أكثر من مجرد رياضيات وهندسة تتخفيان في معطف واحد. ففي رأيه، علم الحاسوب هو دراسة لسؤالين محوريين، يعالجهما كل تخصص فرعي بطريقته الخاصة: «ما الذي يمكن حسابه، وكيف تحسبه؟».

وجدتُ هذا التأطير مفيداً. فمن الواضح أن هناك فروعاً في علم الحاسوب تكون فيها عتاد الحاسوب وبرمجياته أساسية، مثل تصميم أنظمة التشغيل أو دراسة إدارة الذاكرة. لكني في نهاية المطاف مهتم أكثر بالجانب النظري للمجال، حيث لا يحتاج الباحثون أبداً إلى لمس حاسوب مادي حقيقي. فهل تلعب الحواسيب دوراً مفاهيمياً أساسياً في هذا العمل النظري؟ هذا ما كان عليّ التحقيق فيه إذا كنت سأحسم مشاعري المختلطة حيال مقولة ديكسترا.

لنبدأ بسؤال رابابورت الأول: ما الذي يمكن حسابه؟ لكي تبدأ حتى في الإجابة عن هذا السؤال من منظور نظري، يتعين عليك البدء بصياغة رياضية رسمية للحوسبة — وهو ما يطلق عليه الباحثون نموذج الحوسبة. وفي ثلاثينيات القرن العشرين، اقترح الباحثون عدة نماذج متباينة للحوسبة وبدأوا في دراسة تداعياتها.

ثم، في ورقة بحثية شهيرة عام 1937، ابتكر عالم الرياضيات آلان تورنغ (Alan Turing) نموذجاً قائماً على آلات افتراضية يمكنها قراءة وكتابة الرموز المطبوعة على شريط لا نهائي وفقاً لمجموعة من القواعد البسيطة. وسرعان ما أثبت تورنغ وآخرون أن نموذج «آلة تورنغ» بالغ التأثير هذا كان مكافئاً رياضياً للنماذج التي اقترحها باحثون آخرون. وفجأة، بدلاً من عدة تعريفات متباينة، أصبح لدى الباحثين نظرية موحدة وشاملة للحوسبة.

ومع ذلك، لم تكن نظرية تورنغ للحوسبة تدور حول الحواسيب في الواقع، على الأقل في البداية. فعندما كتب تورنغ ورقته الرائدة، لم يكن يمتلك حاسوباً ذا أغراض عامة فحسب، بل لم يكن مدفوعاً حتى بالرغبة في فهم كيفية عمل مثل هذه الآلات المستقبلية؛ بل كان يحاول حل مسألة محورية في أسس الرياضيات. ورأى في آلته وسيلة لنمذجة النشاط العقلي لإنسان يقوم بعمليات حسابية.

علاوة على ذلك، فإن نظرية الحوسبة قابلة للتطبيق على نطاق واسع على أشياء لا نعدها حواسيب. فغالباً ما يدرس الباحثون العمليات الطبيعية من خلال نمذجتها كعمليات حوسبة وتحليلها رياضياً. واستخدموا هذه العدسة الحوسبية للكشف عن السلوك غير المتوقع في الأنظمة الفيزيائية، وتحليل الديناميكيات التطورية، والتصدي لألغاز في الجاذبية الكمية، من بين تطبيقات أخرى. والمفارقة هنا هي أن المجال الذي أشاد به سيمون بوصفه «علم الاصطناعي» في ستينيات القرن العشرين، بات الآن محورياً لفهمنا للعالم الطبيعي.

قال توم غور (Tom Gur)، عالم الحاسوب النظري في جامعة كامبريدج (University of Cambridge): «يمكنك رؤية العلوم الأخرى من خلال الحوسبة؛ إنها هذا النمط المنطقي الأساسي الذي يتجلى في كل مكان تقريباً».

يبدو أن الإجابة عن سؤال رابابورت الأول تدعم مقولة ديكسترا جيداً. ثم يأتي سؤال رابابورت الثاني: بمجرد أن تقرر أنك تريد حساب شيء ما، كيف تفعله بالضبط؟ بالنسبة لعلماء الحاسوب النظريين، تكمن الإجابة في رياضيات الخوارزميات. ففي أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات من القرن العشرين، بدأوا في بناء إطار عمل لقياس الوقت الذي تتطلبه الخوارزميات لحل المسائل المختلفة كمياً، عند مستوى رياضي مجرد يتفادى جميع تفاصيل عتاد الحاسوب.

وسرعان ما أدركوا أن هناك اختلافات نوعية مهمة بين المسائل التي قد تنشأ في التطبيقات العملية، مثل تخطيط المسارات عبر الشبكات وتحليل الأعداد إلى عواملها. وكل هذه المسائل يمكن، من حيث المبدأ، حلها بواسطة خوارزميات. ومع ذلك، لم تكن هناك سوى خوارزميات ذكية لبعضها فقط لإنتاج حل سريع. أما بالنسبة للمسائل الأخرى، فكانت الخوارزميات المعروفة الوحيدة بطيئة للغاية. وشكّلت محاولات الوصول إلى جذور هذه الاختلافات بداية لنظرية التعقيد الحوسبي، وهو التخصص الفرعي لعلم الحاسوب النظري الذي يدرس الصعوبة الكامنة للمسائل المختلفة، ويوفر الأساس لأنظمة التشفير الحديثة.

قال كريستوفر مور (Cristopher Moore)، وهو عالم حاسوب نظري في معهد سانتا في (Santa Fe Institute): «تمتلك المسائل الرياضية بنية أساسية تجعلها أسهل أو أصعب نوعياً في الحل. فالأمر لا يتعلق بمدى سرعة حاسوبك، ولا بمدى ذكائك».

وإذا كانت الرياضيات، بمعنى ما، هي لغة الواقع، فإن رسم معالم هذه البنية الخفية يمكن أن يبدو «مثل اكتشاف قوانين الكون»، كما عبّر عن ذلك عالم نظرية التعقيد فالنتين كابانيتس (Valentine Kabanets) من جامعة سيمون فريزر (Simon Fraser University) في كندا، عندما تحدثت معه قبل بضع سنوات لكتابة قصة محيرة للعقل حول أشهر مسألة مفتوحة في نظرية التعقيد.

وأشارت التطورات اللاحقة في نظرية التعقيد إلى اتجاهات تبدو أقل ارتباطاً بالحوسبة. وكمثال على ذلك، أشار غور إلى مفاهيم جديدة للإثبات الرياضي ظهرت من نظرية التعقيد في ثمانينيات وتسعينيات القرن العشرين. ومن خلال إعادة تصور الإثبات بوصفه تفاعـ