keskiviikko 22. elokuuta 2018

Luonnonfilosofiaa

Koulussa minulle opetettiin jotain antikin filosofiasta. En vain mitenkään muista, mihin oppiaineeseen se olisi liittynyt. Minun oppikouluaikanani (ja nuorille lukijoilleni pitää selventää, että se on sama kuin yläaste ja lukio) filosofiaa ei opetettu, eikä ns. katsomusainetta edes ollut. Joten sen on pakko olla ollut osa historian kurssia. Olennaista on, että antiikissa oli sellaisia tyyppejä kuin luonnonfilosofit. Se oli siis aikaa jolloin luonnontieteitä ei ollut, ja filosofit joutui hoitamaan homman.

Joten meille annettiin seuraava kuva: luonnonfilosofia oli jonkinlaista kehittymätöntä filosofiaa. Antiikin ajan jälkeen filosofia on jakaantunut erilaisiin koulukuntiin, filosofiasta on tullut rationaalinen tiede – tai tieteiden ryväs. Ja luonnontieteet puolestaan ovat omaksuneet matemaattisen formalismin. Ei siinä ole sijaa filosofoinnille.

Lopputulos on siis, että luonnonfilosofia on kadonnut maailmasta. Tai jos se ei ole kadonnut, se on joutunut etsimään itselleen piilopaikkoja Tiedossani ei nimittäin ole, että yhdessäkään oppilaitoksessa olisi luonnonfilosofian oppituolia. Silti omien havaintojeni mukaan luonnonfilosofiaa on olemassa ja sitä harjoitetaan.

Ihan jälkiä jättämättä luonnonfilosofia ei kuitenkaan kadonnut. Koska se sulki sisäänsä matematiikan ja fysiikan, näiden aineiden opiskelijat saavat edelleen tutkintonsa filosofisesta tiedekunnasta.

Joten ryhdytään etsimään näitä piilopaikkoja, missä luonnonfilosofiaa saattaa löytyä. Ensimmäiseksi tulee mieleen tieteenhistoria ja kulttuurihistoria, Siellä luonnonfilosofialla on aivan laillinen sijainti, ja tieteen harjoittajat voivat myös kommentoida luonnonfilosofiaa tarvitsematta pelätä akateemisen poliisin kostoa. Heiltä tosin puuttuu luonnonfilosofian nykyaikainen vertailutaso. Joten he joutuvat improvisoimaan.

Vaikka fysiikka on Galileon päivistä alkaen muuttunut formaaliksi, luonnonfilosofia tunkee itsensä esiin aina, kun tiede joutuu murroskohtaan ja alkaa soveltaa uusia paradigmoja. Voisin luetella tällaisia murroskohtia. 1600- luvun astronomia, ja kiihkeä kysymys maailmanjärjestyksestä. 1800- luvulla termodynamiikka, joka muuten kiihottaa mieliä edelleen. Ja sitten tulee tieteen isot murrokset: sähkökenttien teoria ja erityinen ja yleinen suhteellisuusteoria. Joita seurasi tietyssä mielessä pahin kaikista: kvanttimekaniikka. Luonnonfilosofinen debatti koskee erityisesti yhtä asiaa: mitä uusi tiede tarkoittaa. Minkälainen on pohjimmiltaan se uusi maailma, joka alkaa paljastua.

Olen keksinyt luonnonfilosofialle nimen, ainakin silloin, kun fysiikasta puhutaan. Tuo nimi on fysiikasta puhuminen. Koska siinä siirrytään fysiikan formalismeista toiselle tasolle, merkityksiin ja tulkintoihin, tuo nimi voisi olla myös metafysiikka (vaikka sillä on jo tieteenhistoriassa hieman toinen merkitys). Luulen, että useimmat luonnontieteilijät harrastavat metafysiikkaa, ja myös silloin kun mennään fysiikasta hieman syrjään, kuten kosmologiaan, genetiikkaan ja synteettiseen biologiaan. Tai aivotutkimukseen. Kysymys on aina sama: millaisessa maailmassa me oikein elämme. Tai joskus se voi esiintyä myös kritiikkinä vallitsevia paradigmoja kohtaan.

Olen aivan hiljattain kirjoittanutkin tästä aiheesta, otsikolla Miksei fysiikka edisty?

Mutta johtopäätös näyttää silti olevan, että luonnonfilosofia on ajettu tieteiden parnassolta. Siitä on tullut lievästi paheksuttua toimintaa. Mutta ehkä meillä on edelleen keskuudessamme luonnonfilosofeja, kuten Roger Penrose. Liki legendaarinen Alan Turing oli luonnonfilosofi aivan avoimesti ja häpeämättä. Idea ei ole minun, sillä luin juuri Andrew Hodgesin oivallisen, mutta myös matemaattisesti hankalan esityksen ”Turing. Luonnonfilosofi” (Otava 1997). Ja aivan totta, Turing ei tehnyt mitään eroa matematiikan, psykologian, fysiikan ja teknisten tieteiden välillä. Hänelle ne ne olivat osa kokonaisuutta – siis luontoa tai maailmaa. Turing asetti neurotieteelle ja laskentatieteelle aivan omat askelmerkit. Hän pohti jopa elämän syntyä profeetallisessa kirjoituksessaan ”The chemical basis of morphogenesis” (1952). Turingin mielestä elämä on saman kaltainen ilmiö kun matematiikka ja fysiikka, ja hän saattoi alkuun merkittävän tutkimussuunnan. Aivan edellä aikaansa, sanoin kuin hän oli laskentatieteissä.

Turingista olen myös kirjoittanut, joten ei tässä sen enempää. Mutta jotenkin toivon, että luonnonfilosofiasta (tai metafysiikasta) tulisi kunniallinen ajattelun ja tieteen suuntaus, jota ei tarvitsisi kätkeä.

keskiviikko 8. elokuuta 2018

Tekoälyn älykkyydestä

Lupasin (kirjoituksessa Älykkyys – laajempi näkökulma), että kommentoisin myös tekoälyn ”älykkyyttä”. En ole unohtanut. Tuo kirjoitus kasvoi vain niin laajaksi, että jätin tekoälyn käsittelyn suosiolla pois. Joten palaan nyt asiaan.

Tekoälyn käsitettä ja sen tutkimusta rasittaa historiallinen erehdys. Alan uranuurtajilla oli aikanaan suppea käsitys ihmisen älykkyydestä. 1950-luvulla älykkyys miellettiin jonkinlaiseksi loogiseksi päättelyksi ja sovelletuksi matematiikaksi. Tekoälyn tutkijat nimittäin olivat insinöörejä ja matemaatikkoja, eivät psykologeja, jotka olisivat ehkä tienneet asian paremmin. Ei ollutkaan mikään ihme, että älyn jäljittely tietokoneella tuntui olevan helppo tavoite. Olihan tietokoneen elektroniikka täynnä loogisia piirejä, ja ohjelmien perustoimintaa olivat loogiset operaatiot.

Mutta ei se niin mennyt. Tekoäly ei alkuunkaan saavuttanut tavoitteitaan. Vain laskemisessa ja joissain algoritmeissa (shakki, Go) se on ihmistä parempi. Tekoälyn tutkimuksesta tuli pitkä taival tuskallista ponnistelua ja katkeria pettymyksiä, ja taapertamista on jatkunut jo 70 vuotta. Ei tekoälyn tutkimus toki aivan turhaa ole ollut. Se on synnyttänyt monia hyödyllisiä sovelluksia, ja lisännyt tietoamme tietokoneiden rajoituksista ja älykkyyden luonteesta.

Toisaalta tulokset voisivat kyllä olla parempiakin. Tietokoneiden muistin koko ja laskentanopeus ovat kasvaneet tuona aikana vähintään miljoonakertaisiksi, joissain tapauksissa jopa miljardikertaisiksi, mutta vastaavaa kehitystä ei vain näy koneiden ”älyssä”. Insinöörit ja matemaatikot kyllä ymmärtävät asian. Tekoäly, eli tarkemmin sanoen monet siihen tarkoitukseen kehitetyt algoritmit, ovat laskennallisesti ”kovia”, niiden mutkikkuus kasvaa rajusti ongelman koon kasvaessa. Ja tiedetään, että laskentatehon kasvattamisella on vain vähäinen vaikutus laskennallisesti kovan algoritmin suoritusaikaan.

Tässä kohtaa on nykyisin tapana viitata kvanttitietokoneisiin, jotka ovat ”tuota pikaa” käytettävissä, ja jotka suorittaisivat vaivattomasti laskennallisesti kovia algoritmeja. En ole perehtynyt aiheeseen erityisen hyvin, mutta näyttää todella siltä, että on olemassa joukko laskentatehtäviä, jotka ratkeavat näppärästi kvanttitietokoneilla. Sitten kun niitä alkaa olla käytettävissä. Mutta ehkä laskennallisesti kovat algoritmit eivät kuitenkaan ole tekoälyn kovinta ydintä. Entä mikä sitten on? Jätämme nyt syrjään kvanttitietokoneisiin liitetyn mystiikan ja fantastiset väitteet. En aio edes ruotia niitä sen pidemmälle kuin todetakseni, että on perin inhimillistä antaa kvanttitietokoneen (jonka ominaisuuksia hyvin harva tietokoneista kirjoittava filosofi ymmärtää) ratkaista niin ikään huonosti ymmärretyt ja epäselvästi määritellyt tekoälyn vaikeat kysymykset (kuten kontekstin ymmärtäminen ja tietoisuus).

On vaikeaa – tai suorastaan mahdotonta - määritellä tekoälyn kyvykkyyttä niiden algoritmien kautta, joita älykkyyttä jäljittelevä tietokone suorittaa. Sillä emme osaa nimetä tai kuvailla sellaisia algoritmeja, jotka tuottavat älyä. Voisimmeko sitten turvautua älykkyyden laajempaan luonnehdintaan? Katsotaan, muihin se meidät johtaa.

Eräs tapa tarkastella kysymystä on bioniikka (tiede, joka pyrkii soveltamaan elävässä luonnossa tavattavia rakenteita ja periaatteita teknologiassa). Aiemmin olen todennut, että älykkyys on luonnossa sekä tavanomaista että olennaisen tärkeää. Millaisia ovat luonnollisen älyn piirteet? Eräs sellainen piirre on kilpailussa selviämisen ja muutoksiin sopeutumisen paine. Tekoälyssä ei normaalisti ole mukana tällaisia rakenteita. Pikemminkin tekoäly on ihmisen suoraviivainen apulainen. Motivaatio ja tavoitteellisuus eivät kuulu tekoälylle, vaan ne vaikuttavat siihen ihmisen välittäminä. Toinen biologisen älykkyyden piirre on kollektiivinen äly eli kyborg-älykkyys. Siinä älykäs eli tarkoituksenmukainen toiminta syntyy suhteellisten itsenäisten toimijoiden vuorovaikutuksesta. Evoluution kautta muuntuvia algoritmeja on tutkittu ja kokeiltu, ja myös kollektiivisia automaatteja on tutkittu – mutta missään tapauksessa tämä ei ole tekoälytutkimuksen valtavirtaa. Tulokset eivät ole olleet dramaattisia, eivätkä edes lupaavia.

Biologisten järjestelmien älykkyys nousee niiden autonomasta, selviytymisen tarpeesta, ja ympäristön muutoksista. Älykkyys on siten dynaamisen vuotovaikutuksen ilmentymä. Ihmisen tuottamalla tekoälyllä ei ole vastaavaa autonomisuutta eikä ympäristösuhdetta. Ne ovat ihmisen suoraviivaisia apulaisia: instrumentteja ja työkaluja. Tekoälyn kohdalla ei voida puhua laajennetusta älykkyyden käsitteestä.

Syväoppimisessa on kuitenkin ympäristösuhteen piirteitä. Siinä hyödynnettävä kokemustietokanta ja tekoälyn päätelmistä saatava karttuva palaute edustavat dynaamista toimintaympäristö. Sen sijaan orientaatio ja motivaatio perustuvat edelleen järjestelmää ohjaavan ihmisen valintoihin. Syväoppiva tietokone on myös kovin yksin. Tarvitsisiko se avukseen vastaavien järjestelmien kollektiivin? Minusta tuntuu, että syväoppimisessa on mukana ainakin ripaus laajennettua älykkyyttä.

maanantai 6. elokuuta 2018

Älykkyys – laajempi näkökulma

Älköön tiede enää olko riippuvainen yhden ainoan ihmisen vapisevassa kädessä lepattaen palavasta soihdusta, olipa hän kuka tahansa.
Francis Bacon (Prometheus- vala, ote)

Olen aiemmin kirjoittanut älykkyydestä sen tavanomaisessa merkityksessä (Äly ja superäly). Tällainen näkökulma on kovin ihmiskeskeinen, ja vaikka itse siitä kirjoitinkin, jäin tyytymättömäksi. Minusta ihmiskeskeinen näkökulma rajoittaa älykkyyden ymmärtämistä. Syvempi ymmärtäminen on tarpeellista monesta syystä. Sillä vaikka älykkyys on ongelmallinen käsite, se on kuitenkin hyödyllinen. Erityisesti laajennettu älykkyyden käsite auttaa ymmärtämään paremmin ihmisten ja ihmisyhteisöjen käyttäytymistä. Mutta se selittää myös meitä ympäröivää luontoa. Ja antaa vastauksia tekoälyä koskeviin kysymyksiin. Tämä ei varmaankaan ole ollenkaan ilmeistä. Asia selviää vain tutkimalla sitä lähemmin.

Älykkyys erityisenä asiana näyttää alun perin juontuvan vanhoilta ajoilta ja ihmisen ajattelun pohtimisesta. Antiikin kreikkalaiset tunnistivat useita erilaisia älyn lajeja. He erottivat toisistaan viisauden, nokkeluuden, ja oveluuden. Jo muinoin virinnyt logiikan tutkimus oli ehkä yritys systematisoida älyä. Oman aikamme psykologia tarttui uudella otteella älykkyyteen, tarkoituksena tehdä siitä ihmisten kontrolloinnin väline. Määriteltiin erityisiä älykkyystestejä, joiden avulla ihmisiä voitaisiin jaotella luokkiin ja ryhmiin. Ihmisen olemus, siis ”hyödyllinen” olemus haluttiin tiivistää yhteen numeroarvoon. Älykkyydelle koetettiin määritellä myös sen osatekijöitä, faktoreita. Toisaalta eräänlainen kaiken kattava älykkyyden kuvaaja, yleistekijä, g-faktori on kuitenkin tullut jonkinlaiseksi älyn tutkijoiden viisasten kiveksi. Älyä yleisesti luonnehtivalle ominaisuudelle on keksitty myös tieteelliseltä kalskahtava nimi: kognitiivinen kapasiteetti.

Tämänhän me jo oikeastaan tiedämme, mutta siinä ei vielä ole kaikki. Perinteiseen älykkyyden käsitteeseen liittyy sen pimeä puoli. Sillä on ollut vahva kytkentä eugeniikkaan ja rasismiin Älystä tehtiin ”tieteellisesti neutraali” ihmisarvon mitta. Älykkyyden ympärillä tuntuu yhä leijuvan polttouunien käryä. Joten onko järkeä laajentaa älykkyyden käsitettä, johtaako se johonkin vielä pahempaan? Huolestuneelle lukijalle vastaan heti: ei minusta. Ja teen pienen juonipaljastuksen: perinteinen äly on suuresti yliarvostettua.

Kauan sitten luin jostakin älykkyydelle seuraavanlaisen määritelmän: se tarkoittaa kykyä toimia tarkoituksenmukaisesti uudenlaisessa tilanteessa. Tämä on hyvä luonnehdinta. Se tuo esille älykkyyden positiivisen puolen, liittää sen toimintaympäristön muutoksiin, ja jättää muutenkin tilaa ajatuksille. Älyyn liittyy muutoksen ja selviytymisen vivahteita. Entä kenen kannalta älykäs toiminta on hyödyllistä: yksilön, yhteisön vai lajin? Vai onko hyöty jotain vielä laajempaa?

Älykkyys koetaan perinteisesti yksilön ominaisuutena, mutta onko siinä mitään yksilön omaa? Oikeastaan äly toimii lajin ja ympäristön määrittämässä lokerossa. Vanha kysymys yksilön ja yhteisön suhteesta saa uuden merkityksen. Kyseessä ei ole vastakkainasettelu, vaan dynaaminen suhde. Tarkkaan ottaen yhteisöllä ei ole mitään omaa kapasiteettia, vaan jokainen yksilö tekee ratkaisut ja toiminnat lajin evoluution tuottamien resurssien varassa. Ja huomaamattaan kantaen vastuuta lajin tulevaisuudesta. Sillä tietenkin tuo yksilö näkee ja ymmärtää vain oman suppean maailmansa ja suorittaa vain ne rajatut asiat, joihin se kykenee.

Tätä asiaa havainnollistavat erinomaisesti yhteiskunnissa elävät hyönteiset. Yhden muurahaisen kognitiivinen kapasiteetti on kovin pieni. Lisäksi sen hermostossa on suuri joukko automaattisia toiminnallisia malleja, nekin yksinkertaisia. Mutta yhdessä toimivien muurahaisten yhteiskunta toimii ikään kuin se olisi hyvin älykäs, ja lisäksi tavattoman joustava mukautumaan erilaisiin olosuhteisiin ja tilanteisiin. Tiede ei tarkkaan ottaen osaa mallittaa tällaista toiminnallisuutta. Kollektiivinen äly, kyborg-älykkyys on pitkään ollut sekä tieteiskirjailijoiden että tutkijoiden mielenkiinnon kohteena, mutta ongelma on todella vaikea. Asia kiinnostaa toki myös insinöörejä. 1980- luvulla neuvostoliittolainen kollega kertoi minulle, että Leningradin teknillisessä korkeakoulussa (LETI) tutkittiin kollektiivisia automaatteja. Puolalainen tieteiskirjailija Stanislaw Lem vieraili laitoksessa, ja tuloksena syntyi kirja Voittamaton.

Kyborg- älykkyys on aivan yhtä olennaista myös hyönteisissä, jotka eivät elä tiukasti organisoiduissa yhteiskunnissa. Se on vain vähemmä silmiinpistävää. Kyborg- äly on monien eliöiden ja myös ihmisten tärkeä ominaisuus. Kulttuurissamme, esimerkiksi tieteessä ja tekniikassa huomio kiinnitetään yksilösuorituksiin, vaikka nämä toiminnan muodot ovat mitä suurimmassa määrin yhteisöllisiä: ne lepäävät ja kehittyvät lukemattomien sukupolvien ja toimijoiden luoman henkisen perinnön varassa. Yhteisöllisesti tuotetun älyn näkökulma ei ole täysin uusi, mutta se on edelleen heikosti tiedostettu. Jo brittiläinen taloustieteilijä David Hume (1711 - 1776) kummasteli, kuinka yksinkertainen työmies (”stupid mechanic”) pystyi luomaan aikansa merkittävimmän esineen, linjalaivan.

Tietenkään kaikki eliöt eivät luon tiedettä ja tekniikkaa. Älyllisessä kapasiteetissa on evoluution myötä syntyneitä eroja. Ihmiskunnan poikkeuksellinen kyvykkyys edellytti symbolisen viestinnän tasoa – se loi mahdollisuuden suurien järjestäytyneiden yhteiskuntien muodostamiseen. Tarvittiin siis tälle tasolle yltävä älykkyyden minimimäärä. Teollisen teknologian ja luonnontieteen kehittyminen edellyttää puolestaan kieltäkin vaativampaa matemaattisen kyvykkyyden tasoa, koska sen varassa voidaan viestiä tekniikasta ja tieteestä kollektiivisesti. Ns. nerot eivät ole olennaisia, pikemminkin riittävän erilaiset yksilöt.

Jos palataan aivan erilaiselle tasolle (en mielelläni sano ”matalammalle”), voisimme pohtia kasvien älykkyyttä. Ja tosiaan, kasvit OVAT älykkäitä. Mutta niiden aikaskaala on niin erilainen, että emme lainkaan huomaa sitä. Kasvit reagoivat tavattoman hitaasti, ne ovat kiinnittyneet paikalleen, ja niiden liikkeet ovat liian verkkaisia. Mutta kasvipopulaatioina ne reagoivat ja mukautuvat muutoksiin, ja lajeina myös muuntuvat.

Nyt olemme päässeet suorastaan perustasolle, perimän ja DNA:n tasolla. Ja siellä voimme erottaa vielä hitaamman älykkyyden lajin, joka kehittyy evoluution kautta. Tässä on syytä palata muurahaisten yhteiskuntaan. Kollektiivinen älykkyys auttaa muurahaisyhteisöä toimimaan tehokkaasti ja mukautumaan muuttuviin olosuhteisiin. Sen sijaan muurahaisten peruskyvyt ja toimintarutiinit eivät ole kollektiivisen älyn kontrollissa. Ne muuttuvat tavattoman hitaasti evoluutiomekanismin kautta, missä muutokset koodautuvat suhteellisen pysyvästi DNA:han.

Ehkä nyt alamme erottaa älykkyyden perimmäisen mekanismin. Luonto on älykäs järjestelmä.

Laajennetaan edelleen näkökulmaa. Olemme nähneet älykkyyden dynaamisen voiman populaatioiden ja lajien tasolla. Mutta aivan samoin kun alussa sanoin, että älykkyys ei ole pelkästään yksilön ominaisuus, voimme sanoa, ettei se ole myöskään pelkästään lajin ominaisuus. Laji on toki eräs biologinen systeemi, jonka puitteissa sen yksilöiden äly vaikuttaa. Mutta luonto on jotain muuta, se on kaikkien lajien kokonaisuus. Nyt joudumme sellaiselle biologisen systeemiteorian alueelle, joka on merkittävästi mutkikkaampi ja monisyisempi kuin keskenään samankaltaisten toimijoiden muodostama kollektiivinen automaatti. En lainkaan ihmettele, ettei tiede ole vielä juurikaan tuottanut tällaisen heterogeenisten toimijoiden kollektiivisen automaatin teoriaa. Siinä vasta vaikeusastetta riittää.

Älykkyyden laajempi tarkastelu tuotti niin huimia visioita, että en edes yritä muodostaa kokoavaa loppulausetta.

perjantai 3. elokuuta 2018

Ilmapumppu

Taivaalla näemme useita tähtikuvioita. Tai ainakin kuvittelemme näkevämme, sillä olemme oppineet näkemään ne, tähtikuviot ovat ikivanhaa kulttuuriperinnettä. On toki niin selviä tähtikuvioita, että lähes kaikki kansat tunnistavat ne samalla tavalla. Kukapa ei ilahtuisi tunnistaessaan talviselta taivaalta Otavan. Antiikin ajoista siitä on käytetty myös nimeä Ursa Major eli Iso Karhu. Tai kuinka hauskaa on kääntää päänsä aivan takakenoon ja löytää korkealta ylhäältä Kassiopeian siksak-kuvio. Ja kuinka suuri ja mahtava onkaan Orion, kunhan näkyvissä on riittävän laaja alue taivasta.

Ehkä vähättelin hieman tähtikuvioita. Muistan, kuinka hurja elämys oli nähdä tähtitaivas ensimmäistä kertaa Kreikassa, harvaan asutulla seudulla ja kuuttomana yönä. Aivan toista kuin pohjolassa. Huikea kosminen näky: kirkas Linnunrata ja aivan uskomaton määrä kimaltavia tähtiä yön mustaa samettia vasten. Ehkä tällainen taivas saa katsojan etsimään taivaalta mytologisia hahmoja ja herättää intohimon tieteeseen. Useimmat tähtikuviot nimettiin jo antiikin aikana ja viimeistään Klaudios Ptolemaioksen toimesta. On kuitenkin aivan luonnollista, että 1700- luvulta alkaen kukoistanut valistus saattoi matkaan uuden innon nimetä tähtikuvioita. Tässä kunnostautui erityisesti uuttera ranskalainen astronomi Nicolas-Louis de Lacaille. Hän nimesi nyt tähtikuvioita luonnontieteen tutkimuslaitteiden mukaan. Taivaalta löytyy Kaukoputki, Mikroskooppi, Kompassi, Sekstantti, Oktantti, Kulmaviivain, Harppi, Heilurikello, Köli, Purje ja Sulatusuuni. Surukseni Johann Boden nimeämä Kirjapaino ei ole vakiintunut tähtikuviona.

Eteläisellä pallonpuoliskolla näkyy himmeä tähdistö, Lacaillen nimeämä Ilmapumppu. Miksi se on päässyt tähän arvokkaaseen seuraan? Asia ei ole välttämättä yleisesti tunnettu, mutta ilmapumppu on ollut suunnattoman tärkeä laite sekä tieteessä että tekniikassa. Tämä vaatii varmaankin perusteluja.

Jo antiikissa osattiin valmistaa mittatarkkoja pronssisylinterejä. Niillä oli käyttöä muun muassa laivojen pilssipumppuina. Mäntäpumppu oli myös myyttisen ”kreikkalaisen tulen” tekninen sydän. Ktesibios (285 - 222 eaa) sai idean kokeilla sylinteriä ja mäntää katapultin jousena. Hän rakennutti suuren katapultin, joka viritettiin moukaroimalla tiivis mäntä niin syvälle sylinteriin kuin mahdollista. Kun katapultti laukaistiin, katsojat kertoivat kuullensa ukkosen jyrähdyksen ja nähneensä tulen leimahduksen ja savupilven. Voin melkein uskoa tähän. Puristetun ilman nopea laajeneminen saa lämpötilan alentumaan voimakkaasti, jolloin ilman kosteus tiivistyy höyryksi. Ymmärrettävästi tällainen katapultti ei yleistynyt, se oli hankala käyttää ja altis vuodoille.

Ilmapumppu voi synnyttää myös tyhjiön. Aristoteleen filosofian mukaan tyhjiötä ei voi olla. Luonto kammoaa tyhjiötä, ja sen takia esimerkiksi vedenpinta nousee imupumpussa. Tyhjiö kiehtoi tutkijoita. Ajateltiin, että sen avulla voi tuottaa suuria voimia. Ilmapumppu oli keskeinen väline tyhjiön tutkimisessa. 1600- luvulla Evangelista Torricelli osoitti, että tyhjiön kammoon liittyvät ilmiöt johtuivatkin ilmanpaineesta. Vuonna 1650 saksalainen fyysikko Otto von Guericke demonstroi ilmanpaineen vaikutusta julkisesti. Koulukirjoista saatamme muistaa Magdeburgin puolipallot: tyhjäksi ilmasta pumpatut pallonkuoret, joita 16 hevosta yritti turhaan vetää erilleen.

Kaikesta huolimatta tyhjiön kammon idea sinnitteli ihmisten ajatuksissa vielä pari sataa vuotta. Samalla ilmapumppu alkoi muuttua voimakoneeksi. 1600- luvulla Christiaan Huygens kehitteli ruutimoottoria. Siinä tyhjiö tuotettiin polttamalla ruutipanos sylinterissä ja sulkemalla se sitten nopeasti. Laite oli ymmärrettävistä syistä epäkäytännöllinen. Ensimmäiset höyrykoneetkin perustuivat tähän ideaan. Newcomen koneessa tyhjiö synnytettiin ruiskuttamalla vettä höyryn täyttämään sylinteriin. James Wattin höyrykoneessa tyhjiö tuotettiin päästämällä höyry sylinteristä ulkoiseen lauhduttimeen. Vasta vähitellen Watt uskalsi hyödyntää myös ylipainetta.

Ilmapumppu auttoi kehittämään myös termodynamiikkaa. Se vaikutti ratkaisevasti lämpövoimakoneiden keksimiseen, mutta se vaikutti myös kineettisen kaasuteorian syntyyn. Kun ilmaa puristetaan sylinterissä, se kuumenee. Mistä se voisi johtua? Eihän lämpöä voi tyhjästä syntyä! Pian ymmärrettiin, että lämpenemisen tuottaa ulkoa tuotu mekaaninen voima. Ja että lämpö onkin ilman muodostavien pienten hiukkasten, molekyylien liikettä.

Yksinkertainen mekaaninen laite johti loputa modernin fysiikan juurille. Mutta ei mikä tahansa laite, sillä ilmapumppu pitää valmistaa suurella tarkkuudella, jotta se tuottaisi hyödyllisiä ilmiöitä. Tämä näyttää pätevän tieteeseen yleisemminkin. Ideat ja mielikuvitus eivät sinänsä ole riittäviä, niihin pitää yhdistää runsaasti tarkkaa ja huolellista työtä.