علوم الكمبيوتر

(١) الظواهر المُحيطة بأجهزة الكمبيوتر

سرعان ما أدرك مُطوِّرو أجهزة الكمبيوتر الآلية المبكرة أن الآلات الجديدة تتطلَّب طريقة تفكير وتصميم مُختلفة عن أي شيءٍ موجود بالفعل في العلوم أو الهندسة. وأنشأت جمعية آلات الحوسبة ومعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات دوريات علمية لهذا المجال الناشئ في بداية الخمسينيات من القرن العشرين. وكانت كلية مور، موطن مشروع المُكامل الرقمي الإلكتروني، من أولى الجهات التي بدأت تعليم الحوسبة في عام ١٩٤٦ بدورةٍ مكثفة مدتها شهران حول «نظرية تصميم أجهزة الكمبيوتر الرقمية الإلكترونية وتقنياتها». وفي الخمسينيات من القرن العشرين، منحت كلية مور درجةً علمية متعددة التخصُّصات في الحوسبة تضمنت التحليل العددي، والبرمجة، وتصميم لُغة البرمجة. وبدأت كليات أخرى برامجها الخاصة.

واجه الأكاديميون الذين اقترحوا أقسامًا أو برامج كاملة لعلوم الكمبيوتر في الجامعات البحثية مقاومة قوية. فلم يُصدق العديد من المُنتقدين قيمة الطرق الجديدة للحوسبة؛ ومن الاعتراضات الشائعة: الافتقارُ إلى المحتوى الفكري الفريد والافتقار إلى الأساس النظري الكافي. وجادل الأصوليون بأن أجهزة الكمبيوتر كانت مصنوعات بشرية وليست أحداثًا طبيعية، ومن ثَم لا يمكن اعتبار دراستها ضمن العلوم الطبيعية الغَراء. علاوة على ذلك، شكَّك الكثيرون في استمرار الحوسبة. ولم يتمكن أحد من تأسيس قسم علوم الكمبيوتر إلا بعد أن توصَّلت العديد من الأقسام إلى توافُق في الآراء.

بدأ هذا التيار في التغيُّر عام ١٩٦٢، عندما أنشأت جامعة بوردو أول قسمٍ لعلوم الكمبيوتر وتبعتها ستانفورد بعد ذلك بوقت قصير. وعلى مدار العَقدَين التالِيَين، زاد عدد الأقسام، ببطء ولكن بثبات، إلى أكثر من مائةٍ في الولايات المتحدة الأمريكية وحدَها. ومع ذلك، واصل العديد من الأكاديميين التشكيك فيما إذا كانت علوم الكمبيوتر مجالًا علميًّا أو هندسيًّا مستقلًا.

لم يكن من المُمكن أن يهتدي التطوير المُبكر لنظم المشاركة الزمنية بالنظريات؛ حيث لم تكن ثمة نظريات موجودة، وكانت معظم التوقُّعات حول سلوك نظم المشاركة الزمنية غير دقيقة بالمرة. لم يكن مِن المُمكن وضع نظرية لنظم المشاركة الزمنية دون إنشاء هذه النظم بالفعل، وبعد إنشائها، أدى البحث التجريبي حول سلوكها إلى وضع أساسٍ نظري ثري. بعبارة أخرى، لا يمكن للتفكير الحوسبي أن يتعامَل مع المشكلات من اتجاهٍ واحد فقط؛ ومن هنا تطوَّرت الجوانب الهندسية والجوانب العلمية الرياضية للحوسبة بطريقة تآزُرية لإنتاج عِلم لم يكن علمًا طبيعيًّا بحتًا.

سرعان ما اكتسبت فكرة الحوسبة، بوصفها دراسة للظواهر المُحيطة بأجهزة الكمبيوتر، قبولًا، وبحلول نهاية الستينيات من القرن العشرين، اعتُبرت تعريفًا للحوسبة. وبدأت رؤية فريدة للمجال تتشكَّل حول هذه الفكرة. واستُخدِم مصطلح «التفكير الخوارزمي» لوصف الجانب الأكثر وضوحًا لهذا النوع الجديد من التفكير. كانت الأهداف الفريدة للمجال، والمشكلات المعتادة فيه، وأساليب حل هذه المشكلات، وأنواع الحلول هي أساس التفكير الحوسبي.

وسَّع رواد الحوسبة التفكير الحوسبي إلى أبعد مما ورثوه من التاريخ الطويل للحوسبة. وركَّزوا على مبادئ إنشاء البرامج وآلات الحوسبة ونُظم التشغيل. ووضعوا عددًا كبيرًا من مفاهيم الحوسبة التي تُعَد اليوم من المُسلَّمات، بما في ذلك المُتغيرات المُسمَّاة، وهياكل التحكُّم، وهياكل البيانات، وأنواع البيانات، ولُغات البرمجة الشكلية، والروتينات الفرعية، وبرامج التحويل البرمجي، وبروتوكولات الإدخال والإخراج، وقنوات التعليمات، ونُظم المقاطعة، وعمليات الحوسبة، والتسلسُل الهرمي للذاكرة، والذاكرة المؤقتة، والذاكرة الافتراضية، والأجهزة الطرفية، والواجهات.

وكانت أساليب البرمجة وبِنَى نظم الكمبيوتر هي القوى الدافعة الرئيسية في تطوير التفكير الحوسبي. وبحلول عام ١٩٧٠، اتفق معظم علماء الكمبيوتر على أن طرق الحوسبة المُميزة في التفكير والممارسة — التي يُطلَق عليها اليوم التفكير الحوسبي — تشمل كل المعارف والمهارات المُتعلقة بأجهزة الكمبيوتر.

انقسم التفكير الحوسبي في وقتٍ مبكر إلى جانبين: الأجهزة والبرامج. وتابع مهندسو الكمبيوتر جانب الأجهزة في كلية الهندسة؛ بينما تابع مُصمِّمو البرامج وواضعو نظريات الحوسبة الجانب الخاص بالبرامج في كلية العلوم.

(٢) البرمجة فنًّا وعلمًا

كانت الستينيات من القرن العشرين فترة نُضج للحوسبة، أنتجت ثراءً كبيرًا في الطرُق التي فكَّر بها علماء الكمبيوتر في عملهم ومجالهم. فقد ظهر فرع نظم التشغيل في أوائل الستينيَّات من القرن العشرين لإتاحة الحوسبة التفاعلية الرخيصة في مجتمعات المستخدِمين الكبيرة؛ ومن ثم اكتسب التفكير الحوسبي توجهًا متكاملًا يقوم على المنظومة الكاملة. وظهر فرع هندسة البرمجيات في أواخر الستينيات من القرن العشرين بسبب القلق من أن النماذج الحالية للبرمجة غير قادرة على تطوير برامج إنتاجٍ موثوقٍ بها يُمكن الاعتماد عليها؛ ومن ثَم اكتسب التفكير الحوسبي توجُّهًا هندسيًّا. وظهر فرع الشبكات في عام ١٩٦٧ عندما بدأ مشروع شبكة وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة (أَرْبا نِت)، وعندها اكتسب التفكير الحوسبي توجهًا شبكيًّا.

مع وجود أساس تكنولوجي قوي وموثوقٍ به، تحول اهتمام المجال إلى البرامج والبرمجة. وظهرت العديد من لُغات البرمجة جنبًا إلى جنبٍ مع طرق البرمجة القياسية. ونشأ اهتمام كبير بالتحقق الشكلي من البرامج، سعيًا وراء طريقةٍ قائمة على النظرية لإثبات أن البرامج موثوقٌ بها وصحيحة. كما نشأ اهتمام مُماثل بالتعقيد الحوسبي، سعيًا وراء طرق تحليلية لتقييم مقدار العمل الحوسبي الذي تتطلَّبه الخوارزميات المختلفة.

اختُرعت لُغات البرمجة لتوفير تعبيرات دقيقة عالية المستوى لما يريد المبرمج، والتي يمكن ترجمتها بشكلٍ لا الْتباس فيه بواسطة برنامج التحويل البرمجي إلى تعليمة آلة. وقد أدى ذلك إلى تبسيط وظيفة البرمجة تبسيطًا هائلًا، مما جعلها أكثر إنتاجيةً وأقل عرضةً للأخطاء. وقد أَدخلَت لُغات البرمجة الأولى مجموعةً كبيرة من مفاهيم التفكير الحوسبي الجديدة التي لم تكن لها نظائر في المجالات الفكرية الأخرى، أو كانت لها نظائر قليلة.

استهدفت معظم لُغات البرمجة المساعدةَ في أتمتة الوظائف المهمة مثل تحليل البيانات العلمية وتقييم النماذج الرياضية (فورتران في عام ١٩٥٧)، وإجراء الاستنتاجات المنطقية (ليسب في عام ١٩٥٨)، أو تتبع عمليات الجرد في الشركات والحفاظ على قواعد بيانات العملاء (كوبول في عام ١٩٥٩). وهدَفت لُغات قليلة إلى السماح للأشخاص بتحديد المواصفات الدقيقة للخوارزميات التي يمكن دمجُها في لُغاتٍ أخرى. وطُورت لغة ألجول (١٩٥٨) من هذا المنظور.

أصبحت فكرة أن اللغات توفر متطلبات طرق مُعينة للتفكير في المشكلات تُسمَّى «أنماط البرمجة». على سبيل المثال: البرمجة الأمرية ترى البرامج كسلسلة من الوحدات النمطية (تُسمى «الإجراءات») التي تُوجِّه أوامر إلى الآلة عن طريق تعليماتها. وتنتمي لغات البرمجة «فورتران» و«كوبول» و«ألجول» جميعها إلى هذه الفئة. أما البرمجة الموجهة نحو الكائنات، فهي تتعامَل مع البرامج كمجموعاتٍ من الوحدات شِبه المُستقلة ذاتيًّا، أو «الكائنات» التي تتفاعل بعضها مع بعض ومع العالم الخارجي عن طريق تبادُل الرسائل. وتنتمي اللغات اللاحقة مثل «سمولتوك» و«جافا» إلى هذه الفئة. وتعاملت البرمجة الوظيفية مع البرامج كمجموعاتٍ من الدوالِّ الرياضية التي تُولِّد بيانات الإخراج من بيانات الإدخال. ومن أمثلتها لغة «ليسب».

كان يُنظر إلى أنماط البرمجة في السبعينيات من القرن العشرين على أنها أنماط مختلفة من التفكير الخوارزمي. وكانت جميعها تهدف إلى برامج تحتوي على تعبيراتٍ واضحة يستطيع البشر قراءتها وتنفيذها بشكلٍ صحيح وفعَّال عند تجميعها وتنفيذها. وقد قام كلٌّ من دونالد كنوث في كتابَيه الشهيرَين «فن برمجة الكمبيوتر» و«البرمجة الحرفية»، وإدسجر دايكسترا في عمله عن البرمجة الهيكلية، بتجسيد الفكرة القائلة بأن الحوسبة تدور حول الخوارزميات بهذا المعنى. وبحلول ثمانينيات القرن العشرين، أوضح معظم علماء الكمبيوتر أن التفكير الحوسبي هو مجموعة من المهارات والمعرفة المتعلقة بالخوارزميات وتطوير البرامج.

(٣) الحوسبة كأتمتة

إن رؤية الحوسبة على أنها دراسة الخوارزميات وتصميمها كانت تُعَد رؤيةً ضيقة للغاية، على الرغم من كل ما تنطوي عليه من ثراء. وبحلول أواخر السبعينيات من القرن العشرين، كان هناك العديد من الأسئلة الأخرى التي تحتاج إلى إجابات. كيف تُصمِّم لغةَ برمجة جديدة؟ كيف تَزيد من إنتاجية المبرمج؟ كيف تُصمم نظام تشغيل آمنًا؟ كيف تصمم أجهزةً ونظمًا برمجية قادرة على تحمُّل الأخطاء؟ كيف تنقل البيانات بشكلٍ موثوق به عبر شبكة من حُزَم البيانات؟ كيف تحمي النظم من سرقة البيانات من قِبل المُتسلِّلين أو البرامج الضارة؟ كيف تجد نقاط الاختناق في نظام الكمبيوتر أو في الشبكة؟ كيف تجد وقت استجابة النظام؟ كيف تجعل النظام يؤدِّي عملًا سبق إنجازه بواسطة مُشغِّلين بشريِّين؟

ركزت دراسة الخوارزميات على خوارزميات فردية ولكنها نادرًا ما ركَّزت على تفاعلاتها مع البشر أو تأثيرات عمليات الحوسبة الخاصة بها على المُستخدِمين الآخرين للنظم والشبكات. ومن ثَم لم يكن مِن المُمكن أن تقدِّم إجاباتٍ كاملةً عن هذه الأسئلة. نشأت فكرة أن العامل المشترك في كل هذه الأسئلة، وأن جوهر التفكير الحوسبي، هو أن الحوسبة تسمح بالأتمتة في العديد من المجالات. والأتمتة، بشكلٍ عام، تعني أحد شيئَين: إما التحكُّم في العمليات بطرُق ميكانيكية مع الاستعانة بالبشر في أضيق الحدود، أو تنفيذ العملية بواسطة آلة. وأراد الكثيرون العودة إلى مفهوم الستينيات بأن الأتمتة هي الغاية النهائية وراء أجهزة الكمبيوتر وأنها من أكثر المسائل إثارة للاهتمام في العصر الحديث. وكان مِن الواضح أن الأتمتة هي العامل المشترك بين جميع علوم الكمبيوتر، وأن التفكير الحوسبي يهدف إلى جعل الأتمتة فعَّالة.

حتى منتصف التسعينيات من القرن العشرين، تم تبنِّي فكرة الحوسبة كأتمتة في الكتب والتقارير البحثية ووثائق السياسة المؤثرة باعتبارها «السؤال الأساسي الكامن وراء الحوسبة.» وقد تردَّد صدى هذه الفكرة في تاريخ التفكير الحوسبي؛ وكما ناقشنا في الفصول السابقة، حققت الحوسبة الآلية حُلم علماء الرياضيات التطبيقية والمهندسين في سرعة الحساب ودقَّته دون الاعتماد على الحدس البشري والأحكام البشرية. وكان واضعو النظريات، مثل آلان تورينج، مفتونِين بفكرة مَيكنة الحوسبة. ورأى المُمارسون أن البرامج عبارة عن أتمتةٍ للمهام. وبحلول عام ١٩٩٠، أصبح «ما الذي يمكن أتمتته؟» شعارًا رائجًا في شرح الحوسبة للوافدين وموضوعًا أساسيًّا من موضوعات التفكير الحوسبي.

إن الخوارزميات التجريبية تجعل مسألة الصعوبة الحوسبيَّة أكثر إثارة للاهتمام. تُطالبنا مشكلة حقيبة الظهر الشهيرة بتعبئة مجموعةٍ من العناصر في حقيبة ظهر ذات وزنٍ محدود لاختيار العناصر الأعلى قيمة. والخوارزمية المُستخدَمة في ذلك تُشبه تلك المستخدَمة في مسألة سرد العناصر التي تَحدَّثنا عنها، وسوف تستغرق وقتًا طويلًا على نحو يستحيل معه تنفيذها بالنسبة لمعظم حقائب الظهر. ولكنَّ لدَينا روتينًا قائمًا على التجرِبة العملية مفاده أن «نُقيِّم كل عنصر بنسبة قيمته إلى وزنه، ثم نضع العناصر في الحقيبة حسب الترتيب التنازلي للنِّسَب حتى تمتلئ حقيبة الظهر.» هذا الروتين القائم على التجرِبة العملية يؤدي إلى حَزم حقائب الظهر بطريقةٍ جيدة جدًّا وبسرعة، ولكن ليس بالضرورة أن يكون ذلك بالطريقة الأفضل. وهذا هو الحال في العديد من المسائل الصعبة. توجَد خوارزميات تجريبية سريعة تعمل جيدًا ولكنها قد لا تكون الأفضل. ولا يُمكننا أتمتتُها إلا إذا وجدنا خوارزميةً تجريبية جيدة.

على الرغم من أن جميع أجزاء الحوسبة تلعب دورًا في عملية الأتمتة، فقد برَز الذكاء الاصطناعي كمجالٍ رئيسي في الحوسبة لأتمتة المهام المعرفية لدى البشر وغيرها من الأعمال البشرية. ضمَّ صندوق أدوات التفكير الحوسبي أساليب تجريبية للبحث في نطاقاتِ حلول الألعاب، ولاستخلاص النتائج من المعلومات المُعطاة، ولأساليب تعلم الآلة التي تجد حلولًا للمشكلات من خلال وضع تعميماتٍ بناءً على الأمثلة.

(٤) الحوسبة بوصفها عمليات معلوماتية شاملة

كان انتشار الحوسبة في العديد من المجالات في تسعينيات القرن العشرين أحد العوامل الأخرى التي أسهمت في تراجُع الاعتقاد السائد في الأوساط الأكاديمية بأن الكثير من المهام يمكن أتمتتُها بسهولة بالاستعانة بالتفكير الحوسبي. كان من الواضح أن العلماء الذين يستخدمون الكمبيوتر في إجراء عمليات المحاكاة أو تقييم النماذج الرياضية يستخدمون التفكير الحوسبي، ولكن هدفهم الأساسي لم يكن هو أتمتة المهام البشرية. بل كانوا يستكشفون الكون من منظور الحوسبة (انظر القسم التالي، «الكون بوصفه كمبيوتر»). دُقَّ المِسمار الأخير في نعش الأتمتة عندما بدأ العلماء من مجالات أخرى حوالي عام ٢٠٠٠ يقولون إنهم تعرفوا على عمليات معلوماتية تحدث في الطبيعة دون تدخُّل بشري. على سبيل المثال: قال علماء الأحياء إن العملية الطبيعية لنسخ الحمض النووي هي في الأساس عملية حوسبيَّة. وتحوَّل التركيز من أتمتة هذه العمليات الطبيعية إلى فهمها وتعديلها.

والأمر لا يقتصر على علم الأحياء فحسب. فعلماء الإدراك يرَون العديد من العمليات التي تتمُّ في الدماغ عملياتٍ حوسبيَّة. كذلك يرى علماء الكيمياء العديد من العمليات الكيميائية عمليات حوسبيَّة، وصمموا موادَّ جديدة عن طريق حوسبة التفاعُلات التي تؤدي إليها. كما تستخدِم شركات الأدوية المحاكاة والبحث بدلًا من التجارِب المعملية المملَّة لاكتشاف مُركَّبات جديدة لعلاج الأمراض. ويرى علماء الفيزياء أن ميكانيكا الكم هي وسيلة لتفسير جميع الجسيمات والقوى كعملياتٍ معلوماتية. والقائمة تطول. علاوة على ذلك، فإن العديد من الابتكارات الجديدة مثل: المدوَّنات، والتعرُّف على الصور، والتشفير، وتعلُّم الآلة، ومعالجة اللغات الطبيعية، وسلاسل الكتل، هي كلها ابتكارات أصبحت مُمكنة بفضل الحوسبة. ولكن لم يكن أيٌّ مما سبق أتمتةً لعملية موجودة؛ بل أنشأ كلٌّ منها عملية جديدة تمامًا.

يا له من تغيير جذري مقارنةً بأيام نيوويل، وبرليس، وسايمون! حينها تعرضت فكرة علوم الكمبيوتر نفسها للهجوم؛ لأنها لا تدرس العمليات والظواهر الطبيعية. أما الآن، فقد أصبحت علوم الكمبيوتر ضرورية لفهم هذه العمليات الطبيعية.

(٥) الكون بوصفه جهاز كمبيوتر

يقول بعض الباحثين إننا على شفا فهمٍ جديد للكون، يتمثل في فكرة أن الكون نفسه عبارة عن كمبيوتر عملاق. ووفقًا لهذه النظرية، فكلُّ ما نعتقد أننا نراه، وكل ما نُفكر فيه، هو نتيجة لعمليات حوسبيَّة داخل هذا الكمبيوتر الكوني. وبدلًا من استخدام الحوسبة أداةً لفهم الطبيعة، فإننا — حسب قولهم — سنقبل في النهاية أن كلَّ شيءٍ في الطبيعة هو نتاج للحوسبة. في هذه الحالة، فإن التفكير الحوسبي ليس مجرد مهارة أخرى يجب تعلُّمها، بل هو السلوك الطبيعي للدماغ.

يُحب كتَّاب سيناريوهات هوليوود هذا الخط السردي. ولذلك فقد استغلُّوه في العديد من أفلام الخيال العلمي الشهيرة القائمة على فكرة أن كلَّ ما نعتقد أننا نراه يُنتَج لنا بواسطة محاكاة باستخدام الكمبيوتر، وفي الواقع فإن كل فكرة نُفكر فيها هي وهْم أنتجته لنا عملية حوسبة. قد تكون قصة جذَّابة، ولكن هناك القليل من الأدلة لدعمها.

هذا الادعاء هو تعميم لفكرة مألوفة في الذكاء الاصطناعي. يشير «الذكاء الاصطناعي القوي» إلى الاعتقاد بأن الآلات المبرمجة بشكلٍ مناسب يمكن أن تكون ذكيةً بكل ما تحمل الكلمة من معنًى. أما «الذكاء الاصطناعي الضعيف»، فيشير إلى الاعتقاد بأنه من خلال البرمجة الذكية، يُمكن للآلات محاكاة الأنشطة العقلية بشكلٍ جيد بحيث تبدو ذكيةً دون أن تكون ذكية. على سبيل المثال: تطبيقا المساعد الافتراضي «سيري» و«أليكسا» ينتمِيان إلى الذكاء الاصطناعي الضعيف؛ لأنهما يقومان بعملٍ جيد في التعرُّف على الأوامر الشائعة وتلبيتِها دون «فهمها».

استحوذ السعي وراء الذكاء الاصطناعي القوي على أجندة الذكاء الاصطناعي منذ تأسيس مجاله في عام ١٩٥٠ حتى أواخر التسعينيات. ولكن هذا لم يُثمر عن تقدُّمٍ يُذكر، ولم تُصمَّم أي آلة يمكن اعتبارها ذكيةً بما يتماثل مع ذكاء البشر. ومن ثَمَّ أصبح السعي وراء تطبيقات الذكاء الاصطناعي الضعيف المُتخصِّصة في الصدارة بدءًا من تسعينيات القرن العشرين، وكان مسئولًا عن الابتكارات المُذهلة في الشبكات العصبية وتحليل البيانات الضخمة.

وعلى غرار تمييز الذكاء الاصطناعي إلى ضعيف وقوي، فإن رؤية الكون باعتباره كمبيوتر «قويًّا»، تفترض أن الكون نفسه، بالإضافة إلى كلِّ الكائنات الحية، عبارة عن كمبيوتر رقمي. وكل بُعد من أبعاد الزمكان مُنفصل، وكل حركة للمادة أو الطاقة هي عملية حوسبيَّة. على النقيض من ذلك، فإن رؤية الكون باعتباره كمبيوتر «ضعيفًا» لا تزعم أن العالم يُجري عملياتٍ حوسبة، وإنما ترى أن التفسيرات الحوسبيَّة للعالم مُفيدة جدًّا في دراسة الظواهر؛ إذ يُمكننا نمذجة العالم ومحاكاته ودراسته باستخدام الحوسبة.

تُعَد رؤية العالم باعتباره كمبيوتر قويًّا رؤيةً تخيُّليةً للغاية، وعلى الرغم من أن هناك مَن يدعمونها بحماس، فإنها تواجِه العديد من المشاكل التجريبية والفلسفية. ويمكن تفهُّم ظهور هذه الرؤية على أنه استمرار للسعي المُستمر نحو فهم العالم من خلال أحدث التقنيات المتاحة. على سبيل المثال: في عصر التنوير قُورن العالم بالساعة. وقورن الدماغ بالطاحونة، ونظام التلغراف، والنظم الهيدروليكية، والنظم الكهرومغناطيسية، والكمبيوتر على التوالي. وكانت أحدث مرحلة في هذا التطوُّر هي تفسير العالم لا باعتباره كمبيوتر تقليديًّا وإنما باعتباره كمبيوتر كَمِّيًّا.