Vinton G. Cerf: "Стойността на инвестициите на правителството на САЩ не може да бъде надценена"


В четвъртък, 17 юли, четирима научни експерти служеха като свидетели в Комитета по търговия, наука и транспорт на Сената на САЩ, „Федералното портфолио за научни изследвания: капитализиране на инвестициите в научноизследователска и развойна дейност. (НИРД), както и инициативите за образование и информационни кампании в страната. В заседателната зала на Капитолия присъстваха Мариет ДиЧристина, главен редактор и старши вицепрезидент на; Винтън Г. Серф, ко

В четвъртък, 17 юли, четирима научни експерти служеха като свидетели в Комитета по търговия, наука и транспорт на Сената на САЩ, „Федералното портфолио за научни изследвания: капитализиране на инвестициите в научноизследователска и развойна дейност. (НИРД), както и инициативите за образование и информационни кампании в страната.

В заседателната зала на Капитолия присъстваха Мариет ДиЧристина, главен редактор и старши вицепрезидент на; Винтън Г. Серф, компютърен учен, интернет евангелист на Google и един от бащите на Интернет; Нийл Ф. Лейн, бивш директор на Службата за наука и технология в Белия дом; и Стивън Е. Фиенберг, професор по статистика и социални науки в университета Карнеги Мелън.

Признавайки необходимостта от дългосрочни инвестиции в науката и технологиите, Конгресът прие актовете на Америка COMPETES от 2007 и 2010 г. за значително увеличаване на федералните бюджети за научноизследователска и развойна дейност, за насърчаване на образованието STEM (наука, технология, инженерство и математика) и за подкрепа на иновациите, необходими за икономически растеж.

По-долу е представен пълният текст на писменото свидетелство на Vinton G. Cerf.

Председател Рокфелер, член на класацията Thune, членове на комитета, изтъкнати участници и гости, имам честта и удоволствието да имам възможността да участвам в изслушване по тема, за която съм страстен и ангажиран: основни изследвания. Няма заместител на дълбокото разбиране на природните и изкуствените явления, особено когато нашето национално и глобално благосъстояние зависи от способността ни да моделираме и да правим прогнози за тях. Трудно би било да се надценят ползите, които са реализирани от инвестициите на американското правителство и американската индустрия в научните изследвания.

Сигурен съм, че всеки член на тази комисия е добре запознат с фундаменталната научна парадигма: Теориите са разработени, за да обяснят наблюденията или да спекулират как и защо нещата могат да работят. Провеждат се експерименти, за да се потвърди или опровергае предсказанията на теорията. Теориите се ревизират въз основа на експериментални резултати.

Основни и приложни изследвания
Докато основният фокус на вниманието в този панел е върху фундаменталните изследвания, аз се чувствам принуден да наблюдавам, че основните и приложните изследвания вървят ръка за ръка, информират и стимулират взаимно в безкрайното партньорство Ин и Ян. В известен смисъл приложните изследвания са форма на валидиране, тъй като успехът (или неуспехът) на заявлението може да засили или да противоречи на теоретично прогнозираните резултати и теорията. Фундаменталните изследвания се опитват да разберат и приложни изследвания се опитват да направят и често трябва да преследват и двете в усилията за разкриване на нови знания.

Бих искал да използвам интернет като пример за приложни изследвания, за да направя няколко точки. Интернет е замислен за първи път от Боб Кан в края на 1972 г. Той и аз работихме заедно по тази идея през 1973 г., публикувайки първия документ за неговия дизайн през май 1974 г. Той стартира оперативно на 1 януари 1983 г. Агенцията за изследователски проекти (DARPA), интернет привлече силна мотивация от по-ранните и изключително успешни ARPANET и по-късни проекти за Packet Radio и Packet Satellite. Проектът „Пакет Сателит“ също отчасти привлече резултатите от друг проект, наречен „Алоханет“, който беше спонсориран от Службата за аерокосмически изследвания (SRMA) и DARPA от ВВС на САЩ. NSF имаше голям принос за развитието на Интернет и драматичното разширяване на академичната общност с проекта си NSFNET, който свързва суперкомпютрите на NSF с изследователската общност. ESNET на Министерството на енергетиката и Научният интернет на НАСА (NSINET) добавиха енергията към това развитие.

Първо, успешните приложни изследователски проекти като интернет може да отнемат много време за развитие. Беше десет години от концепцията до въвеждането на системата и изискваше постоянно финансиране и застъпничество по време и след този период, да не говорим за предшестващите го изследвания и експерименти.

Второ, докато преди всичко е инженерингов и приложно-изследователски проект, тогава системата продължава и продължава да развива нови теоретични и аналитични предизвикателства. Ние все още развиваме теории и модели на поведението на тази сложна, растяща и развиваща се система, докато измерваме, наблюдаваме и анализираме нейното изпълнение. Приложенията на интернет продължават да водят изследвания, насочени към разбиране и подобряване на неговата работа или при изобретяването на нещо по-добро.

Трето, отдалечеността играе важна роля в развитието на функционалността на интернет и приложенията, които тя поддържа. Мрежовата електронна поща се появи като основно, но непланирано приложение на ARPANET. Световната мрежа (WWW) първоначално е замислена през 1989 г., за да подпомогне споделянето на научни статии по физика на частиците в Центъра за европейски ядрени изследвания (CERN). Тя се разпространи бързо в интернет след въвеждането на браузъра MOSAIC от Националния център за суперкомпютърни приложения на NCF (NCSA) в Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн в края на 1992 г. и създаването на корпорацията Netscape Communications през 1994 г. се превърне в най-широко използваното приложение в интернет. Въпреки че WWW е била замислена за конкретно приложение, нейната всеобхватност и тази на основния интернет, създава условия за рог на изобилието от нови употреби, които продължават да се измислят ежедневно.

Изследванията отнемат време
Валидирането на фундаменталните изследвания също може да отнеме много време. Идеята за инфлацията на ранната вселена все още очаква задоволително потвърждение. Постулиран от Алън Гут (наред с други) около 1974 г., последните резултати от тази година, от измервания, направени от експеримента BICEP2, показват, че тази теория е вярна, но има значителни дебати относно интерпретацията на измерванията. Докато общността очаква по-нататъшно потвърждаване или опровергаване на експериментално валидиране на измерванията, важно е да се признае, че средствата за събиране на потенциално валидиращи експериментални данни отне 30 години, за да достигнат зрялост. Подобно наблюдение може да се направи и за скорошно откриване на бозон на Хигс от екипа на големия адронен коллайдер в ЦЕРН. Петър Хигс и колегите му предположиха съществуването на тази основна частица и свързаното с нея поле около 1964 г., но отнема 50 години за експерименталния капацитет да тества тази теория, за да достигне точката, в която могат да се предприемат такива тестове.

Рисковано е: няма гаранции
Струва си да спрем за момент, за да оценим, че научните изследвания, по своята същност, не винаги могат да гарантират резултати. Освен това, понякога резултатите могат да дойдат под формата на изненади. Каноничен пример е откритието от Александър Флеминг през 1928 г., че пеницилиумът произвежда антибиотик. Той реагираше на необяснима забележка в някои петриеви ястия, които забеляза. Едва 13 години по-късно през 1941 г. активното съединение, което наричаме пеницилин, е изолирано. Най-добрите учени са тези, които са нащрек за аномалии и се стремят да ги разберат. Нобелови награди не получават учените, които пренебрегват аномалиите. Те отиват при учените, които виждат неочаквани резултати и казват: „а? Това е смешно! ”И се опитайте да разберете какво стои зад неочаквано наблюдение.

В това пространство се изисква смирение. Човек чува термина "закони на физиката", сякаш наказанието очаква някой или нещо, което се осмелява да ги наруши. И все пак, ние знаем, че тези така наречени закони могат да бъдат само приближения на реалността - ограничени от точността на нашите измервателни инструменти и експериментален капацитет за валидиране на техните прогнози. Всеки учен трябва да бъде готов да отхвърли или да преразгледа една теория за домашните любимци, ако измерването и наблюдението го противоречат.

Може би по-важно е способността да се издържи високорисково проучване с високи доходи. Американската индустрия може да си позволи да поеме известен риск, но устойчивите предприятия рядко са в състояние да инвестират в много дългосрочни изследвания. Рисковият капитал, въпреки че е готов да поеме значителен риск, търси краткосрочни изплащания. Способността да се поеме устойчив, дългосрочен риск за потенциална дългосрочна полза до голяма степен зависи от правителството. Съединените щати се възползваха от поемането на този вид проучвания, както се вижда от научноизследователските програми на Националната научна фондация (NSF), Агенцията за напреднали изследвания в областта на отбраната, Националните институти по здравеопазване, националните институти за стандарти и технологии, както и много други. други правителствени програми, подкрепяни от правителството на САЩ.

В тази област най-голяма роля играят Конгреса на САЩ и комисиите, фокусирани върху научните изследвания и развитие. Последователната и нарастваща подкрепа за основни и приложни изследвания и напреднало развитие е източникът на най-големия напредък в науката и технологиите през последните 70 години. Американската икономика е завист на света, до голяма степен поради този последователен цикъл на дългосрочни изследвания и неговото прилагане към продукти и услуги в близко бъдеще.

Значението на провала
Провалът е слугиня на мъдростта в научния свят. Когато правим прогнози или изграждаме системи, базирани на нашите теоретични модели, трябва да сме подготвени и да се учим от нашите неуспехи. Разбирането на причината за провала понякога е дори по-важно от положителните резултати, тъй като може да проправи пътя за по-дълбоко разбиране и по-точни модели на реалността. В научното предприятие свободата да се поеме риска и да се приеме потенциалът на провала прави разликата между просто постепенно усъвършенстване и пробиви, които отварят нови перспективи за разбиране.

В края на 18-ти век се смята, че нютоновия модел на Вселената е завършен и че ние просто трябва да измерваме физическите константи по-точно, за да можем да направим недвусмислени предсказания. През 1905 г. четирите статии на Айнщайн относно фотоелектричния ефект, движението на Брауната, специалната относителност и еквивалентността на масовата енергия (E = Mc2) разбиват самодоволството на физиката от началото на 20-ти век. Той показа, че чисто нютоновите понятия не са достатъчни, за да обяснят измерените наблюдения. Той усложнява въздействието си през 1915 г. с публикуването на неговите монументално важни полеви уравнения на общата теория на относителността.

Изследването на природата на атома води до развитието на квантовата теория на полето, която започва през 1920-те години. Усилията за съвместяване на крайно контра-интуитивните, но изключително точни прогнози с геометричната теория на пространството-време на Айнщайн не са довели до очевидни плодове. Иронията на всичко това е, че ние сега вярваме, че физиката на много малките е изключително важна за изучаването на вселената като цяло, защото ранната вселена в момента на т. Нар. Голям взрив беше толкова малка и гъста и гореща, че изглежда, че квантовите модели доминират поведението му. Геометричната теория на Айнщайн просто се разпада при тези условия и не предвижда прогнози за употреба.

Ако сме научили нещо в течение на последните сто години, то е, че знаем по-малко, отколкото някога сме смятали, че знаем за света около нас. За учените това означава само, че територията, която предстои да бъде изследвана, е просто по-голяма от всякога и това откритие ни очаква на всеки ход.

Ролята на компютрите
Ричард Хаминг е легендарен цифров анализатор. Както знаменито е отбелязал: "Целта на компютрите е прозрение, а не цифри." Компютри, изчисления, работа в мрежа и обмен на информация станаха важни части от изследователския пейзаж през последните 50 години. Световната мрежа и търсачките, които са се развивали около нея, са подобрили способността ни да споделяме и откриваме информация и потенциални изследователски партньори в световен мащаб. Появиха се нови дисциплини като компютърна биология, изчислителна химия и изчислителна физика. Ние използваме все по-подробни и точни модели, за да направим прогнози, които можем да тестваме в лабораторията. Нобеловата награда за химия през 2013 г. бе предназначена за трима изследователи, финансирани от NSF, за техните модели на молекулярни процеси. От theblog: “... тазгодишната награда в областта на химията бе присъдена на Мартин Карплус, Майкъл Левит и Арих Варшъл за разработването на“ многостепенни методи за сложни системи ”. По-просто казано, тези три химика са признати за тяхното разработване и прилагане на методи за симулиране на поведението на молекули в различни мащаби, от единични молекули до протеини. "

Има ренесанс в приложението на компютрите за научни изследвания, отчасти причинени от огромното увеличение на изчислителната мощност и паметта в комбинации от облак и супер изчисления. " Големите данни" се превърнаха в мантра, но е справедливо да се каже, че способността ни да абсорбираме, анализираме и визуализираме огромни количества измерени или изчислени данни се е подобрила драматично през последните няколко десетилетия. Благодарение на тези възможности можем да използваме по-фини и по-фини модели, да подобрим точността и навременността на прогнозите. Изчислителната биология може да доведе до пробиви в способността ни да разбираме генетиката, епигенетиката, протеома и значението на флората в нашите храносмилателни системи. С това знание ще помогнем на хората да живеят по-дълго, по-здравословно и по-продуктивно. Нашата способност да разбираме глобалните феномени ще се възползват от това изчислително възраждане.

Не бих искал да споменавам Интернет на нещата, който е бърз за нас. Мрежата от общи устройства, които обграждат и перфузират нашето общество, бързо се превръща в реалност. От домакински уреди до офис оборудване, от промишлено производство до комунални услуги, от транспортни средства до персонално оборудване за мониторинг, ние ще живеем в един все по-мрежов свят. Ще бъдем заобиколени от софтуер. Изключително важно е да се научим да проектираме безопасността и сигурността в тези системи и да разбираме и да можем да предвидим тяхното агрегирано поведение. Тази тенденция също илюстрира обещанието и опасността на нашия съвременен свят. Кибер-сигурността и кибер-безопасността трябва да съпътстват нашето нарастващо използване на компютри, програмируеми устройства и мрежи, ако искаме да получим нетна полза от тези разработки.

Наноматериали
В непосредствена близост и всъщност допринасяща за изчислителния капацитет, намираме нано-технология с нарастващо значение и стойност. Материали, които не се срещат в природата, имат свойства, които не се поддават на интуицията (напр. Невидимост и свръхпроводимост). Графен: листове от въглеродни молекули, оформени в един атом-дебел, шестоъгълен, "пилешки" проводник, имат неочакван потенциал за замяна на силиций в транзистори, за филтриране на примеси от вода, за провеждане на топлина и свръхпроводящо електричество. Въглеродът се превръща и в bête noir и в deus ex machina на нашата цивилизация, в зависимост от това дали е под формата на въглероден диоксид, въглеводородни горива или въглеродни нанотръби!

В интерес и преследване на науката и нейното приложение
Широко и правилно е оценено, че науката, технологията, инженерството и математиката (СТИМ) формират основата за подобряване и използване на нашето разбиране за това как работят феномените на нашия свят. Въпреки че има постоянни противоречия по отношение на доставките на обучени работници от STEM, може да има малко съмнение, че има нарастващо търсене на работна сила за тези умения.

Като неотдавнашен президент на Асоциацията за изчислителна техника (ACM) и член на персонала на Google, аз съм силен поддръжник на твърдението, че компютърните науки трябва да бъдат задължителна част от учебната програма на K-12. Всеки ученик трябва да има известна експозиция към концепцията за програмиране, не само защото насърчава логическото мислене, но и защото е важно всеки да разбере и оцени потенциалните слабости във всички софтуерно-контролирани системи. Компютърните науки трябва да се третират на равна нога с биология, химия, физика и математика в К-12 и учебни програми, а не просто като избираем, който не носи STEM кредит.

Движението на производителите е може би едно от най-важните, възникващи явления в съвременната култура. Преоткриването на радостта и удовлетворението от правенето на нещата допринася за възраждането на американския интерес към дребното производство и гордостта на изработката. Разработването на т. Нар. 3D принтери ускори този феномен. NSF е силно ангажиран в тези инициативи. В съчетание с научноизследователски програми в областта на модерното производство, стимулирани отчасти от версиите на Америка COMPETES Act [PL 110-69 от 2007 г. и PL 111-358 от 2010 г.], модерното производство и движението на производителите имат потенциала да възвърнат американската инициатива и интерес към пространство, което исторически се е преместило от брега.

Доброволческите програми като първите състезания по роботика на Дийн Камен са представителни за вълна от такива инициативи, които имат потенциала да възобновят естествените интереси на младите хора в Америка.

Понякога се казва, че всички ние сме родени естествени учени, но нашата образователна система понякога успява да подкопае това естествено любопитство с лошо конструирано съдържание и стил на представяне. Компютрите и мрежите може да играят роля и тук.

Две от моите колеги от Google, Себастиан Траун и Питър Норвиг, предприеха ранен старт в Massive, Open, Online Classes (MOOCs) пространството. Те предложиха да преподават онлайн курс по изкуствен интелект в сътрудничество със Станфордския университет. Очаквайки най-много 500 души да се запишат, те бяха зашеметени да открият, че 160 000 души са кандидатствали за клас. Критиците посочиха, че само 23 000 завършиха курса - но аз ви пренебрегвам, за да дадете пример на всеки учител по компютърни науки, който е преподавал, че много ученици по време на кариера, да не говорим за един клас!

Ранен успех на MOOCs генерира оправдано вълнение и формиране на печалби и нестопански усилия в това пространство. Обслужващи часове по десетки хиляди студенти едновременно, икономиката на MOOCs е драматична и завладяваща. Клас от 100 000 студенти, които плащат по $ 10 всеки, генерира приходи от $ 1M! Ясно е, че мащабирането е ключовият фактор на лоста. Макар и да не е панацея, потенциалът за предоставяне на висококачествено съдържание и индивидуализирано обучение в подходящи образователни области има потенциал за трансформиране на образователна система, която не се е променила много през последните 200 години.

заключение
Според мен подкрепата за основни и приложни изследвания е фундаментално оправдана, като се основава не само на гражданските и икономическите ползи, които тя е предоставила, но и на разбирането, че основните изследвания са с висок риск, но имат висок потенциален резултат. Само правителството има капацитета да поддържа този вид усилия. Националната научна фондация е основана от Конгреса през 1950 г. През последните 60+ години, NSF успешно подкрепя научноизследователските предприятия чрез широко издигнати предложения, добре изпитана система за партньорски проверки, отдадени и добре квалифицирани мениджъри на програми и силно мотивирани и високо ефективно лидерство.

Като член на Националния научен съвет научих, че успешните научни усилия, подкрепяни от NSF, разчитат на партньорство между изследователската общност, персонала на Националната научна фондация, ръководството и управителния съвет, както и членовете на Парламента и Сената, които са еднакво ангажирани за основни и приложни изследвания. Vannever Bush го получи точно в своя забележителен доклад: Science, The Endless Frontier. Науката е безкрайна граница. Колкото повече научаваме, толкова повече знаем, че не знаем и толкова повече трябва да се посвещаваме на ученето и познаването на повече.