Cỗ máy tự sao chép của John von Neumann là một thiết kế lý thuyết, dựng trên một ô tự động 29 trạng thái, chứng minh rằng một cỗ máy có thể chế tạo ra bản sao của chính nó, kể cả bản mô tả của chính nó, mà không rơi vào vòng lặp vô tận. Bí quyết là một "băng mô tả" được dùng theo hai cách: vừa được đọc để làm theo, vừa được chép nguyên văn cho đời sau. Von Neumann nghĩ ra cấu trúc này vào cuối thập niên 1940, vài năm trước khi cấu trúc DNA được giải mã năm 1953, và về sau người ta thấy tế bào sống dùng đúng nguyên lý ấy.
Câu hỏi khởi đầu: máy có đẻ ra máy được không
John von Neumann (1903–1957) là nhà toán học gốc Hungary, góp phần lớn vào cơ học lượng tử, khoa học máy tính và nhiều ngành khác. Cuối thập niên 1940, khi máy tính điện tử đầu tiên ra đời, ông đặt một câu hỏi nghe như triết học: một cỗ máy có thể tạo ra một cỗ máy khác phức tạp bằng chính nó không? Hay mọi nhà máy đều phải phức tạp hơn sản phẩm của nó?
Câu hỏi này không vô cớ. Sinh vật rõ ràng tự sinh ra sinh vật giống mình, và qua tiến hoá còn sinh ra sinh vật phức tạp hơn. Nếu máy không làm được điều đó, thì sự sống có một điều gì đặc biệt không máy nào có. Von Neumann muốn tìm câu trả lời bằng logic, không bằng cảm tính.
Từ "người máy trong hồ linh kiện" tới lưới ô
Năm 1948, tại một hội nghị ở Pasadena (Mỹ), von Neumann trình bày bài giảng về "lý thuyết tổng quát và logic của các automat". Mô hình đầu tiên ông nghĩ tới là kiểu cơ học: một người máy trôi trong một hồ chứa đầy linh kiện rời, nhặt linh kiện lên và lắp thành bản sao. Mô hình này gần với thực tế nhưng rất khó phân tích chặt chẽ: va chạm, lực, hình dạng linh kiện đều phải tính.
Đồng nghiệp của ông ở Los Alamos, nhà toán học Stanisław Ulam, gợi ý một cách đơn giản hơn: bỏ hết vật lý, chỉ giữ lại một lưới ô, mỗi ô ở một trong số ít trạng thái, thay đổi theo luật dựa trên các ô kề bên. Đó là một trong những ô tự động đầu tiên. Von Neumann chọn lưới vuông, mỗi ô nhìn bốn ô chung cạnh, và cần tới 29 trạng thái để biểu diễn đủ các loại "dây dẫn", "công tắc", "bộ nhớ" mà cỗ máy cần.
Ông mất năm 1957 khi công trình còn dở. Nhà khoa học máy tính Arthur W. Burks biên tập, hoàn chỉnh phần thiếu và in thành sách Theory of Self-Reproducing Automata năm 1966.
Bốn bộ phận của cỗ máy
| Bộ phận | Việc làm | Tương ứng trong tế bào (so sánh về sau) |
|---|---|---|
| Băng mô tả | Một dải ô mã hoá bản thiết kế của toàn bộ cỗ máy | DNA |
| Bộ dựng phổ quát | Đọc băng và dựng bất kỳ cấu trúc nào được mô tả, bằng một "cánh tay" vươn ra lưới | Ribosome cùng bộ máy dịch mã |
| Bộ chép | Chép nguyên văn băng mô tả, không cần hiểu nội dung | Bộ máy sao chép DNA |
| Bộ điều khiển | Điều phối: dựng xong thì chép băng, gắn băng vào máy con, rồi tách ra | Các cơ chế điều hoà của tế bào |
Thủ thuật tránh vòng lặp vô tận
Nghe thì đơn giản: máy đọc bản thiết kế của chính nó rồi dựng lại. Nhưng ở đây có một cái bẫy logic. Bản thiết kế phải mô tả toàn bộ cỗ máy, kể cả bản thiết kế. Mà bản thiết kế ấy lại phải chứa mô tả của bản thiết kế, và cứ thế lồng vào nhau mãi. Một bản mô tả không thể chứa trọn chính nó một cách đầy đủ.
Von Neumann giải bằng cách tách hai việc:
- Dùng băng như chỉ dẫn: bộ dựng đọc băng và dựng phần "thân máy" (bộ dựng, bộ chép, bộ điều khiển), nhưng không dựng băng.
- Dùng băng như dữ liệu: bộ chép sao nguyên văn băng, không cần hiểu, rồi gắn vào thân máy mới.
Băng không cần mô tả chính nó, vì nó được sao chép chứ không phải được dựng lại theo mô tả. Thủ thuật này về sau được nhận ra đúng là cách tế bào làm: DNA vừa được đọc (phiên mã, dịch mã) để làm protein, vừa được sao chép nguyên văn khi tế bào phân chia. Von Neumann đã suy ra cấu trúc logic này trước khi James Watson và Francis Crick công bố cấu trúc xoắn kép năm 1953, và trước khi cơ chế dịch mã được hiểu rõ.
Tiến hoá nằm ở đâu
Thiết kế có thêm một điểm sâu sắc. Vì bộ dựng là phổ quát, nó dựng được bất cứ thứ gì băng mô tả. Nếu một lỗi chép làm đổi một đoạn trên băng, cỗ máy con có thể khác cha mẹ một chút, và chính nó lại truyền thay đổi ấy cho đời sau. Thêm một đoạn mô tả cho một bộ phận mới, máy con có thể phức tạp hơn máy cha. Như vậy câu trả lời cho câu hỏi ban đầu là: có, máy có thể sinh ra máy phức tạp hơn, với điều kiện có một băng mô tả tách biệt có thể biến đổi. Đó là nền tảng logic của tiến hoá mở.
Những cỗ máy đơn giản hơn ra đời sau
Cỗ máy 29 trạng thái quá lớn để chạy được trên máy tính thời đó. Nhiều người tìm cách thu gọn:
- Edgar F. Codd năm 1968 dựng một ô tự động chỉ 8 trạng thái có khả năng tương tự. Codd sau này nổi tiếng hơn vì phát minh mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ.
- Christopher Langton năm 1984 bỏ hẳn yêu cầu "dựng phổ quát" và tạo ra một vòng lặp nhỏ tự sao chép trên lưới 8 trạng thái. Vòng lặp của Langton không dựng được thứ gì khác ngoài chính nó, nhưng nhỏ đến mức chạy được trên máy tính cá nhân và trở thành biểu tượng của lĩnh vực sự sống nhân tạo.
- Năm 1995, Umberto Pesavento cùng Renato Nobili công bố một bản cài đặt chạy được phần lớn thiết kế của von Neumann (với một ít mở rộng luật). Băng mô tả dài tới mức máy tính lúc đó không chạy trọn một vòng sao chép được; về sau, với máy mạnh hơn, các bản cài đặt đã hoàn tất được.
- Trong "Đời sống" của Conway, năm 2010 Andrew Wade dựng hình Gemini tự sao chép, dùng một băng chỉ dẫn mã hoá bằng các tàu lượn.
Từ thập niên 1950, nhà di truyền học Lionel Penrose cũng dựng những mô hình bằng khối gỗ tự "sao chép" khi lắc, để minh hoạ ý tưởng tự sao chép bằng vật thật.
Góc nhìn hôm nay: một ý tưởng đi trước thời đại
Ý tưởng của von Neumann nay xuất hiện ở nhiều nơi. Trong sinh học, nó là cách hiểu chuẩn về vai trò kép của DNA. Trong kỹ thuật, có những dự án máy in 3D tự in được một phần linh kiện của chính nó, như dự án RepRap bắt đầu năm 2005 ở Anh. Trong thiên văn, các nhà khoa học từng bàn về giả thuyết "tàu thăm dò von Neumann" tự nhân bản để đi khắp thiên hà, như một ý tưởng suy đoán.
Với người học, điều đáng mang về là cách tư duy: tách một vấn đề lớn ("sự sống là gì") thành câu hỏi logic nhỏ, chính xác ("máy có tự sao chép được không, cần tối thiểu những gì"), rồi xây một mô hình đơn giản nhất có thể để trả lời. Muốn đọc thêm, có thể tìm các bài tổng quan về ô tự động tự sao chép, các tài liệu về vòng lặp Langton, hoặc chương về DNA và dịch mã trong SGK Sinh học 12 để đối chiếu.
Câu hỏi thường gặp
Cỗ máy tự sao chép của von Neumann là gì?
Là một thiết kế lý thuyết trên ô tự động 29 trạng thái, gồm băng mô tả, bộ dựng phổ quát, bộ chép và bộ điều khiển. Nó chứng minh một cỗ máy có thể tự tạo bản sao của chính nó, kể cả bản mô tả.
Ô tự động của von Neumann có bao nhiêu trạng thái?
29 trạng thái, mỗi ô nhìn bốn ô chung cạnh. Số trạng thái lớn vì cần biểu diễn dây dẫn tín hiệu, công tắc và cơ chế dựng cấu trúc mới.
Ý tưởng của von Neumann liên quan gì đến DNA?
Ông chỉ ra rằng bản mô tả phải được dùng hai cách: đọc để dựng và chép nguyên văn cho đời sau. Tế bào dùng DNA đúng như vậy: phiên mã, dịch mã để làm protein, và sao chép khi phân chia. Von Neumann suy ra điều này trước khi cấu trúc DNA được công bố năm 1953.
Sách về cỗ máy tự sao chép của von Neumann xuất bản khi nào?
Sách Theory of Self-Reproducing Automata in năm 1966, do Arthur W. Burks biên tập và hoàn thiện sau khi von Neumann mất năm 1957.
Vòng lặp Langton là gì?
Là một cấu trúc nhỏ tự sao chép trên ô tự động 8 trạng thái do Christopher Langton đưa ra năm 1984. Nó đơn giản hơn nhiều so với thiết kế của von Neumann vì chỉ sao chép chính nó, không dựng được cấu trúc khác.
