オントロジーの実用的なビジネス：Cの高度なストーリー

スティーブン・ウルフラムによる「オントロジーの実践的ビジネス：最前線からの物語」の翻訳。

化学の哲学

「私たちが決める必要があるのは、化学物質が都市に近いのか、それとも数字に近いのか？」昨日-過去30年間のほとんどの日と同様に-Wolfram言語の新しい機能の開発に費やしました。 そして昨日の午後、私の会議の1つで、化学における言語の可能性をどのように広げるかについて、活発な議論がありました。



あるレベルでは、議論した問題は本質的に実用的でした。 しかし、よくあることですが、私たちがやっていることは、最終的にはいくつかの深い知的問題に関係しています。 そして、実際に正しい答えを得るために、そして時の試練に耐える言語の機能を成功裏に開発するために、私たちはこれらの深みを落とし、哲学セミナー以外では通常考えられないことについて話さなければなりませんでした。



もちろん、問題の一部は、実際にこれまでに発生したことのない問題を扱っていることです。 従来のコンピューター言語は、化学物質などを直接語っていません。 抽象データを処理するだけです。 しかし、Wolframでは、可能なすべての知識を埋め込みます。 つまり、化学物質などの現実のものに対処する必要があるということです。



オブジェクトと呼ぶものを処理するために、Wolframシステム全体を構築しました。 オブジェクトは、 都市 （たとえば、 ニューヨーク ）、 映画 、または惑星 、または無数のその他のものです。 オブジェクトには名前（「New York」）があります。 また、特定のプロパティ（ 人口 、 面積 、 設立日など）があります。



水 、 エタノール 、 炭化タングステンなどの化学物質の概念は長い間存在していました。 これらの各化学オブジェクトには、 分子量や構造グラフ 、 沸点などの特性があります。



そして、私たちは多くの性質を知っている何十万もの化学物質を持っています。 しかし、これはある意味で特定の化学物質です。つまり、試験管に入れて実験を行うことができる特定の化合物です。



しかし、昨日私たちが見つけようとしたのは、抽象的な化学物質、たとえば化学構造を表す抽象的なグラフを通して抽象的に構築する化学物質の処理方法でした。 それらを水やニューヨークなどのオブジェクトで表す必要がありますか？ それとも、たとえば数字のリストや、さらに言えば数学的なグラフのように、より抽象的なものと考えるべきでしょうか？



もちろん、構築できる抽象的な化学物質の中には、 ショ糖やアスピリンなど、すでにオブジェクトを表している化学物質があります。 しかし、重要な違いがあります。 個々のスクロースまたはアスピリン分子について話していますか？ または、製品のバルクはどうですか？



あるレベルでは、これは紛らわしい違いです。 分子構造を知っていると考えることができるので、私たちはすべてを知っています-それは単に計算の問題です。 また、 分子量などの一部のプロパティは、分子構造によって計算するのがほとんど簡単です。 しかし、他のもの-例えば融点 -は、些細なことからはほど遠い。



さて、しかし、これは長期的な言語設計に基づくべきではない一時的な問題ですか？ それとも、変わらない、もっと根本的なものですか？ 便利なことに、答えを知るのに十分な基礎科学をやっています。はい、これは基本的なことです。 これは、 計算上の既約性と呼ばれるものによるものです。 たとえば、ある量の無限量の材料の融点の正確な値は、実際には根本的に計算されない場合があります。 （これはタイリングの問題が解決できないためです。タイルの設置は、分子が固体を構成する方法に似ています）。



したがって、基礎科学のこの（非常に高度な）部分を知っていれば、化学物質の質量バージョンと個々の分子を意識的に区別できることがわかります。 明らかに、たとえば水分子とバルク水の間には密接な関係があります。 しかし、それらとその特性には根本的かつ還元不可能な何かがまだあります。

少なくとも原子は細かいはずです

では、個々の分子について話しましょう。 もちろん、それらは原子でできています。 そして、少なくとも原子について話すときは、かなり堅実な基盤にあります。 特定の分子には常に特定の原子セットが含まれていると言うのは理にかなっていますが、おそらく、ポリマーなどについて話すときは、「パラメーター化された分子」を検討する必要があります。



しかし、少なくとも原子のタイプをオブジェクトと考えるのは安全なようです。 結局、原子の各タイプは化学元素に対応しており、周期表には限られた数の原子しかありません。 もちろん、原則として、追加の「化学要素」を思いつくことができます。 中性子星を巨大な原子核と考えることもできます。 しかし、ここでも特徴的な機能があります。ほぼ確実に、基本的に安定した原子の種類は限られていますが、他のほとんどは寿命が非常に短いです。



ただし、すぐに注意する価値があります。 「化学元素は想像できるほど明確ではありません。 それは常に異なる同位体の混合物だからです。 そして、例えば、あるタングステン鉱山から別のタングステン鉱山へと、この混合物は変化し、別の有効な原子質量を与えます。



そして実際には、これはオブジェクトごとに原子タイプを表示する正当な理由です。 そのため、分子について話すときに使用できるタングステンを表す単一のオブジェクトが必要なだけです。 そして、誰かがこのタイプの原子のプロパティを取得したい場合にのみ、それは例えば鉱山の条件に依存します、あなたはそのようなものに対処しなければなりません。



場合によっては（たとえば、 重水など ）、本質的に化学的なコンテキストである同位体について直接話す必要があります。 しかし、ほとんどの場合、化学元素を示すだけで十分です。



化学元素を示すには、原子番号Zを示す必要があります。その後、特定の同位体を示すには、含まれる中性子数を示すだけでよいことが教科書に示されています。 しかし、タンタルの予期しないケースは無視されます。 なぜなら、 タンタルの自然な形の1つ（180mTa）は、実際にはタンタルコアの励起状態であり、非常に安定しているからです。 これを正しく判断するには、その励起レベルと中性子数を示す必要があります。



ある意味では、量子力学はここで私たちを救います。 原子核の励起状態は無限にありますが、量子力学によると、それらはすべてスピンとパリティの 2つの離散値のみで特徴付けられるとされています。



各同位体および各励起状態は異なり、独自の特別な特性があります。 しかし、可能性のある同位体の世界は、可能性のある動物の世界よりもはるかに秩序があります。 量子力学は、同位体の世界のすべてが、離散量子数の限られたセットによって単純に特徴付けられると言っているからです。



分子から原子、原子核に行ったので、 素粒子について話してみませんか？ まあ、これは状況を複雑にします。 はい、 電子や陽子などのよく知られた粒子があります-これは非常に簡単に話すことができますが、Wolfram言語のオブジェクトで簡単に表されます。 しかし、他にも多くの粒子があります。 それらのいくつか-核など-はかなり特徴づけが簡単です。 「 これはc-クォーク-反-c-クォークシステムの特別な興奮状態ですか 」などと言うことができます。 しかし、素粒子物理学では、量子力学だけでなく、場の量子論についても話します。 そして、単に「素粒子を数える」ことはできません。 仮想粒子などの可能性にも対処する必要があります。最終的に、どの粒子が存在できるかという問題は、計算上の既約性に満ちた非常に複雑なものです。 （たとえば、グルオン領域でどのような安定状態が存在する可能性があるかは、これははるかに複雑な問題であり、融点に関連して述べたタイルの問題に似ています。）



おそらくいつか、私たちは基礎物理学の完全な理論を手に入れるでしょう。 そして多分それは簡単だろう。 しかし、それがどれほど刺激的であっても、ここでは役に立ちません。 計算上の既約性とは、内部に隠されているものとそこから生じる現象との間に想像を絶する距離があることを意味するためです。



そして、世界を記述するための言語を作成する際には、実際に観察および計算できることに関して話す必要があります。 物理学の基礎に注意を払う必要があります。特に、最終的に混乱を招く可能性のある立場を避けるために。 また、科学の実際の歴史と測定された実際の事柄にも注意を払う必要があります。 はい、例えば、可能な同位体の数は無限です。 しかし、多くの目的のために、既知のオブジェクトのオブジェクトを単純にセットアップすることは非常に便利です。

可能な化学物質のスペース

しかし、これは化学の場合ですか？ 核物理学では、かなり安定した既存の同位体をすべて知っていると思います。したがって、追加のエキゾチックな同位体は非常に短命であるため、実際の核プロセスではおそらく重要ではありません。 しかし、化学はまったく別の話です。 数千万の化学物質が研究されています（たとえば、科学出版物や特許に登録されています）。 実際、考慮できる分子の数に制限はありません-これは非常に有用です。



しかし、それでは、これらすべての潜在的な分子をどのように参照できますか？ おそらく、最初の近似から、それらの化学構造を示すことができ、各ノードが原子であり、各エッジが結合であるグラフを示します。



「コミュニケーション」とはどういう意味ですか？ それは実際の化学では非常に有用ですが、あるレベルでは不明確な概念、つまり完全な量子力学の一種の半古典的近似です。 二重結合 、イオン化状態など、いくつかの標準的な追加の側面があります。しかし、実際には、原子と結合のグラフの対応するラベルで分子構造を特徴付けるだけで、化学分析は非常にうまく実行されます。



わかりましたが、化学物質はオブジェクトまたは抽象的なグラフで表すべきですか？ これが二酸化炭素のような既に聞いた化学物質である場合、オブジェクトは便利なようです。 しかし、これまで話されたことのない新しい化学物質である場合はどうでしょうか？ あなたはそれを表す新しいオブジェクトを発明することを考えるかもしれません。



ただし、自尊心のあるオブジェクトには独自の名前が付けられます。 その名前は何ですか？ Wolframでは、構造を表すグラフのみにすることができます。 しかし、おそらく、通常のテキスト名に似たもの、つまり文字列が必要です。 1,1 ´-{[3-（ジメチルアミノ）プロピル]イミノ}ビス-2-プロパノールなど、名前の付いた化学名には常にIUPACメソッドがあります。 SMILESのよりコンピューターフレンドリーなバージョンもあります： CC（CN（CCCN©C）CC©O）O. そして、グラフが何であれ、それを表すためにこれらの線のいずれかを常に生成できます。



ただし、新しい問題が発生します。文字列は一意ではありません。 実際、誰かがグラフを書くことを選択したかのように、それは常に一意であるとは限りません。 特定の化学構造は、特定のスケジュールに対応しています。 しかし、グラフとその多くの異なる表現を描くには多くの方法があります。 実際、2つの画像が同じグラフに対応するかどうかを判断する問題（「 グラフ同型 」）でさえも解決するのは困難です。

最後に化学物質とは何ですか？

それで、化学構造をグラフとして表すと想像してください。 最初は抽象的なことです。 グラフには原子としてノードがありますが、実際の分子内での原子の位置（および、たとえば、分離されるオングストロームの数） はわかりません。 もちろん、答えは完全には定義されていません。 分子の低エネルギー配置について話していますか？ （同じエネルギーの構成が複数ある場合はどうなりますか？）分子はそれ自身であるのか、水の中にあるのですか？ 分子はどのように形成されるはずでしたか？ （たぶん、それはリボソームから降りるときに特別な方法で折りたたまれたタンパク質です。）



たとえば、「天然ヘモグロビン 」を表すオブジェクトがあれば、おそらくもっと良いでしょう。 ある意味で、このオブジェクトはこれらすべての詳細をカプセル化できるからです。



しかし、合成されたことのない化学物質について話したい場合、これは少し異なる話です。 そして、私は、可能な化学物質を抽象的に表現する方が良いと思われます。



しかし、他のいくつかのケースと類推について話しましょう。 たぶん、すべてをオブジェクトとして考える必要があります。 任意の整数がオブジェクトになることができるように。 はい、それらは無限にあります。 しかし、少なくとも、どのような名前を付けるべきかは明らかです。 実数では、物事はすでに混乱しています。 たとえば、整数のような一意性はもはやありません：0.99999 ...実際には1.00000 ...と同じですが、異なって記述されています。



整数のシーケンスや、さらに言えば数式はどうですか？ すべての可能なシーケンスまたはすべての可能な式は、異なるオブジェクトである可能性があります。 しかし、これは特に便利ではありません。シーケンスや数式でやりたいことの多くは、それらを入力して構造を変換することです。 しかし、オブジェクトを操作するのに便利なのは、それぞれが「単一のエンティティ」であり、「内部に入る」必要がないことです。



それでは、「抽象的な化学物質」の話は何ですか？ 混乱するでしょう。 ただし、もちろん、この構造を「内部に入れて」変換する必要があります。 これは、化学グラフを表すことに賛成です。



しかし、その後、潜在的に不快なギャップがあります。 二酸化炭素のオブジェクトがあり、それについてはすでに多くの特性を知っています。 そして、このグラフがあります。これは、二酸化炭素分子を抽象的に表しています。



これが人とプログラムの両方を混乱させることを恐れるかもしれません。 しかし、最初に理解することは、これら2つのことが何を表しているかを区別できることです。 オブジェクトは、その特性を潜在的に測定できる化学物質の自然なバージョンです。 グラフは、特性を計算する必要がある抽象的な理論化学物質です。



しかし、明らかに接続が必要です。 特定の化学オブジェクトの場合、プロパティの1つは分子の構造を表すグラフになります。 そして、グラフがある場合、 ChemicalIdentify関数が必要です。GeoIdentifyや、おそらくImageIdentifyのように 、このグラフに対応する分子構造を持つ化学オブジェクト（存在する場合）をグラフから特定しようとします。

哲学と化学との出会い、数学と物理との出会い...

いくつかの問題を説明しながら、これがどれほど難しいかを理解しています。 そして、はい、それは難しいです。 しかし、昨日の会議では、すべてが非常に迅速に進みました。 もちろん、これは誰もが以前に同様の問題に直面したことの助けになります。これがまさに私たちの仕事の根底にあるものです。 しかし、それぞれのケースは異なります。



そして、どういうわけか、この事件は通常よりも少し深く、哲学的になっています。 「星の名前について話しましょう」と誰かが言いました。 明らかに、明確な名前を持つ近い星があります。 また、空の大規模な研究で特定の識別子が与えられた他のいくつかの星が特定された可能性があります。 しかし、遠くの銀河には、名前が付けられない星がたくさんあります。 それでは、それらをどのように表現すべきでしょうか？



これは都市の話につながった。 はい、チャーターには正式に命名された特定の都市があり、おそらくこれらすべてのWolfram名が定期的に更新されています。 しかし、ある季節に遊牧民によって作られたある種の村はどうでしょうか？ これをどのように表すべきですか？ 少なくともしばらくの間、彼女には特定の場所があります。 しかし、これは明確なことなのか、それとも後で2つの村に分割されるのか、まったく分割されないのか？



これらの多くの存在の識別、さらには存在についてさえ、ほぼ無限に議論することができます。 しかし、最終的に、これは私たちが興味を持っているこれらのことの哲学ではありません。私たちは人々が役に立つと思うソフトウェアを作成しようとしています。 したがって、最終的には、有用なものが重要です。



もちろん、これはほとんどの場合、確実に知ることは不可能です。しかし、それは一般に言語設計のように見えます。人々がやりたいことをすべて考えてから、人々がこれを行えるようにするプリミティブを設定する方法を見てください。オブジェクトとして化学物質を導入したい人はいますか？はい、それは役に立ちます。任意の化学構造をグラフとして表現したい人はいますか？はい、それは役に立ちます。



しかし、何をすべきかを理解するには、それぞれの場合に実際に何が表されているのか、すべてがどのように接続されているのかを深く理解する必要があります。そして、ここで哲学は化学、数学、物理学などの会議に行かなければなりません。



, ( 40- 100- ), , . - , Wolfram. , . , — . , Wolfram .