Donnerstag, 26. November 2015

Zurück auf Anfang

Computer sind heute allgegenwärtig und für die meisten von uns sehr selbstverständlich. Dass das nicht immer so war, ist ziemlich klar. Irgendwann musste so etwas ja auch mal erfunden und entwickelt werden. Und wie und warum Computer funktionieren ist für viele Nutzer und Anwender eher unbekannt.

In seinem Buch „Turings Kathedrale“ erzählt George Dyson recht anschaulich die Entwicklung des ENIAC und der daran beteiligten Menschen, unter Federführung des genialen John von Neumann. Diese Geschichte findet statt am Institute for Advanced Study in Princeton [1] in den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts.
Es ging ganz allgemein darum, Berechnungen von Zahlen, Gleichungssystemen und Polynomen automatisch durchführen zu können. Die wissenschaftliche Forschung hatte immens viel zu berechnen und die leidige Rechenarbeit stahl jedem Wissenschaftler wertvolle Zeit für das eigentliche Tun.
Leider waren es auch hier wieder einmal militärische Interessen, die den Fortgang des Geschehens mit den Mitteln betreiben konnte,  die offenbar nur aggressiven Vorhaben zur Verfügung stehen. Es ging um nichts weniger als um die Entwicklung der Wasserstoffbombe. Jeder, der für seine eigene Forschung Rechenzeit beanspruchen wollte, musste sich diese immer wieder erstreiten.
Mit seinen Kathodenstrahlröhren als Arbeitsspeicher sah der ENIAC eher nach einem Motor als nach einem Computer aus; jedoch er funktionierte und tat beschwerdelos das, was von ihm erwartet wurde.

Der erste „richtige“ Computer war der ENIAC allerdings nicht. Während des 2. Weltkriegs sah sich Großbritannien der Aufgabe gegenüber gestellt, den Code der Chiffrier-Maschine Enigma der deutschen Wehrmacht zu entschlüsseln. Das geschah recht erfolgreich in Bletchley Park [2] mit einer vierstelligen Anzahl von Beteiligten. Der wohl bekannteste und herausragendste von ihnen war der Mathematiker Alan Turing. Da die britischen Regierungen noch bis 1973 dieses Projekt unter strenger Geheimhaltung legten, wusste bis dato von den dort entwickelten und erfolgreich verwendeten Computern niemand irgendetwas. Für mich mutet das tragisch an: Menschen, die großartige Leistungen erbringen und aus Staatsräson nicht davon berichten dürfen.

Und nun zurück zur Eingangs aufgestellten Bemerkung, dass kaum jemand versteht, wie Computer prinzipiell überhaupt funktionieren können.
Als ich „Turings Kathedrale“ las, kam in mir die Erinnerung an den WDR-Papiercomputer oder auch Know-How Computer [3] auf, der zu Beginn der 80er-Jahre des letzten Jahrhunderts von Wolfgang Back und Ulrich Rohde konzipiert wurde. Mit einem Stift, einem Blatt Papier, Streichhölzern und 5 Befehlen lassen sich die grundlegenden Vorgänge in einem Computer / elektronische Schaltung nachbilden.




Im Rahmen meines „Studiums“ sah ich es als Herausforderung an, diesen „Computer“ in Software abzubilden. In C# habe ich dazu ein Programm geschrieben, das von Interessierten auch gerne verwendet werden darf [3]. Wer keine Angst hat, eine exe-Datei herunter zu laden, kann mit dem 8 Bit Rechner, wie ich ihn nenne, selber eigene Programme schreiben.
Prinzipiell lassen sich damit alle Berechnungen durchführen. Die Addition von 2 Zahlen könnte z.B. so aussehen (wenn die zu addierenden Zahlen in den Registern 1 und 2 stehen und das Ergebnis in Register 0 angezeigt werden soll):

0 n1
1 g3
2 g6
3 d1
4 i0
5 g0
6 n2
7 g9
8 e 00
9 d2
10 i0
11 g6

Im Programm selber gibt es eine Anleitung.

Eine elektronische Umsetzung dazu ist „relativ einfach“. Mit einer Handvoll Transistoren und ICs (integrierte Schaltkreise) ist die boolesche Algebra recht gut in den Griff zu bekommen, wie ja auch Millionen von mittlerweile alltäglichen Geräten (neben dem Computer) uns immer wieder vor Augen führen.

Das vorerwähnte Additionsprogramm ließe sich auch zu einem einzigen Befehl wie z.B. „add“ zusammenfassen und das ist es, was unsere heutigen Computer ausmachen. Ganz grundlegende Aufgaben werden in höhere Einheiten zusammengefasst und diese wiederum in übergeordnete Einheiten und so fort.

Bin ich nun wirklich auf Anfang? Eher nein. Grundsätzliche Überlegungen zu automatisierten Berechnungen gibt es bereits seit Jahrhunderten. Erwähnen möchte ich hier nur beispielhaft Charles Babagge oder den unvergleichlichen Gottfried Wilhelm Leibniz.








Sonntag, 1. November 2015

Was bedeutet Wissenschaft für mich?

Abstract:
In diesem Artikel erkläre ich, warum und inwiefern Wissenschaft für mich relevant ist, warum ich Wissenschaft toll finde und füge ein Beispiel an.

1       Beschreibung der Begriffe
1.1   Wissenschaft
1.2   Bedeutung

2       Wie kam es zu Wissenschaft?
2.1   Fragen
2.2   Interaktion
2.3   Ergebnisse
2.4   Forschung

3       Wissenschaft mit einem handelsüblichen Eierkocher
3.1   Warum ein Eierkocher?
3.2   Der Eierkocher
3.3   Experiment
3.3.1  Theoretische Überlegungen
3.3.2  Die Praxis



1 Beschreibung der Begriffe

1.1   Wissenschaft

Ein wirklich präziser Begriff ist Wissenschaft aus meiner Beobachtung nach nicht wirklich. Ich meine festgestellt zu haben, dass, wenn von Wissenschaft die Rede ist, landläufig der Wissenschaftsbetrieb gemeint ist. Da sind irgendwo irgendwelche Leute, die völlig abgehoben Dinge erforschen, von denen kaum jemand etwas versteht, der nicht zu diesem Personenkreis gehört. Ja, das zählt für mich zu Wissenschaft: Menschen, die an Hochschulen Dinge erforschen und entwickeln genauso wie das auch in vielen Unternehmen stattfindet. Ich werfe dazu nur einmal Begriffe wie Produktinnovation und –entwicklung in den Raum.
Wissenschaft ist allerdings auch eine Methode, eine Vorgehensweise. Ich habe eine Frage, will etwas wissen. Wie mache ich das? Ok, Antworten zu vielen Fragen besorge ich mir über Suchmaschinen im Internet. Meistens reicht das auch aus. Allerdings: Wie kann ich wissen, dass die gefundenen Antworten auch richtig sind? Und diese Frage ist Teil der Methode, der wissenschaftlichen Methode. Das, was ich meine jetzt zu wissen, sollte / muss ich hinterfragen, wenn ich gesicherte Ergebnisse und Antworten haben will. Am Beispiel der Frage an eine Suchmaschine werde ich also mehrere Ergebnisse betrachten und versuchen herauszufinden, aus welchen Quellen diese Ergebnisse stammen. Auch werde ich diese Ergebnisse interpretieren müssen und wenn ich auf der sicheren Seite sein will, sollte ich die Möglichkeit der Vorhersage und Prüfung der Vorhersage haben. Qualitativ bedeutet es keinen Unterschied, ob meine Vorhersage richtig oder falsch ist. Ist sie richtig, habe ich natürlich ein gutes Gefühl und wenn sie falsch ist, habe ich auf jeden Fall einen weiteren Erkenntnisgewinn.


1.2   Bedeutung

Auch wenn ich beruflich nicht wissenschaftlich tätig bin, verfolge ich gerne die wissenschaftliche Methode. Dinge müssen erledigt werden und mit der Zeit entsteht Routine und ich weiß, wie das zu erledigen ist. Es passiert allerdings auch, dass ich etwas Neues tun muss oder Fragen von Menschen beantworten muss, die außerhalb der Routine liegen. So etwas gehe ich dann gerne sehr strukturiert an, indem ich mich selber frage, was ist jetzt sinnvoll oder wie ist etwas am besten umsetzbar. Ich kann recht schnell prüfen, ob die Ergebnisse das sind, was sie sein sollen und wenn nicht, dann halt Korrekturen vornehmen und erneut prüfen.

2       Wie kam es zu Wissenschaft

Mit dem Denken, das unsere Gehirne irgendwann einmal ermöglichten, fing meines Erachtens auch bereits Wissenschaft an.

2.1   Fragen

Fragen sind die Grundlage von Wissenschaft. Nur wenn ich etwas wissen will, kann ich meinen Erkenntnisgewinn bewusst steuern. Fragen, bzw. Problemstellungen sind immer dann vorhanden, wenn es sich um Leben handelt. Was kann ich essen, um nicht zu verhungern? Wie schütze ich mich vor Kälte? Warum gibt es in der Nacht Lichtpunkte am Himmel und am Tag nicht? Wie bediene ich ein Smartphone?

2.2   Interaktion

Um Antworten auf all meine Fragen zu erhalten bleibt mir nichts anderes übrig, als auszuprobieren. Wenn ich meine zu wissen, wie etwas funktioniert, muss ich das in meiner Umwelt testen und die Rückmeldung zeigt mir, wo ich stehe. Habe ich es richtig gemacht oder gibt es da etwas zu verbessern?

2.3   Ergebnisse

Ergebnisse aus der Wissenschaft sind Erkenntnisse. Sie sollten allen Menschen zugänglich sein aus meiner Ansicht nach aus drei sehr wichtigen Gründen: Ergebnisse sollen auch angewendet werden zum Nutzen vieler Menschen. Ergebnisse sollen überprüft werden, was durch Anwendung sicherlich am besten geschehen kann und Ergebnisse sollen falsifiziert werden, wenn die Anwendung nicht wie vorhergesagt funktioniert.

2.4   Forschung

Gemeinhin verstehen wir unter Forschung die Institutionalisierung der Wissenschaft. An Hochschulen wird strukturiert neues Wissen geschaffen. Das kann einfach so geschehen, quasi ins Blaue hinein; das ist dann die Grundlagenforschung. Niemand weiß und gibt vor, was herauskommen soll. Anders die Anwendungsforschung. Es gibt bestimmte Ziele, die erreicht werden sollen / müssen. Ich persönlich halte beide Richtungen für legitim.
Forschung allerdings ist kein Alleinstellungsmerkmal von z.B. Hochschulen. Forschen kann im Prinzip jeder, der mag, Lust und Spaß daran hat.

3       Wissenschaft mit einem handelsüblichen Eierkocher
3.1   Warum ein Eierkocher?

Ich frühstücke morgens gerne ein weich gekochtes Ei. Bislang habe ich dazu eine Topf mit Wasser (ca. 0,5 Liter) benutzt, das Wasser zum Kochen gebracht und dann das Ei ca. 6 Minuten gekocht.
Bis das Wasser kochte, also ca. 100 Grad Celsius hatte, dauerte es ungefähr 8 bis 9 Minuten.
Irgendwann kam mir der Gedanke, dass das doch ein ziemlich hoher Energieverbrauch sei und mit einem speziellen Gerät dafür (Eierkocher) sich der Energieverbrauch doch verringern ließe.

3.2   Der Eierkocher

Ich begann mich also, für einen Eierkocher zu interessieren und hörte mich so um. Zusammenfassend waren die Informationen Anderer die, dass so ein Gerät nicht wirklich gut funktioniert, die Eier also nie so sind, wie man sie haben will. Ich nahm das erst einmal so zur Kenntnis und kaufte mir so ein Gerät.
Das Prinzip ist, dass eine bestimmte Menge Wasser (sehr wenig, ca. 50 ml) mittels Strom, der durch Metall fließt  zum Erhitzen gebracht wird, so dass recht schnell Wasserdampf (ca. 100 Grad Celsius) entsteht, der das Garen in einem mehr oder weniger kleinen Raum bewirkt. Wenn das Wasser verbraucht ist, also mittels Wasserdampf aus dem Gerät verströmte, gibt es einen Signalton, der anzeigen soll, dass der Garprozess beendet ist.

3.3   Experiment

Den meisten Geräten liegen ja Bedienungsanleitungen bei. Und da ich noch gar nichts wusste, richtete ich mich nach dieser Anleitung mit dem Ergebnis, dass mir das Ei zu hart gekocht war.

3.3.1 Theoretische Überlegungen

Wäre ich nun ein echter Wissenschaftler hätte ich bereits vorliegende Informationen genutzt.
Die Größe eines Eis ist bekannt. Das durch Wärmeeinwirkung ein Garprozess stattfindet, ebenfalls. Es gibt bestimmt eine Funktion, die beschreibt, wie lange ein gegebenes Ei einem Wärmeprozess von ca. 100 Grad Celsius ausgesetzt sein muss, damit es die für mich gewünschte Konsistenz erlangt.
Nun bin ich aber kein Wissenschaftler und wähle die Methode des „Herumprobierens“.

3.3.2 Die Praxis

Ich habe also herumprobiert:
Es ist nicht das Wasser, das Eier gart, sondern die Dauer einer bestimmten Temperatur, die durch kochendes Wasser oder Wasserdampf erzeugt wird. Die Hersteller von Eier-Kochern dachten sich offenbar, dass es bequem sei, dass das Gerät einem mitteilt, wenn das gewünschte Ergebnis erreicht ist: Signalton, wenn kein Wasser mehr vorhanden ist. So wie es in der Anleitung beschrieben ist, wird im Laufe des Gar-Vorgangs dass Wasser immer weniger, entsprechend weniger Wasserdampf kann erzeugt werden. Zum Ende hin gibt es also nicht genug Temperatur für den Gar-Vorgang, weil zu wenig Wasserdampf vorhanden ist. Mit meiner Methode (reichlich, also genug Wasser zu verwenden) sind die Eier die ganze erforderliche Zeit mit ausreichender Temperatur versorgt.  Die Temperatur ist da und die Zeit lasse ich mir durch einen externen Zeitmesser anzeigen.