Vor etwas mehr als einem halben Jahrhundert begann ein berühmtes Experiment Chaos auszulösen. Es stammte nicht aus einer Petrischale, einem Becher oder einem astronomischen Observatorium, sondern aus den Vakuumröhren und Dioden eines Royal McBee LGP-30. Dieser "Schreibtisch" -Computer - er hatte die Größe eines Schreibtisches - wog etwa 800 Pfund und klang wie ein vorbeifliegendes Propellerflugzeug. Es war so laut, dass es sogar ein eigenes Büro im fünften Stock des Gebäudes 24 bekam, einem eintönigen Gebäude in der Nähe des Zentrums des Massachusetts Institute of Technology. Anweisungen für den Computer kamen aus dem Büro eines Meteorologen namens Edward Norton Lorenz.
Die Geschichte des Chaos wird normalerweise so erzählt: Mit der LGP-30 machte Lorenz paradigmenschädigende Entdeckungen. Nachdem er 1961 eine Reihe von Gleichungen in den Computer programmiert hatte, die das zukünftige Wetter simulieren würden, stellte er fest, dass winzige Unterschiede in den Startwerten zu drastisch unterschiedlichen Ergebnissen führen könnten. Diese Sensibilität für die Anfangsbedingungen, die später als Schmetterlingseffekt bekannt wurde, machte die Vorhersage der fernen Zukunft zu einem Kinderspiel. Lorenz stellte jedoch auch fest, dass diese unvorhersehbaren Ergebnisse auch nicht zufällig waren. Auf eine bestimmte Weise visualisiert, schienen sie sich um eine Form zu bewegen, die man einen seltsamen Attraktor nannte.
Ungefähr ein Jahrzehnt später setzte sich die Chaostheorie in wissenschaftlichen Kreisen durch. Die Wissenschaftler stießen bald auf andere unvorhersehbare natürliche Systeme, die zufällig aussahen, obwohl dies nicht der Fall war: die Saturnringe, die Meeresalgenblüten, das Erdmagnetfeld und die Anzahl der Lachse in einer Fischerei. Mit der Veröffentlichung von James Gleicks Chaos: Making a New Science im Jahr 1987 wurde das Chaos zum Mainstream. Kurz darauf hielt Jeff Goldblum, der als Chaostheoretiker Ian Malcolm auftrat, inne, stammelte und bezauberte seinen Weg durch die Grenzen der Unberechenbarkeit der Natur im Jurassic Park.
Alles in allem ist es eine ordentliche Erzählung. Lorenz, "der Vater des Chaos", startete eine wissenschaftliche Revolution auf der LGP-30. Es ist im wahrsten Sinne des Wortes ein Lehrbuchfall dafür, wie die numerischen Experimente, auf die sich die moderne Wissenschaft stützt - von der Klimawissenschaft über die Ökologie bis zur Astrophysik - verborgene Wahrheiten über die Natur aufdecken können.
Aber tatsächlich war Lorenz nicht derjenige, der die Maschine bediente. Es gibt eine andere Geschichte, die seit einem halben Jahrhundert nicht mehr erzählt wird. Vor anderthalb Jahren stieß ein MIT-Wissenschaftler auf einen Namen, den er noch nie zuvor gehört hatte, und begann zu untersuchen. Die Spur, der er schließlich folgte, führte ihn in die MIT-Archive, durch die Stapel der Library of Congress und durch drei Bundesstaaten und fünf Jahrzehnte, um Informationen über die Frauen zu finden, die heute als Co-Autorinnen für dieses Seminal aufgeführt worden wären Papier. Und dieses mit Quanta geteilte Material liefert eine umfassendere und gerechtere Darstellung der Entstehung des Chaos.
Die Geburt des Chaos
Im Herbst 2017 bereitete sich der Geophysiker Daniel Rothman, Co-Direktor des Lorenz Centers des MIT, auf ein bevorstehendes Symposium vor. Das Treffen würde Lorenz ehren, der im Jahr 2008 verstorben ist. Rothman hat Lorenz 'epochales Papier über das Chaos mit dem Titel „Deterministic Nonperiodic Flow“erneut aufgegriffen. Es wurde 1963 veröffentlicht und hat seitdem Tausende von Zitaten angezogen, und Rothman hat dieses grundlegende Material gelehrt Klasse für Klasse, wusste es wie ein alter Freund. Aber diesmal sah er etwas, was er vorher nicht bemerkt hatte. In den Bestätigungen der Zeitung hatte Lorenz geschrieben: "Ein besonderer Dank geht an Fräulein Ellen Fetter für die vielen numerischen Berechnungen."
"Jesus … wer ist Ellen Fetter?", Erinnert sich Rothman an die damalige Zeit. "Es ist eine der wichtigsten Veröffentlichungen in der Computerphysik und allgemein in der Computerwissenschaft", sagte er. Und doch konnte er nichts über diese Frau finden. "Von allen Bänden, die über Lorenz geschrieben wurden, die große Entdeckung - nichts."
Bei weiteren Online-Recherchen fand Rothman jedoch eine Hochzeitsanzeige aus dem Jahr 1963. Ellen Fetter hatte den Physiker John Gille geheiratet und ihren Namen geändert. Eine Kollegin von Rothman erinnerte sich dann daran, dass eine Doktorandin namens Sarah Gille in den neunziger Jahren am MIT in derselben Abteilung wie Lorenz und Rothman studiert hatte. Rothman streckte die Hand nach ihr aus, und es stellte sich heraus, dass Sarah Gille, jetzt eine physische Ozeanographin an der Universität von Kalifornien in San Diego, Ellen und Johns Tochter war. Durch diese Verbindung konnte Rothman Ellen Gille, geb. Fetter, anrufen. Und dann lernte er einen anderen Namen, den Namen der Frau, die Fetter vorausgegangen war, um Lorenz 'erste Treffen mit dem Chaos zu programmieren: Margaret Hamilton.
Als Margaret Hamilton im Sommer 1959 mit einem frisch gebackenen Mathematik-Abschluss vom Earlham College am MIT ankam, hatte Lorenz sich erst kürzlich das LGP-30 gekauft und selbst beigebracht. Hamilton hatte auch keine Vorkenntnisse im Programmieren. Andererseits tat es zu dieser Zeit auch niemand anders. "Er liebte diesen Computer", sagte Hamilton. "Und er hat mir das gleiche Gefühl gegeben."
Für Hamilton waren dies prägende Jahre. Sie erinnert sich, dass sie um drei oder vier Uhr morgens auf einer Party war, als sie feststellte, dass die LGP-30 am nächsten Morgen keine Ergebnisse liefern sollte, und mit ein paar Freunden herbeigeeilt war, um sie zu starten. Ein anderes Mal, frustriert von all den Dingen, die getan werden mussten, um nach der Behebung eines Fehlers einen weiteren Lauf durchzuführen, entwickelte sie eine Möglichkeit, den umständlichen Debug-Prozess des Computers zu umgehen. Zu Lorenz 'Freude nahm Hamilton das Klebeband, mit dem die Maschine beschickt wurde, und rollte es über die gesamte Länge des Flurs aus. Dann editierte er den Binärcode mit einem spitzen Bleistift. "Ich würde Löcher für einen stecken, und ich würde die anderen mit Klebeband verschleiern", sagte sie. "Er hat gerade einen Kick draus gemacht."
Es gab Schreibtische im Computerraum, aber wegen des Lärms teilten sich Lorenz, seine Sekretärin, sein Programmierer und seine Doktoranden das andere Büro. Es war geplant, den damals völlig neuartigen Tischcomputer zu verwenden, um konkurrierende Strategien der Wettervorhersage auf eine Weise zu testen, die man mit Bleistift und Papier nicht machen konnte.
Zunächst musste das Lorenz-Team jedoch das Äquivalent tun, um die Erdatmosphäre in einem Gefäß einzufangen. Lorenz hat die Atmosphäre in 12 Gleichungen idealisiert, die die Bewegung von Gas in einer rotierenden, geschichteten Flüssigkeit beschreiben. Dann codierte das Team sie ein.
Manchmal wiederholte sich das „Wetter“in dieser Simulation einfach wie am Schnürchen. Lorenz fand jedoch ein interessanteres und realistischeres Lösungspaket, das Wetter verursachte, das nicht regelmäßig auftrat. Das Team stellte den Computer so ein, dass langsam ein Diagramm ausgedruckt wurde, wie sich eine oder zwei Variablen - beispielsweise der Breitengrad der stärksten Westwinde - im Laufe der Zeit geändert haben. Sie versammelten sich, um dieses imaginäre Wetter zu beobachten, und platzierten sogar kleine Wetten darauf, was das Programm als nächstes tun würde.
Und dann tat es eines Tages etwas wirklich Seltsames. Diesmal hatten sie den Drucker so eingestellt, dass kein Diagramm erstellt wurde, sondern nur Zeitstempel und die Werte einiger Variablen jedes Mal gedruckt wurden. Wie Lorenz später erinnerte, hatten sie eine vorherige Wettersimulation mit denselben Startwerten wiederholt und dabei die früheren Zahlen aus dem vorherigen Ausdruck abgelesen. Aber das waren nicht die gleichen Zahlen. Der Computer verfolgte die Zahlen mit sechs Dezimalstellen, aber der Drucker hatte sie, um Platz auf der Seite zu sparen, nur auf die ersten drei Dezimalstellen gerundet.
Nach dem zweiten Durchgang holte Lorenz Kaffee. Die neuen Zahlen, die aus dem LGP-30 hervorgingen, während er weg war, sahen zunächst so aus wie die aus dem vorherigen Lauf. Immerhin hatte dieser neue Lauf an einer sehr ähnlichen Stelle begonnen. Aber die Fehler sind exponentiell gewachsen. Nach ungefähr zwei Monaten imaginären Wetters sahen die beiden Läufe nicht ähnlich aus. Dieses System war immer noch deterministisch, ohne zufällige Eingriffe zwischen einem Moment und dem nächsten. Trotzdem machte es die Empfindlichkeit des Haarauslösers gegenüber Anfangsbedingungen unvorhersehbar.
Dies bedeutete, dass in chaotischen Systemen die kleinsten Schwankungen verstärkt werden. Wettervorhersagen schlagen fehl, sobald sie irgendwann in der Zukunft eintreten, weil wir den Anfangszustand der Atmosphäre nie genau genug messen können. Oder, wie Lorenz später vorstellte, könnte sogar eine Möwe, die mit den Flügeln flattert, irgendwann einen großen Einfluss auf das Wetter haben. (1972 wurde die Möwe abgesetzt, als ein Organisator der Konferenz, der nicht zurückschauen konnte, was Lorenz einen bevorstehenden Vortrag nennen wollte, seinen eigenen Titel schrieb, der die Metapher in einen Schmetterling verwandelte.)
Viele Berichte, darunter der in Gleicks Buch, datieren die Entdeckung dieses Schmetterlingseffekts auf das Jahr 1961, gefolgt von der Veröffentlichung im Jahr 1963. Doch im November 1960 beschrieb Lorenz dies während der Fragerunde nach einem Vortrag, den er auf einer Konferenz über numerisches Wetter hielt Vorhersage in Tokio. Nach seinem Vortrag kam eine Frage eines Publikums: "Haben Sie den Ausgangszustand nur geringfügig geändert und festgestellt, wie unterschiedlich die Ergebnisse waren?"
"Tatsächlich haben wir das einmal mit der gleichen Gleichung ausprobiert, um zu sehen, was passieren könnte", sagte Lorenz. Dann fing er an, das unerwartete Ergebnis zu erklären, das er drei Jahre lang nicht veröffentlichen würde. "Er gibt einfach alles weg", sagte Rothman jetzt. Aber niemand zu der Zeit registrierte es genug, um ihn zu schöpfen.
Im Sommer 1961 wechselte Hamilton zu einem anderen Projekt, jedoch nicht, bevor sie ihre Vertretung trainierte. Zwei Jahre, nachdem Hamilton zum ersten Mal auf dem Campus war, erschien Ellen Fetter am MIT auf die gleiche Art und Weise: Sie hat gerade ihren Abschluss in Mathematik am Mount Holyoke gemacht und suchte eifrig und fähig nach einem mathematischen Job im Raum Boston lernen. Sie interviewte eine Frau, die die LGP-30 in der Abteilung für Nukleartechnik leitete und sie Hamilton empfahl, der sie anstellte.
Als Fetter in Gebäude 24 ankam, gab Lorenz ihr ein Handbuch und eine Reihe von Programmierproblemen zum Üben, und bald war sie auf dem Laufenden. "Er trug viel in seinem Kopf", sagte sie. "Er kam mit vielleicht einem gelben Blatt Papier, einem legalen Stück Papier in der Tasche, zog es heraus und sagte: 'Lass es uns versuchen.'"
Das Projekt war inzwischen fortgeschritten. Die 12 Gleichungen erzeugten unbeständiges Wetter, aber dennoch schien dieses Wetter eine enge Reihe von Möglichkeiten unter allen möglichen Zuständen zu bevorzugen und bildete einen mysteriösen Cluster, den Lorenz visualisieren wollte. Als er das schwierig fand, verengte er seinen Fokus noch weiter. Von einem Kollegen namens Barry Saltzman borgte er nur drei Gleichungen, die ein noch einfacheres nichtperiodisches System beschreiben würden, einen Becher Wasser, der von unten erwärmt und von oben gekühlt wurde.
Auch hier tuckerte die LGP-30 ins Chaos. Lorenz identifizierte drei Eigenschaften des Systems, die in etwa der Geschwindigkeit der Konvektion im idealisierten Becherglas, der Temperaturschwankung von Seite zu Seite und der Temperaturschwankung von oben nach unten entsprachen. Der Computer verfolgte diese Eigenschaften von Moment zu Moment.
Die Eigenschaften können auch als Raumpunkt dargestellt werden. Lorenz und Fetter zeichneten die Bewegung dieses Punktes. Sie fanden heraus, dass der Punkt mit der Zeit eine schmetterlingsförmige fraktale Struktur aufspüren würde, die jetzt Lorenz-Attraktor genannt wird. Die Flugbahn des Punktes - des Systems - würde niemals ihren eigenen Weg zurückverfolgen. Und nach wie vor würden sich zwei Systeme, die von zwei sehr unterschiedlichen Ausgangspunkten ausgehen, bald auf völlig unterschiedlichen Strecken befinden. Aber genau so gründlich, wo immer Sie das System gestartet haben, ging es immer noch zum Attraktor und begann, chaotische Runden darum zu drehen.
Der Attraktor und die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Anfangsbedingungen würden schließlich als Grundlagen der Chaostheorie anerkannt. Beide wurden in der wegweisenden Zeitung von 1963 veröffentlicht. Aber eine Weile haben nur Meteorologen das Ergebnis bemerkt. In der Zwischenzeit heiratete Fetter John Gille und zog mit ihm an die Florida State University und dann nach Colorado. Sie blieben mit Lorenz in Kontakt und sahen ihn bei gesellschaftlichen Veranstaltungen. Aber sie wusste nicht, wie berühmt er geworden war.
Die Vorstellung von kleinen Unterschieden, die zu drastisch unterschiedlichen Ergebnissen führten, blieb jedoch im Hinterkopf. Sie erinnerte sich an die Möwe, die mit den Flügeln schlug. "Ich hatte immer das Bild, dass das Verlassen des Bordsteins in die eine oder andere Richtung den Kurs jedes Feldes verändern könnte", sagte sie.
Flugkontrollen
Nachdem Hamilton Lorenz 'Gruppe verlassen hatte, beschritt sie einen anderen Weg und erlangte einen Bekanntheitsgrad, der dem ihres ersten Kodierungs-Mentors in nichts nachsteht oder diesen sogar übertrifft. Ab 1965 leitete sie am MIT Instrumentation Laboratory das Onboard-Flight-Software-Team für das Apollo-Projekt.
Ihr Code blieb erhalten, als es um Leben und Tod ging - selbst wenn ein falsch umgedrehter Schalter einen Alarm auslöste, der die Anzeigen des Astronauten unterbrach, als Apollo 11 sich der Mondoberfläche näherte. Mission Control musste eine schnelle Entscheidung treffen: Landen oder Abbrechen. Die Astronauten vertrauten jedoch auf die Fähigkeit der Software, Fehler zu erkennen, wichtige Aufgaben zu priorisieren und wiederherzustellen.
Hamilton, der den Begriff "Software Engineering" populär machte, führte später das Team an, das die Software für Skylab, die erste US-Raumstation, schrieb. 1976 gründete sie ihre eigene Firma in Cambridge und in den letzten Jahren wurde ihr Erbe immer wieder gefeiert. Sie gewann den Exceptional Space Act Award der NASA im Jahr 2003 und erhielt 2016 die Presidential Medal of Freedom. 2017 wurde ihr die wohl größte Ehre zuteil: eine Margaret Hamilton Lego-Minifigur.
Fetter seinerseits programmierte weiter im US-Bundesstaat Florida, nachdem er Lorenz 'Gruppe am MIT verlassen hatte. Nach ein paar Jahren gab sie ihre Arbeit auf, um ihre Kinder großzuziehen. In den 1970er Jahren belegte sie Informatikkurse an der Universität von Colorado und spielte mit der Idee, wieder in die Programmierung einzusteigen. Schließlich nahm sie stattdessen eine Stelle in der Steuervorbereitung an. In den 1980er Jahren hatte sich die Demografie der Programmierung verschoben. "Nachdem ich ein paar Bewerbungsgespräche hinter mich gebracht hatte, sagte ich, vergiss es", sagte sie. "Sie gingen mit jungen, technisch versierten Leuten."
Das Chaos kam nur durch ihre Tochter Sarah wieder in ihr Leben. Als Studentin in den 1980er Jahren in Yale nahm Sarah Gille an einem Kurs über wissenschaftliches Programmieren teil. Der Fall, den sie untersucht haben? Lorenz 'Entdeckungen auf der LGP-30. Später studierte Sarah Physikalische Ozeanographie als Doktorandin am MIT und wechselte in dieselbe übergeordnete Abteilung wie Lorenz und Rothman, die einige Jahre zuvor angekommen waren. "Eine meiner Amtskollegen in der allgemeinen Prüfung, der Eignungsprüfung für Forschung am MIT, wurde gefragt: Wie würden Sie Ihrer Mutter die Chaostheorie erklären?", Sagte sie. "Ich war froh, dass ich diese Frage nicht bekommen habe."
Der sich ändernde Wert der Berechnung
Heute gehört die Chaostheorie zum wissenschaftlichen Repertoire. In einer Studie, die erst im letzten Monat veröffentlicht wurde, gelangten die Forscher zu dem Schluss, dass Meteorologen ohne größere Verbesserungen bei der Datenerfassung oder in der Wissenschaft der Wettervorhersage nützliche Prognosen erstellen können, die sich über einen Zeitraum von mehr als 15 Tagen erstrecken. (Lorenz hatte Mitte der 1960er Jahre eine ähnliche Obergrenze von zwei Wochen für die Wettervorhersage vorgeschlagen.)
Aber die vielen Nacherzählungen von Chaos 'Geburt sagen nicht viel darüber aus, wie Hamilton und Ellen Gille die spezifischen Programme geschrieben haben, die die Signaturen des Chaos enthüllten. "Dies ist eine allzu häufige Geschichte in der Geschichte der Wissenschaft und Technologie", schrieb Jennifer Light, die Abteilungsleiterin des MIT-Programms für Wissenschaft, Technologie und Gesellschaft, in einer E-Mail an Quanta. Bis zu einem gewissen Grad können wir dieses Versäumnis der Tendenz von Geschichtenerzählern, sich auf einsame Genies zu konzentrieren, vorenthalten. Es geht aber auch auf Spannungen zurück, die bis heute ungelöst sind.
Erstens haben Codierer im Allgemeinen ihre Beiträge zur Wissenschaft von Anfang an auf ein Minimum reduziert. "Es wurde als rot angesehen", sagte Mar Hicks, ein Historiker am Illinois Institute of Technology. "Die Tatsache, dass es mit Maschinen in Verbindung gebracht wurde, gab ihm weniger Status als mehr." Aber darüber hinaus waren viele Programmierer in dieser Zeit Frauen und trugen dazu bei.
Neben Hamilton und der Frau, die in der Abteilung für Nukleartechnik des MIT gearbeitet hat, erinnert sich Ellen Gille an eine Frau auf einer LGP-30, die neben Lorenz 'Gruppe Meteorologie macht. Eine andere Frau folgte Gille, um für Lorenz zu programmieren. Eine Analyse der offiziellen US-Arbeitsstatistik zeigt, dass Frauen 1960 27 Prozent der Jobs im Bereich Computer und Mathematik innehatten.
Der Prozentsatz steckt dort seit einem halben Jahrhundert fest. Mitte der 1980er-Jahre begann der Anteil der Frauen, die einen Bachelor-Abschluss in Programmieren erworben hatten, sogar abzunehmen. Experten haben darüber gestritten, warum. Eine Idee besagt, dass frühe Personal Computer bevorzugt an Jungen und Männer vermarktet wurden. Dann, als die Kinder aufs College gingen, setzten die Einführungskurse detaillierte Kenntnisse der Computer voraus, was junge Frauen entfremdete, die nicht mit einer Maschine zu Hause aufgewachsen waren. Heutzutage beschreiben weibliche Programmierer einen sich selbst aufrechterhaltenden Zyklus, in dem weiße und asiatische männliche Manager Leute einstellen, die wie alle anderen Programmierer aussehen, die sie kennen. Auch Belästigung bleibt ein Problem.
Hamilton und Gille sprechen jedoch immer noch in leuchtenden Worten von Lorenz 'Demut und Mentoring. Bevor die späteren Chronisten sie ausließen, dankte Lorenz ihnen in der Literatur genauso wie Saltzman, der die Gleichungen lieferte, mit denen Lorenz seinen Attraktor gefunden hatte. Dies war zu der Zeit üblich. Gille erinnert sich, dass sie in all ihren wissenschaftlichen Programmierarbeiten nur ein einziges Mal von jemandem als Co-Autorin aufgenommen wurde, nachdem sie Computerarbeit zu einer Arbeit beigetragen hatte. Sie sagte, sie sei "fassungslos", weil das so ungewöhnlich sei.
Seitdem hat sich der Standard für die Gewährung von Krediten verschoben. "Wenn Sie die Stockwerke dieses Gebäudes rauf und runter gingen und meinen Kollegen die Geschichte erzählten, würde jeder von ihnen sagen, wenn das heute so wäre … wären sie Mitautor!", Sagte Rothman. "Automatisch wären sie ein Co-Autor."
Das Rechnen in der Wissenschaft ist natürlich noch unverzichtbarer geworden. Bei den jüngsten Durchbrüchen wie dem ersten Bild eines Schwarzen Lochs ging es nicht darum, welche Gleichungen das System beschreiben, sondern darum, wie Computer eingesetzt werden können, um die Daten zu verstehen.
Heutzutage verlassen viele Programmierer die Wissenschaft nicht, weil ihre Rolle nicht geschätzt wird, sondern weil das Codieren in der Industrie besser kompensiert wird, sagte Alyssa Goodman, Astronomin an der Harvard University und Expertin für Computer- und Datenwissenschaften. "In den 1960er Jahren gab es keinen Datenwissenschaftler, es gab keinen Netflix oder Google oder jemanden, der diese Leute anlockte und sie wirklich sehr schätzte", sagte sie.
