Oppenheim nieortodoksyjny

Jesienią 1998 r. dr Yonina Eldar '02 była 25-letnią absolwentką w Laboratorium Badawczym Elektroniki MIT, spotykając się ze swoim doradcą, Alanem Oppenheimem '59, SM '61, ScD '64, na wstępie omówienie jej tematu pracy doktorskiej. Eldar studiowała fizykę jako licencjat, ale w ciągu trzech lat, które minęły, zdobyła tytuł magistra w przetwarzaniu sygnału, dołączyła do startupu zajmującego się komercjalizacją technologii bezprzewodowej i została matką. Byłem bardzo daleki od fizyki, kiedy przyszedłem z nim porozmawiać, mówi Eldar, obecnie profesor elektrotechniki w Technion w Izraelu i profesor wizytujący w Stanford.

Eldar spodziewał się, że Oppenheim, który od połowy lat 60. kieruje grupą Digital Signal Processing Group w MIT, podąży za praktyką większości doradców i przedstawi jej niektóre z nierozwiązanych problemów w swojej dziedzinie, zanim odeśle ją do domu, aby przeczytała artykuły, które jej pomogłyby wyzeruj jeden z nich. Ale tak się nie stało.

Od razu powiedział do mnie: „Myślę, że fajnie byłoby wykorzystać mechanikę kwantową w przetwarzaniu sygnałów”, mówi. A ja tylko się na niego gapiłem. Po tym, jak trochę się ogarnąłem, powiedziałem: „Oczywiście, to może być interesujące. Co miałeś na myśli?”. Spojrzał na mnie i powiedział: „Nie mam pojęcia. Dlaczego nie pójdziesz się dowiedzieć?

To powszechne, że innowacyjne pomysły często wynikają z nieortodoksyjnego myślenia, ale niewielu naukowców stara się kultywować nieortodoksję z zapałem, który robi Oppenheim. Doświadczenie Eldara nie jest nietypowe: na przykład Kevin Cuomo, absolwent grupy Oppenheim z 1993 roku, napisał pracę magisterską inspirowaną teorią chaosu, gałęzią matematyki częściej kojarzoną z systemami pogodowymi niż z przetwarzaniem sygnałów; Tom Baran, obecnie doktorant, szuka analogii między przetwarzaniem sygnałów a termodynamiką. Inni studenci odkryli implikacje dla przetwarzania sygnałów w geometrii fraktalnej i fizyce solitonów (grzebień fal, które zachowują swój kształt podczas podróży na duże odległości ze stałą prędkością). Ale chociaż rozprawy studentów Oppenheim mogą być spekulatywne co do ich pochodzenia, ich wyniki są bardzo konkretne: jak dotąd doprowadziły do ​​złożenia 19 patentów, w tym jednego na pracę Cuomo i czterech na Eldara.

Najbardziej intuicyjne przykłady przetwarzania sygnału obejmują sygnały komunikacyjne, takie jak rozmowy telefoniczne, transmisje radiowe lub strumieniowe przesyłanie wideo przez Internet. Przetwarzanie może oznaczać filtrowanie szumu z połączenia, oddzielanie głosu DJ-a od fali elektromagnetycznej, która go koduje lub kompresję danych wideo, aby zajmowały mniej pasma. Ale wiele innych rodzajów informacji można również traktować jako sygnały. Na przykład średnia przemysłowa Dow Jones jest sygnałem, który niesie informacje o gospodarce USA; ten dziennik 'Wall Street 30-dniowa średnia ruchoma Dow jest rodzajem procesora sygnałowego, który odfiltrowuje część szumów związanych z codziennymi wahaniami. Obraz cyfrowy również można traktować jako sygnał: kolor i jasność kolejnych pikseli są jak kolejne częstotliwości transmisji radiowej, a techniki przetwarzania sygnału mogą wyostrzyć obraz lub pomóc w identyfikacji zawartych w nim obiektów.

Ogromna różnorodność sygnałów i sposobów ich przetwarzania daje Oppenheimowi pewność, że bez względu na to, jak daleko zaprowadzą ich intelektualne eksploracje jego uczniów, w końcu znajdą drogę z powrotem do jakiegoś praktycznego problemu. Więc popycha ich, aby oddalili się dalej. Odrobina strachu jest dobra, mówi. Jeśli nie pracujesz na skraju swojej strefy komfortu, Twoja strefa komfortu się zmniejszy.

Eldar przyznaje, że otwartość pytań, jakie Oppenheim zadaje swoim uczniom, może zniechęcać. Ale wiesz, że robił to już milion razy, mówi, więc to naprawdę motywujące, nawet jeśli naprawdę nie masz pojęcia, czego szukasz. Baran się zgadza. To nie jest tak, że ktokolwiek jest naprawdę poważnie zaniepokojony tym, czy będzie miał pracę magisterską, czy nie, mówi. Al ma niesamowitą umiejętność obserwowania, jak wiele z tych pomysłów łączy się ze sobą.

Narodziny cyfrowego przetwarzania sygnałów

Pierwsza niecodzienna teza, którą Oppenheim doprowadził do zrealizowania, była jego własna. Obecnie większość przetwarzania sygnału jest wykonywana w locie przez chipy komputerowe, ale nie było to prawdą, gdy Oppenheim był studentem na początku lat sześćdziesiątych. W tamtym czasie inżynierowie elektrycy testowali nowe algorytmy przetwarzania sygnałów na komputerach, ale wykonanie tych algorytmów może zająć godziny, a nawet dni. Gdy algorytm sprawdził się w symulacjach, musiał zostać podłączony do obwodu analogowego, zanim mógł zostać użyty.

Ale młody Oppenheim był przekonany, że technologia komputerowa poprawi się do tego stopnia, że ​​będzie mogła nadążyć za sygnałami w czasie rzeczywistym. Patrząc wstecz, nie mogę się zdecydować, czy była to naiwność dzieciaka, który myśli, że jeśli wciąż macha rękami, w końcu poleci, mówi Oppenheim. Ale nie miałem wątpliwości, że pewnego dnia technologia to umożliwi.

W swojej pracy magisterskiej Oppenheim opisał podejście do przetwarzania sygnałów, które było całkowicie niepraktyczne w przypadku obwodów analogowych. Po ukończeniu studiów dołączył do wydziału MIT, ale wkrótce wziął urlop na symulacje przetwarzania sygnałów w Lincoln Lab. Duże komputery, które przeprowadzały te symulacje, były w rzeczywistości cyfrowymi procesorami sygnałowymi; po prostu przetwarzali bardzo powoli, na przechowywanych danych, a nie na sygnałach na żywo. Kiedy Oppenheim powrócił do nauczania, zaproponował w Instytucie pierwszy kurs cyfrowego przetwarzania sygnałów, a następnej wiosny, z pomocą Ronalda Schafera z Bell Labs, zaczął organizować swoje notatki w pierwszym podręczniku tej dziedziny, który został opublikowany w 1975 roku i jest nadal powszechnie używany.

Opisując styl badawczy swojej grupy, Oppenheim lubi metaforę. Czy wiesz, jak inteligentna jest kula do kręgli? lubi pytać. Jak wyjaśnia, kula do kręgli umieszczona na szczycie wzgórza znajdzie ścieżkę o najniższej energii na dół, ale aby obliczyć tę samą ścieżkę, człowiek musiałby rozwiązać skomplikowany zestaw równań różniczkowych. Oppenheim uważa, że ​​natura może sugerować wysoce skuteczne sposoby rozwiązywania skomplikowanych problemów, a poszukiwanie inspiracji w naturze jest jednym z tematów, które jednoczą różnorodne badania prowadzone przez jego grupę.

Rozprawa Eldara jest tego przykładem. Niezwykle małe cząstki — dziedzina fizyki kwantowej — można opisać za pomocą wielu właściwości. Niektóre można zrozumieć intuicyjnie, jak pozycja i energia; inne są bardziej ezoteryczne, jak spin i ładunek koloru. Ale jedna z głównych zasad fizyki kwantowej — zasada nieoznaczoności Heisenberga — głosi, że zmierzenie jednej z tych właściwości powoduje, że jedna z pozostałych jest niepoznawalna. Zdobycie informacji o jednej właściwości niszczy informacje o innej.

Oppenheim i Eldar dostrzegli analogię w przypadku sygnału tak zniekształconego przez szum, że odzyskanie wszystkich informacji, które pierwotnie zawierał, jest niemożliwe. Fizyka kwantowa zapewniła im nowy sposób myślenia o wykonywaniu pomiarów sygnału w celu wydobycia informacji o dużej wartości.

Innym sloganem Oppenheima jest to, że jeden plus jeden może równać się trzy: to znaczy, że najlepsze rozwiązanie problemu może być nie tylko sprzeczne z intuicją, ale pozornie idiotyczne. W niektórych środowiskach akademickich, mówi Oppenheim, zaproponowanie niecodziennego pomysłu wywoła natychmiastowe drwiny. Nie radzę sobie dobrze w takiej atmosferze, mówi. Zaciskam się i tracę zdolność myślenia na nogach. Ale w innych środowiskach, mówi, jeśli bezmyślnie wyrzucisz, że jeden i jeden to trzy, twoi koledzy pomogą ci zrozumieć tę propozycję w sposób, który ostatecznie wprowadzi świeże spojrzenie na nieaktualny problem. Takie środowisko, jak mówi Oppenheim, stara się wspierać na spotkaniach swojej grupy.

Na cotygodniowych spotkaniach grupowych nie ma agendy, mówi Cuomo, który po 20 latach w MIT Lincoln Lab jest teraz inżynierem w Photonic Systems w Billerica w stanie Massachusetts. Po prostu wchodzisz i dyskutujesz o tym, co komukolwiek myśli. To wydaje się być pracą zespołową w sposób, w jaki nie robią tego inne grupy badawcze. Dodaje Baran, Bardzo szybko dowiadujesz się, że żaden pomysł nie jest złym pomysłem.

Nauczyciel nauczyciela

Nie każdy ma luksus przyjęcia swobodnego podejścia Oppenheima, zauważa Jim Preisig, naukowiec z Woods Hole Oceanographic Institution, który ukończył grupę Oppenheim w 1992 roku. Miałby stypendia, które dawały mu dużą swobodę w rozwiązywaniu problemów, które rozwiązywaliśmy. mówi Preisig. I trzeba kogoś o jego posturze, żeby to zrobić. Ale dla Eldara jest to jeszcze większy powód, by docenić studiowanie z Oppenheimem. Kiedy już wejdziesz na swoją ścieżkę kariery i próbujesz zbudować laboratorium, zbudować grupę, nie możesz po prostu siedzieć tam przez trzy lata i mówić: „Hej, zobaczę, jak teoria strun ma do tego zastosowanie problem”, mówi. Więc myślę, że te lata są czymś naprawdę cennym.

Czy wie o tym, czy nie, Eldar powtarza rady, które Oppenheim otrzymał od swojego własnego promotora, Amara Bose’a ‘51, SM ‘52, ScD ‘56, założyciela Bose Corporation i profesora MIT od ponad 40 lat. Oppenheim mówi, że kiedy pisał swoją pracę doktorską, miał kłopoty z interesującym wydziałem w swoim pozornie niepraktycznym podejściu do przetwarzania sygnałów. Rozważał porzucenie projektu. Bose zgodził się doradzać Oppenheimowi ze względu na ich osobiste relacje, chociaż temat rozprawy był nieco poza jego obszarem specjalizacji. Powiedział: „Czy jesteś tym podekscytowany? Wierzysz w to? – wspomina Oppenheim. Potem powiedział: „Prawdopodobnie jest to ostatni raz w twoim życiu, kiedy będziesz mógł zadać pytanie tylko dlatego, że jest interesujące. Jeśli w to wierzysz, powinieneś to zrobić”.

Inną rzeczą, o której Oppenheim mówi, że nauczył się od Bose, było docenienie, jak daleko mógł sięgnąć jego wpływ jako nauczyciela. Wspaniałą rzeczą w nauczaniu jest to, że wpływasz na pokolenie, oni odchodzą, stają się nauczycielami i wpływają na pokolenie i tak dalej, mówi.

W 1988 roku Oppenheim zdobył najwyższą nagrodę edukacyjną IEEE, która została wręczona podczas ceremonii pod przewodnictwem Jamesa Kaisera, SM ‘54, ScD ‘59, w której wzięło udział ponad tysiąc osób. Przed przedstawieniem Oppenheim Kaiser zapytał, ilu członków publiczności było studentami w jego grupie badawczej. Stało kilkanaście osób. Następnie Kaiser zapytał, komu doradzał jeden z uczniów Oppenheima. Większa grupa wstała. Następnie Kaiser poprosił każdego, kto uczęszczał na jedną z klas Oppenheima, aby wstał, następnie jedną z klas jego uczniów, a następnie każdego, kto przeczytał książkę Oppenheima. Pod koniec prawie wszyscy w pokoju już wstali.

ukryć