Claude Shannon – Életrajz, történelem és találmányok

Claude Shannon híres amerikai matematikus, elektronikai mérnök és genetikus, akit néha az információelmélet atyjának is neveznek.

Claude Elwood Shannon (1916-2001) kiváló tanuló volt, és miután 1936-ban a Michigani Egyetemen két alapdiplomát szerzett (egyet villamosmérnöki, egyet pedig matematikából), a Massachusetts Institute of Technology-n (MIT) kezdte meg doktori tanulmányait, ahol 1940-ben villamosmérnöki mesterdiplomát és matematikából doktori címet szerzett. Miközben az MIT-n dolgozott Vannevar Bush differenciálanalizátorán (egy mechanikus analóg számítógép, amelyet differenciálegyenletek integrálással történő megoldására terveztek).

A differenciálanalizátor bonyolult áramköreit tanulmányozva Shannon látta, hogy Boole koncepcióit ott nagy hasznosan lehet használni. Az Amerikai Villamosmérnöki Intézet Transactions of the American Institute of Electrical Engineers című folyóirat 1938-as számában publikált egy tanulmányt, amely az 1937-es diplomamunkájából – A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits – merített. Ez a dolgozat hozta meg Shannon számára az Amerikai Mérnöki Intézet Alfred Noble-díját 1940-ben. Egyesek Shannon dolgozatát az évszázad talán legfontosabb és egyben leghíresebb mesterdiplomamunkájának nevezték

Dolgozatában Shannon bebizonyította, hogy a Boole-algebra és a bináris aritmetika felhasználható az akkoriban a telefonos útválasztó kapcsolókban használt elektromechanikus relék elrendezésének egyszerűsítésére, majd a feje tetejére állította a fogalmat, és azt is bebizonyította, hogy a relék elrendezését a Boole-algebrai problémák megoldására is fel lehet használni. Az elektromos kapcsolók ezen tulajdonságának kihasználása logikai feladatok elvégzésére az az alapkoncepció, amely minden elektronikus digitális számítógép alapját képezi. Shannon munkája a gyakorlati digitális áramkörök tervezésének alapjává vált, amikor a második világháború alatt és után széles körben ismertté vált az elektrotechnikusok körében. Shannon munkájának elméleti szigora teljesen felváltotta a korábban uralkodó ad hoc módszereket.

1940-ben Shannon a New Jersey állambeli Princetonban működő Institute for Advanced Study nemzeti kutatói ösztöndíjasa lett. Princetonban Shannonnak lehetősége nyílt arra, hogy olyan befolyásos tudósokkal és matematikusokkal vitassa meg elképzeléseit, mint Hermann Weyl és John von Neumann. Shannon szabadon, tudományágakon átívelően dolgozott, és elkezdte kialakítani azokat az elképzeléseket, amelyekből később az információelmélet lett.

A második világháború alatt Shannon a Bell Labs-ben tűzvezető rendszereken és kriptográfián dolgozott. 1943-ban kapcsolatba került a híres brit matematikussal és kriptoanalitikussal, Alan Turinggal, aki akkoriban Washingtonban tartózkodott, hogy az amerikai haditengerészet kriptoanalitikus szolgálatával megossza a brit kormány kód- és rejtjelező iskolája által a német rejtjelek feltörésére használt módszereket. Turing megmutatta Shannonnak az 1936-os On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem című korszakalkotó tanulmányát, amelyben meghatározta a ma már univerzális Turing-gépként ismert gépet, ami nagy hatással volt rá, mivel számos gondolata kiegészítette az övét.

1948-ban Shannon egy másik korszakalkotó tanulmányt publikált: A Mathematical Theory of Communication. Ebben a dolgozatban definiálta az információelmélet tárgyát, és egy kommunikációs rendszer lineáris sematikus modelljét javasolta, ami új ötlet volt. A kommunikációról akkoriban úgy gondolták, hogy elektromágneses hullámokat kell leküldeni egy vezetéken. Az elképzelés szerint képeket, szavakat, hangokat stb. úgy lehet továbbítani, hogy 1-esek és 0-sok áramát küldjük le egy dróton. A bit szó első bevezetésével Shannon megmutatta, hogy a jelhez hozzáadott további bitek lehetővé teszik az átviteli hibák kijavítását. Ő volt az, aki felismerte, hogy a bináris számjegy az egész kommunikáció alapvető eleme. Ez volt valójában az ő felfedezése, és ebből indult ki az egész kommunikációs forradalom.

A Shannon tanulmányában megfogalmazott gondolatokat hamarosan világszerte átvették a hírközlési mérnökök és matematikusok. Kidolgozták, kibővítették és új kapcsolódó ötletekkel egészítették ki őket. A téma virágzott, és a tudomány évkönyveinek kerek és izgalmas fejezetévé nőtte ki magát.

Shannon későbbi munkái a mesterséges intelligencia ötleteivel foglalkoztak. 1950-ben úttörő tanulmányt publikált a számítógépes sakkozásról Programming a Computer for Playing Chess címmel, amely 1956-ban a Los Alamos-i MANIAC számítógép első teljes játszmájához vezetett. Ugyancsak 1950-ben alkotta meg a Theseus nevű elektronikus egeret (lásd a közeli képet), amely labirintusfeladatokat tudott megoldani. Ez egy mágneses egér volt, amelyet egy reléáramkör vezérelt, amely lehetővé tette, hogy egy 25 négyzetből álló labirintusban mozogjon. A labirintus konfigurációja rugalmas volt, és tetszés szerint módosítható volt. Az egeret úgy tervezték, hogy addig keresse a folyosókat, amíg meg nem találja a célpontot. Miután bejárta a labirintust, az egér ezután bárhol elhelyezhető volt, ahol korábban már járt, és a korábbi tapasztalatai miatt közvetlenül a célponthoz tudott menni. Ha ismeretlen területre helyezték, úgy programozták, hogy addig keressen, amíg el nem ér egy ismert helyet, majd a célpont felé haladjon, az új ismereteket hozzáadva a memóriájához, így tanulva. Úgy tűnik, Shannon egere volt az első ilyen jellegű tanuló eszköz.

Shannon más területeken is alkalmazta feltalálói zsenialitását, például feltalálta szeretett egykerekűjének kétüléses változatát, és valószínűleg igaz, hogy senki sem volt hajlandó megosztani vele. Egy későbbi találmánya, az egykerekű, középponton kívüli tengelytámasszal ellátott egykerekű, az embereket a folyosókra vonzotta, hogy nézzék őt, amint fel-le bukdácsol rajta, mint egy kacsa.