sábado, março 23, 2019

Brincando com a mente, Claude Shannon

Claude Shannon [1916-2001] é um dos investigadores do século XX que maior impacto teve na sociedade do século XXI, contudo é praticamente desconhecido desta, e mesmo até de uma parte considerável da academia. Por isso, uma biografia sobre o seu legado — "A Mind at Play: How Claude Shannon Invented the Information Age" — é algo que não podemos deixar de celebrar, mesmo quando esta vai pouco além daquilo que surge na sua entrada na Wikipedia (inglesa). Se Shannon não soa a maior parte dos ouvidos, não é porque o seu contributo foi menor do que o de Alan Turing ou Albert Einstein, mas antes porque a sua maneira de ser, introspetiva e reservada, e toda uma vida sem qualquer escândalo, fez com que passasse ao lado dos holofotes de uma das indústrias que mais depende do conhecimento por si produzido, a comunicação social, e também por isso tivesse passado pela vida, ainda que contribuindo profusamente, de forma bastante despretensiosa.


Existem dois contributos que são considerados como os marcos de Shannon, a sua tese de mestrado “A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits” realizada em 1937 e o paper "A Mathematical Theory of Communication" publicado em 1948. A tese de mestrado — realizada num MIT que ainda não era o que é hoje, apesar de ter sido onde encontrou e trabalhou com outro dos grandes pioneiros do digital, Vannevar Bush — é considerada hoje como a tese de mestrado provavelmente mais relevante de sempre, porque é nesta que são apresentados, pela primeira vez, os rudimentos que permitiriam transformar sistemas fixos de transmissão de energia, como os circuitos elétricos, em sistemas dinâmicos, que se adaptam em função das necessidades. No fundo a conversão de sistemas analógicos em sistemas, ditos hoje, digitais.
“This was the computer before the digital revolution: a machine that literally performed equations in the process of solving them. As long as the machine was acting out the equations that shape an atom, it was, in a meaningful sense, a giant atom; as long as it was acting out the equations that fuel a star, it was a miniature star. “It is an analogue machine,” said Bush. “When one has a problem before him, say the problem of how a bridge that has not been built will sway in a gusty wind, he proceeds to make a combination of mechanical or electrical elements which will act in exactly the same manner as the bridge—that is, will obey the same differential equations.” For the physicist or engineer, two systems that obey the same equations have a kind of identity—or at least an analogy. And that, after all, is all our word analog means. A digital watch is nothing like the sun; an analog watch is the memory of a shadow’s circuit around a dial.”
Esta conquista de Shannon só foi possível graças à sua formação dual, em Engenharia e Matemática. Ou seja, o seu conhecimento de eletrotécnica e o seu conhecimento de matemática, nomeadamente lógica, fez com que conseguisse juntar os dois mundos de conhecimento, a assim procedesse à construção de uma máquina que operava não em função do problema a resolver, mas antes em função de um sistema de lógica booleana. E assim temos que:
“It’s not so much that a thing is “open” or “closed,” the “yes” or “no” that you mentioned. The real point is that two things in series are described by the word “and” in logic, so you would say this “and” this, while two things in parallel are described by the word “or”... There are contacts which close when you operate the relay, and there are other contacts which open, so the word “not” is related to that aspect of relays... The people who had worked with relay circuits were, of course, aware of how to make these things. But they didn’t have the mathematical apparatus of the Boolean algebra (..) “I think I had more fun doing that than anything else in my life.” [said Claude Shannon]”.
“But the most radical result of Shannon’s thesis was largely implied, not stated, and its import only became clear with time. The implication gets clearer when we realize that Shannon, following Boole, treated the equal sign as a conditional: “if”. “1 + 1 = 1: if the current passes through two switches in parallel, a light lights (or a relay passes on a signal meaning “yes”). 0 + 0 = 0: if the current passes through neither of two switches in parallel, a light fails to light (or a relay passes on a signal meaning “no”). Depending on the input, the same switches could give two different answers. To take an anthropomorphizing leap — a circuit could decide. “A circuit could do logic. Many circuits could do enormously complex logic: they could solve logical puzzles and deduce conclusions from premises as reliably as any human with a pencil, and faster. And because Boole had shown how to resolve logic into a series of binary, true-false decisions, any system capable of representing binaries has access to the entire logical universe he described. “The laws of thought” had been extended to the inanimate world.”
A tese de mestrado é o cerne de todo o trabalho de Shannon, porque é o cerne da conversão do mundo real em digital. Obviamente que em 1936 não existia ciberespaço, nem existia internet, tal como não existia Microsoft, Apple, Amazon, Google ou Facebook, as 5 maiores empresas globais da atualidade. Por isso foi preciso continuar a investigação, aprofundar as possibilidades do seu trabalho, até à publicação do paper "A Mathematical Theory of Communication" em 1948, para que a sociedade conseguisse compreender o alcance do que tinha sido apresentado dez anos antes. Tal só seria possível a Shannon pelo ambiente em que trabalhava, e trabalharia durante mais de 15 anos, o Bell Labs:
“In 1925, Bell Labs was carved out of the phone company as a stand-alone entity, with custody shared jointly by AT&T and Western Electric. Walter Gifford, the president of AT&T, observed that the Labs, while nominally an arm of the phone company, could “carry on scientific research on a scale that is probably not equaled by any organization in the country, or in the world.” The goal of Bell Labs wasn’t simply clearer and faster phone calls. The Labs were tasked with dreaming up a future in which every form of communication would be a machine-aided endeavor. (..) When I first came there was the philosophy: look, what you’re doing might not be important for ten years or twenty years, but that’s fine, we’ll be there then. (..) That accumulation of talent paid tremendous dividends. In the span of a few decades, Bell researchers invented the fax machine, touch-tone dialing, and the solar battery cell. They engineered the first-ever long-distance phone call and synchronized the sounds and images in movies. During the war, they improved radar, sonar, and the bazooka, and they created a secure line to allow Franklin Roosevelt to speak to Winston Churchill. And in 1947, Bell researchers John Bardeen, William Shockley, and Walter Brattain created the transistor, the foundation of modern electronics. The trio would earn a Nobel Prize, one of the six Nobels given to Bell scientists during the twentieth century. (..) It was one thing for an industrial laboratory to hire qualified PhDs and put them to work on various pressing engineering problems. But Nobel Prizes? Pie-in-the-sky projects? Ten or twenty years of leeway? Even accounting for nostalgia, Thornton Fry’s judgment hardly seems out of place; looking back on the Labs, he called it “a fairyland company.”
Neste paper, de 1948, Shannon vai para além do que tinha apresentado na sua tese, porque converte o seu conhecimento, restringido ao desenho de lógica numa máquina, num modelo matemático capaz de calcular e prever com exatidão a informação que entra e a informação que sai, num circuito. Ou seja, criava o primeiro modelo de comunicações, capaz de converter impulsos eletrónicos em bits (nome adotado para a unidade de informação, e que chegou a ser designado por "shannons"), ou seja, de transformar Energia em Informação. Este modelo alarga completamente a relevância de Shannon, porque não só alarga o domínio da Eletrónica, fazendo-o colidir com o da Computação, mas vai mesmo até ao cerne da Comunicação. Ou seja, o modelo não diz apenas como é que podemos garantir que a informação que sai e que entra é igual, recorrendo a circuitos de lógica e matemática (probabilística), mas diz como é que a informação se comporta ao longo de todo um ciclo de comunicação, algo que surpreendentemente nunca tinha sido pensado, modelado, até 1948.

O modelo de Shannon é aplicável a todo e qualquer sistema de transmissão de informação, biológico ou artificial, sendo o primeiro modelo de comunicação alguma vez proposto.

Assim, temos que o conhecimento criado na tese mais o modelo proposto no paper, tornariam Shannon no grande responsável por uma vaga que dura até hoje, e que apelidamos de Revolução da Informação. Ou seja, as 5 maiores empresas do planeta em 2019, dependem completamente deste pedaço de conhecimento, já que tudo o que fazem, assenta numa continua conversão entre o mundo real e o mundo digital, pela digitalização de filmes, músicas, livros e todo o tipo de cultura, serviços e conhecimento, mas também de indústrias inteiramente construídas em exclusivo nos reinos do digital, tal como os Motores de Busca, as Rede Sociais ou as Clouds.



O resto do livro são fait-divers, alguns menos bons — como o rebaixamento de Norbert Wiener, ou as ausentes relações de Shannon com Turing ou Einstein. Do todo, o que retiro como novidade deste livro, e que ainda desconhecia, é o modo como Shannon criava conhecimento. Shannon era um maker, um tinkerer, e como Leonardo da Vinci, observava, experimentava e transformava a realidade em busca de respostas. Passou toda a sua vida a realizar experimentos, desde as primeiras máquinas capazes de jogar xadrez a ratos eletrónicos que conseguiam encontrar queijos em labirintos, até às suas duas últimas paixões, a construção de uniciclos e a modelação matemática do malabarismo. Daí o título do livro, “A Mind at Play”:
“But Shannon also placed a high value on his tinkering. “The design of game playing machines may seem at first an entertaining pastime rather than a serious scientific study,” he allowed, but there was “a serious side and significant purpose to such work, and at least four or five universities and research laboratories have instituted projects along this line (..) His goals were as grand as the means, at least at the time, were simple. “My fondest dream is to someday build a machine that really thinks, learns, communicates with humans and manipulates its environment in a fairly sophisticated way,” Shannon admitted. But he was not bothered by the usual fears of a world run by machines or a human race taking a backseat to robots. If anything, Shannon believed the opposite: “In the long run [the machines] will be a boon to humanity, and the point is to make them so as rapidly as possible...”

Quando questionado sobre a importância de podermos vir a desenvolver robôs e IA, Shannon foi muito claro e direto naquilo em que acreditava:
 “I believe that today, that we are going to invent something, it’s not going to be the biological process of evolution anymore, it’s going to be the inventive process whereby we invent machines which are smarter than we are and so we’re no longer useful, not only smarter but they last longer and have replaceable parts and they’re so much better. There are so many of these things about the human system, it’s just terrible. The only thing surgeons can do to help you basically is to cut something out of you. They don’t cut it out and put something better in, or a new part in (..) “We artificial intelligence people are insatiable,” he once wrote. Once machines were beating our grandmasters, writing our poetry, completing our mathematical proofs, and managing our money, we would, Shannon observed only half-jokingly, be primed for extinction. “These goals could mark the beginning of a phase-out of the stupid, entropy-increasing, and militant human race in favor of a more logical, energy conserving, and friendly species—the computer.”
E é isto, estas últimas palavras de Shannon acompanham-me desde que vi o filme “Artificial Intelligence:AI” de Spielberg e Kubrick, em 2001, tendo sido responsáveis pelo primeiro post neste blog. Uma nota final. Mesmo uma mente brilhante como a de Shannon, veria ser-lhe diagnosticada princípios de Alzheimer em 1983, sendo internado em 1993 já incapaz de reconhecer a família, vivendo até 2001.


Mais alguns links de interesse
O homem que transformou o papel em píxeis, VI
A Goliath among Giants, Bell Labs
Bell Labs Looks at Claude Shannon’s Legacy and the Future of Information Age, IEEE
1952 – “Theseus” Maze-Solving Mouse – Claude Shannon (fotografias)

Referência do livro: 
Jimmy Soni, J., Goodman, R., (2017). "A Mind at Play: How Claude Shannon Invented the Information Age". NY: Simon & Schuster

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