جان هنری هالند، کسی که تکامل را کامپیوتری و محاسباتی کرد!

مقدمه

پروفسور جان هنری هالند یک دانشمند علوم کامپیوتری بود که کار اصلی‌اش الگوریتم ژنتیک یا کدهای کامپیوتری بود که تولید مثل جنسی ارگانیسم‌ها را تلقیدمی‌کنند. موضوعی که در مطالعه سیستم‌های پیچیده انطباقی زمینه‌ایی که دکتر هالند در ایجاد آن کمک کرد، بسیار حیاتی بود.

 پروفسور هالند یک استاد برجسته بین‌المللی در رشته‌های روانشناسی، مهندسی برق و علوم کامپیوتر بود که تمام دوران کاری خود را در دانشگاه میشیگان خدمت کرد. ایشان یکی از نظریه پردازان پیشگام در نظریه ریاضیات غیرخطی و استفاده از تکنیک‌های ریاضیات جدید در درک مسائل در رشته‌های مختلف اعم از اقتصاد، زیست‌شناسی و علوم کامپیوتر بود.

هر چند که پروفسور هالند در عصر سایبری زندگی می‌کرد ولی از کارهای جان فون نویمان، نوربرت وینر، وست راس اشبی و آلن تورینگ تاثیر می‌گرفت؛ همه‌ی کسانی که محاسبات را به عنوان یک رشته گسترده و بین رشته‌ای در نظر می‌گرفتند، موضوعی که هالند را به پیشگام اولیه رویکردهای بین‌رشته‌ای در علوم کامپیوتر تبدیل کرد، مبلغی فعال برای آنچه که امروزه تفکر محاسباتی نامیده می‌شود.

 او مشتاقانه با روانشناسان، اقتصاددانان، فیزیکدانان، زباشناسان، فیلسوفان و تقریبا هر کسی که با او ارتباط برقرار می‌کرد، روبرو می‌شد. در نتیجه، اگر چه که او یک دانشمند حوزه‌یِ علوم کامپیوتر شناخته می‌شود، ولی مشارکت‌های او گاهی بیشتر خارج از علوم کامپیوتر، تا داخل آن، شناخته می‌شود.

سرآغاز

جان هنری هالند در 2 فوریه 1929 در فورت وین، ایندیانا (ایالات متحده آمریکا) متولد شد.

رشد

جان در چندین شهر کوچک در غرب اوهایو که پدرش، گوستاو، در آن جا‌ها کارخانه‌های فرآوری سویا راه‌اندازی می‌کرد، رشد کرد. او از همان سنین جوانی به علم اشتیاق داشت؛ و به طور علمی، ریاضیات و فیزیک نقاط قوت او بودند. پس از اینکه او دبیرستان را در ون ورت اوهایو با نمرات عالی در این دو زمینه پشت سر گذاشت؛ موفق به اخذ بورس کامل تحصیلی از دانشگاه MIT شد، جائیکه نطفه شبیه‌سازی تکامل طبیعی در کامپیوتر، بسته شد. البته این، بیست سال قبل از این بود که دکتر هالند این ایده را مطرح کند و همچنین بیش از بیست سال دیگر بود که مردم شروع به درک اهمیت آن کنند.

دهه 1950

پروفسور هالند در سال 1950 مدرک کارشناسی فیزیک خود را از موسسه فن‌آوری ماساچوست دریافت کرد، جائیکه او با اولین کامپیوتر بلادرنگ مشهور به گرد‌باد، کار کرد.  

بین سال‌های 1951-1952 ، هالند به مدت یکسال و نیم در آزمایشگاه تحقیقاتی اصلی IBM در پوگیکیپسی نیویورک بر روی اولین کامپیوتر تجاری شرکت، 701، که محاسبه‌گر دفاع نامیده می‌شد، کار کرد. به عنوان روشی برای آزمایش 701 او و رهبر تیم ناتانیل روچستر برنامه‌ای برای شبیه‌سازی انجمن‌های سلولی هب که به دنبال این بود تا روش نورون‌ها در مغز خود سازمان ده، در طول فرایند یادگیری را توضیح دهد، طراحی کردند. چنین شبیه‌سازی شبکه‌های عصبی، بعدها در تحقیقات هوش مصنوعی استاندارد شد. این همکاری سرآغازی برای شش دهه فعالیت پروفسور هالند در زمینه‌ای مطالعه چیزی بود که بعدها سیستم‌های پیچیده انطباقی نام گرفت.

در همان زمان، یکی از همکارانش، مهندس برق آرتور ساموئل، به کامپیوتر بازی چکرز را آموزش داد. ساموئل نشان داد که کامپیوتر می‌تواند با گذشت زمان خود را بهبود ببخشد. 701 با گذشت زمان تاکتیک‌های خودش را با حرکات بازیکنان دیگر وفق داد و به بازیکن بهتری تبدیل شد. درسی که تاثیر قابل توجهی بر روی دکتر هالند گذاشت.

در سال 1953 زمانی که دانشجوی کارشناسی ارشد ریاضیات در دانشگاه میشیگان بود دکتر هالند در کتابخانه ریاضیات دانشکده از روی بخت با کتاب "نظریه ژنتیک انتخاب طبیعی" آشنا شد؛ کتابی که توسط فیشر، آمارگر و زیست‌شناس تکاملی انگلیسی در سال 1929 نوشته شده بود. در یک مثال جالب آقای فیشر بال زدن ظاهرا تصادفی یک کلونی از پروانه‌ها، را به عنوان یک شبکه اطلاعات پویا که می‌توانند به صورت ریاضی نگاشت شوند؛ شرح داده بود. این موضوع چشمش را بر این حقیقت گشود که می‌تواند محاسبات و معادلات دیفرانسیل و تمامی چیزهایی را که در کلاس‌های ریاضی آموخته بود برای شروع انقلابی در ژنتیک، استفاده کند. 

پروفسور هالند جائی در این خصوص می‌گوید: "وقتی متوجه این موضوع شدم می‌دانستم که هرگز نمی‌توانم از آن بگذرم". پس از آن  هالند شروع به اندیشیدن درباره استفاده از کامپیوتر برای تجزیه و تحلیل سیستم‌های پیچیده انطباقی کرد. 

"من به سیستم‌های پیچیده‌ِی بزرگ و پر سروصدا نگاه می‌کنم و می‌پرسم که چه مکانیسم‌ها و ویژگی‌هایی، مرکزی به نظر می‌رسند."، هالند 1995.

پروفسور هالند هر چه که بیشتر در مورد زیست‌شناسی تکاملی، اقتصاد، نظریه بازی و نظریه کنترل مطالعه می‌کرد بیشتر به این یقین می‌رسید که انطباق در همه این زمینه‌ها مهم است. همه آن‌ها در مورد جمعیتی از عامل‌ها هستند که بایستی به طور مداوم اطلاعات را از محیط‌های غیرقطعی و در حال تغییر به دست آورند و از آن‌ها برای بهبود عملکرد و افزایش شانس بقا استفاده کنند. او همچنین تشخیص داد که انطباق بایستی دائمی و بدون وقفه  باشد.

او در سال 1954 مدرک کارشناسی ارشد ریاضیات از دانشگاه میشیگان دریافت کرد. بعد از اخد مدرک کارشناسی ارشد در ریاضیات او کار دکترایش را در بخش جدید علوم ارتباطات دانشکده انجام داد. و در سال 1959 اولین دکترای خود را دریافت کرد. آنچه که بعدا علوم کامپیوتر نامیده شد.

 مسلما می‌توان هالند را اولین فارغ‌التحصیل دکترای تخصصی علوم کامپیوتر در دنیا معرفی کرد. پایان نامه او با عنوان "چرخه‌ها در شبکه‌های منطقی" تغییراتی که هنگام بازخورد، داخل شبکه‌های منطقی رخ می‌دهد را تشرح می‌کرد.

پس از آن هالند در دانشگاه میشیگان باقی ماند و به مدت 50 سال در آنجا خدمت کرد و نقش مهمی در توسعه علوم کامپیوتر به عنوان یک بخش در این دانشگاه ایفا نمود.

دهه1960

یکی از ایده‌های نوآورانه پروفسور هالند توسعه‌ کدهای کامپیوتری در دهه 1960 بود (هالند به آن‌ها نام الگوریتم ژنتیک را داده بود) که فرایند تکامل را توسط جفت‌گیری و جهش راه‌حل‌های ممکن، تقلیدمی‌کرد؛ که آن‌ها به نوبه خود، راه‌حل‌های جدیدی را به ارمغان می‌آوردند که به یک نتیجه بهینه منجر می‌شدند؛ یک نسخه‌ی کامپیوتری از بقایِ برازنده‌ترین‌ها. 

"جان نسبتا منحصربفرد است در این که او ایده‌هایی از زیست‌شناسی تکاملی را برای تبدیل جستجو و بهینه‌سازی در علوم کامپیوتری گرفت و سپس او آن چه را در علوم کامپیوتری کشف کرده بود گرفت و به ما اجازه داد تا دینامیک تکاملی را بازبینی کنیم". دیوید کراکور.

در مقاله یادبود یک اتاق فکر برای مطالعه سیستم‌های پیچیده نقل شده: "این نوع ترجمه دقیق بین دو جامعه فکری، ویژگی یک ذهن بسیار عمیق است."

اگر چه مکانیسم‌ها و کاربردهای الگوریتم‌های ژنتیک به خوبی شناخته‌ شده‌اند اما آن‌ها تنها بخشی از انگیزه گسترده‌تر دکتر هالند، برای ایجاد یک نظریه کلی انطباق‌پذیری در سیستم‌های پیچیده بودند.

دهه1970

در سال 1975 دکتر هالند ایده‌های خودش را در کتاب پیشگام " انطباق در سیستم‌های طبیعی و مصنوعی"  ارائه کرد، اثری که تا کنون در بسیاری از کارهای که در زمینه سیستم‌های تکاملی و هوش مصنوعی انجام شده، به آن رجوع شده و به چندین زبان نیز ترجمه شده است، و در برگیرنده‌ مفاهیمی برای زمینه‌های مختلف نظیر روانشناسی، عصب شناسی، اقتصاد و زبان‌شناسی است. این موضوع منجر به پذیرش گسترده‌ی الگوریتم‌های ژنتیک به عنوان روشی کامپیوتری برای جستجو و بهینه‌سازی در علوم کامپیوتر، از ابتدای دهه 80 میلادی شد.

" اگرچه تحقیقات قبلی درباره الگوریتم ژنتیک و الگوریتم‌های تکاملی مرتبط وجود داشته است، کتاب جان نقطه عطفی در این زمینه بود" پرفسور لیرد استاد مهندسی در دانشگاه میشیگان. این آغاز یک تحقیق پایدار بر روی الگوریتم ژنتیک بود که برای مدت بیش از 40 سال ادامه دارد. در دهه 1970دکتر هالند در ایجاد برنامه‌ِیِ علوم شناختی دانشگاه میشیگان نقش به سزای داشت.

دهه 1980

در اواسط دهه 1980 او یک عضو اصلی در انستیتوی سانتای فای شد، که به‌وسیله دانشمندان ارشد در آزمایشگاه ملی لاس آلموس در نیومکزیکو برای مطالعه بین‌رشته‌ای از سیستم‌های پیچیده ایجادشده بود؛ که به‌سرعت تبدیل به مرکز جمع‌آوری، دسته‌بندی و توزیع پیشرفته‌ترین ایده‌ها در این زمینه شد. دکتر هالند به‌عنوان عضو هیئت امناء و هیئت‌علمی در آنجا کار می‌کرد. او هرسال مدتی را در آنجا می‌گذراند جائیکه دانشمندان از رشته‌های مختلف برای بحث در زمینه‌های مختلف پدیده‌های پیچیده در طبیعت و تکنولوژی گرد هم جمع می‌شدند. دکتر هالند می‌گفت: "من برای اندیشیدن و گسترش متقابل ایده‌ها به آنجا می‌روم".

دکتر هالند ترجیح می‌داد به‌تنهایی کار کند، و می‌گفت:"من دریافته‌ام که اغلب جلسات علمی اتلاف وقت است". او می‌گفت:"من از یادگیری در زمینه‌های مختلف تا حد زیادی لذت می‌برم".

 او سه دفتر کار داشت، یکی در دانشگاه، دیگری در خانه و سومی در خانه‌ی تابستانی‌اش، که هرکدام از آن‌ها مملو از کتاب‌هایی در مورد هر موضوع قابل‌تصوری بود، که برخی از آن‌ها را چندین بار مطالعه کرده بود. دکتر هالند در سال 1988موفق به اخذ دومین مدرک دکترای تخصصی خود در رشته روانشناسی شد. 

دهه 1990

پروفسور هالند برنده جایزه نابغه‌ی مک آرتور در سال 1992 شد خبر این موفقیت زمانی به او رسید که در زیر دوش صبحگاهی بود. دکتر هالند گاهی اوقات درحالی‌که لبخند بر لب داشت می‌گفت: "من ایده‌هایی را که در خواب به ذهنم می‌رسد به یاد نمی‌آورم، اما بسیاری از بهترین ایده‌هایم را در حال دوش گرفتن می‌گیرم." این در حالی بود، که هالند اغلب عنوان می‌کرد که او برخی از بهترین ایده‌هایش را به‌وسیله صحبت کردن با مردمی خارج از زمینه خودش مانند زبان‌شناسان، نوازندگان و شاعران برداشت کرده است.

برای الهام گرفتن او اغلب با آلیس فولتون شاعری که ان آر بور زندگی می‌کرد، صحبت می‌کرد. هالند می‌گفت:" ما درباره خلاقیت در علم و شعر صحبت می‌کنیم." و " اهداف ما مشابه هستند برای پیدا کردن عبارت درست، کلمه‌های مناسب و قافیه‌های صحیح. احساس درست بودن برای آنچه انجام می‌دهی بسیار مهم است که موضوعی از شهود، قضاوت و سبک است."

او ماهیت سیستم‌های پیچیده را در کتاب‌های "نظم پنهان: چگونه پیچیدگی‌ انطباقی، ایجاد می‌کند"(1995) و "ظهور : از آشوب به نظم"(1998) بررسی کرد.

دکتر هالند نقشی اساسی در ایجاد مرکز مطالعات سیستم‌های پیچیده(CSCS) در سال 1999 در دانشگاه میشیگان داشتند. و سال‌ها به‌عنوان یک عضو فعال در این مرکز فعالیت می‌کردند.

 حضور دکتر هالند در گروه مؤسس cscs در سال 1999

 

اعضای cscs سال‌ها پس از تأسیس آن

دهه 2010

در دهه 80 زندگی، او کتاب "سیگنال‌ها و مرز‌ها: بلوک‌های سازنده برای سیستم‌های پیچیده انطباقی"(2012) و "پیچیدگی: مقدمه‌ای بسیار کوتاه"(2014) را به رشته تحریر درآورد.

انگیزه‌ها

مواردی همچون اکتشاف و پویایی در جستجوی وفقی، مدل‌های داخلی و پیش‌بینی، مدل‌سازی اکتشافی و خواص جهان‌شمول سیستم‌های پیچیده انطباقی، جزئی از چارچوب بزرگی از طرح‌ریزی طرح‌های تکراری است، که هسته مرکزی نظریه سیستم‌های اتطباقی هالند را تشکیل می‌دهند.

هدف دکتر هالند گسترده‌تر از کلاس جدیدی از الگوریتم‌ها بود. او مشتاق به توسعه یک نظریه بین‌رشته‌ای از انطباق بود؛ نظریه‌ایی که زیست‌شناسی را به همان اندازه علوم کامپیوتر معرفی کند. در اصل، موفقیت‌های بعدی الگوریتم‌های ژنتیک در حل مشکلات بهینه‌سازی جهان واقعی و همچنین وظایف یادگیری برای دکتر هالند همانند خامه روی کیک بود.

 دیدگاه وسیع‌تر او از انطباق موجب الهام بسیاری و انتقاداتی از سوی عده‌ای دیگر بوده است که منجر به بحث‌های فکری و جدل‌های فراوانی شده است. بحث‌برانگیز‌ترین موضوع این است که تا چه حد می‌توان نشان داد، چه ازلحاظ تجربی و چه ازلحاظ ریاضی، که رفتار سیستم‌های انطباقی اساساً توسط اصول پیشنهادی هالند اداره می‌شود. صرف‌نظر از موضع یک فرد در مورد این سؤال، ایده‌های او قانع‌کننده و دربرگیرنده مجموعه‌ای از مفاهیم متحد برای تفکر در مورد انطباق هستند.

دستاورد

جان هالند، به خاطر توانایی‌اش در جذب جوهره‌ رشته‌های دیگر، بیان اصول کلی و سپس باقی گذاشتن آن‌ها با مکانیسم‌های محاسباتی و ریاضیاتی بی‌بدیل بود. برخلاف اکثر محققان، دکتر هالند به‌طور یکپارچه در میان این سه حالت تفکر در حال حرکت بود؛ مدل‌های در حال توسعه‌ای که سال‌ها پیش از زمان خود بودند.

برداشت دقیق از کارهای او، نشانه‌هایی از ایده‌های بسیاری همچون یادگیری تقویتی در محیط‌های غیر مارکوفی و یادگیری فعال که امروزه در یادگیری ماشین رایج هستند را آشکار می‌سازد.

نطفه الگوریتم ژنتیک که توسط دکتر هالند گذاشته شد، زمینه محاسبات تکاملی را به وجود آورد؛ و بینش و معرفتش به معرفی چیزی که امروزه علم پیچیدگی نامیده می‌شود، کمک شایانی نمود. بسیاری از کتاب‌ها و مقالات دکتر هالند بر دانشمندان سراسر جهان و در بسیاری از رشته‌ها تأثیرگذار بوده است. علاوه بر الگوریتم ژنتیک دکتر هالند ابزارهای دیگری نظیر سیستم‌های دسته‌بند یاد گیر و مدل‌های اکو را برای مطالعه پویایی سیستم‌های پیچیده انطباقی ارائه کرد.

درجایی که زندگی می‌کرد، او چندین نسل از دانشجویان دانشگاه میشیگان را برای مطالعه درزمینه¬ی محاسبات در سیستم‌های طبیعی معرفی کرد؛ ایده‌ای که حتی امروزه باوجود موفقیت الگوریتم ژنتیک، برای طراحی مهندسی، بیومیمیکری برای رباتیک، انتزاعی از دنباله فرومون در کلونی‌های مورچه‌ها برای روش‌های بهینه‌سازی و مکانیزم‌های ایمونولوژی برای بهبود امنیت رایانه‌ها، تا حدودی بحث‌برانگیز است. 

پشت این ایده‌ها شخصیت انسانی قرار دارد. هرکسی که دکتر هالند را می‌شناخت به خاطر می‌آورد، نور امیدی که در چشمانش در مواجهه با ایده‌های جدید نمایان می‌شد، تمایلش به صحبت با هرکسی که با او روبرو می‌شد، بدون در نظر گرفتن اینکه آن شخص شناخته‌شده یا ناشناس است، سخاوت باورنکردنی‌اش و صبر و شکیبایی مثال‌زدنی‌اش را. 

شخصیت و بشردوستی‌اش چیزهایی بودند که به‌طور جدائی‌ناپذیری با مشارکت‌های فکری او در همتنیده بودند. از زمان مرگ دکتر هالند در سال 2015، بسیاری از همکاران و دانشجویان سابق او تمایل خودشان به تقلید از ویژگی‌های شخصی او به‌اندازه برتری‌های علمی‌اش، را شرح داده‌اند و همگی بر این باوراند که او یک میراث ماندگار از دست ‌آوردهای فکری را برای ما به‌جای گذاشته است. 

دکتر هالند در مصاحبه‌ای در سال 2006 می‌گوید: "دیدگاه خاص خودم این است که علت اینکه بسیاری از دانشمندان از پای می‌افتند این است که آن‌ها در یک منطقه بسیار عمیق کاوش می‌کنند سپس آن‌ها تا آنجا که برای انسانی در آن زمان ممکن است، رفته‌اند و پس‌ازآن نمی‌توانند به‌آسانی به مناطق دیگر گذر کنند."

"من فکر می‌کنم در قلب بسیاری از علوم خلاقانه استعاره‌های خوبی وجود دارند و کار بین‌رشته‌ای منبعی غنی از استعاره است."

درگذشت

دکتر هالند در صبحگاه یکشنبه 9 اوت سال 2015 در خانه‌اش در ان آر بور، میشیگان، در سن 86 سالگی درگذشت. دخترش، گرچن، علت مرگ او را سرطان اعلام کرد. علاوه بر دخترش گرچن بازماندگان دکتر هالند عبارت‌اند از، دو دختر دیگرش به نام‌های آلیسون باتلر و مانجا هالند، خواهرش شیرلی ریگنبرگ و چهار نوه‌اش. دو ازدواج او نهایتاً به جدایی منجر شد.

بی‌شک ایده‌ها، شور و شوق ذهنی و رویکردهای شخصی دکتر هالند چراغی را روشن کرده است که روشنایی‌بخش تحقیق درزمینه¬ی سیستم‌های هوشمند و پیچیده برای سالیان متمادی پیش رو است. 

به طور مختصر می‌توان گفت: دکتر هالند یک دانشمند بین‌رشته‌ای بود؛ کسی که عاشق ایده‌ها بود و به‌آسانی از آن‌ها نمی‌گذشت و اغلب آن‌ها را با صحبت کردن با دیگران کسب می‌کرد. تنها کار کردن را دوست داشت. و ساعات بسیاری را برای تفکر در خلوت اختصاص می‌داد. او عاشق مطالعه بود. 

یادش گرامی