NP-задача – когда время, необходимое для решения проблемы, увеличивается в геометрической прогрессии (нечто в степени N, где N измеряет размер проблемы). Эти проблемы называются неразрешимыми, потому что время, необходимое для их решения, быстро выходит из-под контроля. Даже грубая мощь компьютера малоэффективна. Задачи, которые неразрешимы за полиномиальное время, но ограничены экспоненциальной степенью N, относятся к классу NP.

NP-полная – самый сложный тип NP-задач.

RISC – акроним компьютера с сокращенным набором команд. Микропроцессор, который выполняет меньше инструкций, чем традиционные микропроцессоры (называемые устройствами с полным набором команд), поэтому способный работать быстрее.

Адаптивный ландшафт – ландшафт, представляющий показатели приспособленности или стоимостные функции проблемы, будь то коммивояжеры, спиновые стекла или репродуктивная способность обезьяны.

Аксон – длинное волокно, идущее от нейрона (нервной клетки), которое передает сигнал другим нейронам.

Алгоритм – поэтапная процедура, которая может быть выполнена механически и, следовательно, реализована на машине. В информатике описывает программу, логическую последовательность операций, выполняемых программным обеспечением.

Алгоритм имитации отжига – вычислительный метод определения состояний, близких к глобальным минимумам, на (гипер)поверхности, начиная с высоких температур и постепенно охлаждая в соответствии с четко определенным рецептом. Таким образом можно избежать захвата локальных минимумов. Название происходит от процесса отжига, при котором материал сначала нагревается с последующим медленным охлаждением для повышения пластичности и прочности, позволяя атомам, составляющим металл, перейти в более низкоэнергетическую структуру.

Алгоритмическая сложность – мера сложности проблемы, определяемая размером наименьшей программы, которая ее рассчитывает, или ее полного описания. Для более простых задач требуются программы меньшего размера.

Аминокислоты – молекулярные строительные блоки белков.

Аналоговый – постоянно в движении, как ртуть внутри термометра.

Аппаратное обеспечение – физические части компьютера, состоящие из механических, электрических и электронных компонентов.

Артерия – сосуд, несущий кровь от сердца.

Атомы – строительные блоки всех молекул живых существ. В точку в конце этого предложения уместилось бы около триллиона атомов углерода или молекул воды.

Аттрактор – способ описать долгосрочное поведение системы, ее пункт назначения или конечное состояние. Равновесное и устойчивое состояния соответствуют аттракторам с неподвижной точкой, периодические состояния – аттракторам предельного цикла, а хаотические состояния – странным аттракторам.

Аттрактор предельного цикла – аттрактор, описывающий регулярное (периодическое или квазипериодическое) временное поведение, например, в химических часах, претерпевающих регулярные изменения цвета.

Байт – группа из восьми двоичных цифр.

Белок – класс крупных молекул, которые являются строительными блоками живых организмов и состоят из цепочек аминокислот, свернутых в сложные, но четко определенные трехмерные структуры. Примеры включают гормоны, ферменты и антитела.

Бит – сокращенная форма «двоичной цифры». Бит – это наименьшая единица информации в двоичной системе счисления. Значение бита обычно обозначается как 1 или 0.

Вектор – любая величина, имеющая величину и направление. Примерами являются скорость и ускорение.

Вена – кровеносный сосуд, возвращающий кровь к сердцу.

Вещественное число – любое из рациональных или иррациональных чисел.

Вирус – в биологии: участок генетического материала (ДНК или РНК), обычно завернутый в белковую оболочку, для размножения которого необходима клетка-хозяин. В компьютерах: небольшой участок кода, который при активации может скопировать себя в одну или несколько более крупных «хостовых» компьютерных программ.

Волновая функция – центральная величина в квантовой теории, которая используется для расчета вероятности возникновения события, например, испускания фотона атомом при проведении измерения.

Вычисление – расчет (обычно чисел), выполняемый с помощью алгоритма.

Вычислимое число – число, которое может быть вычислено отдельной машиной Тьюринга.

Ген – единица наследственности, включающая химическую ДНК, ответственную за передачу определенных характеристик от родителей потомству.

Генетический алгоритм – метод поиска оптимального решения проблемы, заимствующий идеи эволюции.

Генетический код – последовательность химических строительных блоков ДНК (оснований), в которой записаны инструкции по созданию аминокислот – молекулярных строительных блоков белков.

Генотип – генетическая конституция человека.

Геометрия – раздел математики, изучающий свойства пространства.

Гига – приставка, обозначающая умножение на 1 000 000 000.

Градиент концентрации – изменение концентрации вещества от одного объема к другому.

Графический процессор – чип или процессор, изначально предназначенный для ускорения отображения графики на электронном устройстве.

Детерминизм – теория, согласно которой данный набор обстоятельств неизбежно приводит к одним и тем же последствиям. С математической точки зрения, учитывая начальные условия набора уравнений, описывающих эволюцию системы во времени, ее будущее поведение будет точно известно.

Динамические системы – общий термин для систем, свойства которых меняются со временем. Динамические системы можно разделить на два типа: консервативные и диссипативные. В первом случае временная эволюция обратима, во втором – необратима.

Диссипативная структура – организованное состояние материи, когда система поддерживается вне термодинамического равновесия. Примеры включают паттерны, образованные химической реакцией Белоусова – Жаботинского.

Дифференциальные уравнения реакцией Белоусова – Жаботинского – уравнения, включающие мгновенную скорость изменения одних величин по отношению к другим, чаще всего времени и пространству. Уравнения движения Ньютона, например, представляют собой дифференциальные уравнения, связывающие силу, действующую на тело, с мгновенной скоростью изменения его скорости во времени.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, носитель наследования у большинства существ. Сложная гигантская молекула нуклеиновой кислоты несет в себе инструкции по созданию белков – основных строительных блоков жизни.

Естественный отбор – эволюционный процесс, при котором частоты генов в популяции изменяются за счет того, что некоторые особи производят больше потомков, чем другие, потому что лучше способны выживать и воспроизводиться в окружающей среде. Накопленный эффект естественного отбора заключается в создании адаптаций.

Желудочек – одна из двух камер (левой и правой) в нижней части сердца.

Жизнь – определяется по-разному, в том числе как самоподдерживающаяся химическая система, способная подвергаться дарвиновской эволюции.

Зетташкала – гипотетическая компьютерная система будущего, в тысячу раз более мощная, чем экзафлопсные машины (способные выполнять 10²¹ операций с плавающей запятой в секунду).

ИИ (искусственный интеллект) – раздел информатики, занимающийся разработкой компьютеров, обладающих атрибутами, связанными с интеллектом, такими как обучение и рассуждение. Существует много видов ИИ, например искусственные нейронные сети. Машинное обучение – термин, который часто используется как синоним ИИ.

Интегральная схема – «кремниевый чип», небольшой кусочек полупроводникового материала, изготовленный так, что содержит полную электронную схему.

Иррациональное число – число, представленное бесконечной апериодической последовательностью цифр, которую нельзя выразить в виде точной дроби. Одним из примеров является π.

Искусственная нейронная сеть – компьютерная программа или модель, вдохновленная структурой мозга и состоящая из взаимосвязанных процессоров, часто расположенных слоями. Когда сеть имеет более трех слоев, используется термин «глубокая нейронная сеть».

Квантовая механика – механика, которая управляет микроскопическим миром субатомных частиц, где изменения энергии происходят резкими крошечными квантовыми скачками.

Клетка – отдельная, связанная с мембраной часть живой материи, мельчайшая единица, способная к независимому существованию. Сорок клеток кожи человека, выстроенные в линию, в длину составят около миллиметра.

Клеточные автоматы – дискретная в пространстве и времени динамическая система, состоящая из ячеек, разделенных линиями и вершинами. На каждом временном шаге простой алгоритм контролирует, как изменяется состояние каждой ячейки или вершины, основываясь на состоянии соседних.

Компьютер – устройство, которое работает с данными (вводными) в соответствии с заданными инструкциями (программой или алгоритмом). В цифровом компьютере все значения представлены дискретными сигналами, такими как 1 и 0, а не плавно изменяющимися значениями, как в аналоговом устройстве.

Компьютерная томография (КТ) – КТ-сканер работает, посылая несколько рентгеновских лучей через тело под разными углами. Это называется томография. Детекторы фиксируют, как лучи проходят через участки тела, а данные обрабатываются компьютером в виртуальные «срезы», которые затем реконструируются в 3D-изображения.

Конденсатор – устройство для хранения электрического заряда.

Кора – от латинского слова «bark» – тонкая оболочка полушарий мозга, где происходит большая часть обработки информации. Кора головного мозга серая (отсюда и «серое вещество»), поскольку нервам в этой области не хватает изоляции, из-за которой другие части мозга кажутся белыми.

Кора головного мозга – внешний слой (серое вещество) полушарий головного мозга, последнее эволюционное дополнение нервной системы.

Линейное уравнение – взаимосвязь между двумя переменными, которая при нанесении на декартовы оси создает прямой график.

Макроскопический – уровень описания явлений, непосредственно доступных нашим органам чувств.

Математика – наука о пространственных и числовых отношениях.

Машина Тьюринга – компьютерная программа. Компьютер – это эквивалент универсальной машины Тьюринга.

Машинное обучение – основанный на выводах подход к поиску взаимосвязей между входными и выходными данными в цифровых компьютерах с помощью алгоритмического процесса, известного как «обучение», в котором корреляции выявляются и оттачиваются посредством итеративной настройки большого количества свободных параметров. Часто используется как синоним искусственного интеллекта. Прекрасным примером являются искусственные нейронные сети. Глубокое обучение – это термин, используемый для описания такого обучения в искусственных нейронных сетях, имеющих более трех слоев.

Машинный код – последовательность двоичных команд, выполняемая аппаратным обеспечением компьютера.

Мега – приставка, обозначающая умножение на миллион.

Мемристор – четвертый элемент схемы вместе с резистором, конденсатором и катушкой индуктивности. Мемристор имеет сопротивление, которое «помнит», какое значение имело при последнем включении тока.

Механика жидкости – изучение поведения жидкостей (жидкостей и газов) в состоянии покоя и движения.

Микроскопический – термин, используемый для описания крошечных измерений по сравнению с повседневными или макроскопическими измерениями мира, которые можно непосредственно воспринимать органами чувств.

Микротрубочка – крошечная трубка, присутствующая почти во всех клетках с ядром. Микротрубочки действуют как каркас, помогая определить форму клетки.

Молекулярная биология – изучение молекулярных основ жизни, включая биохимию таких молекул, как ДНК и РНК.

Морфогенез – например, эволюция формы у растений и животных.

МРТ – магнитно-резонансная томография использует магнитные поля, радиоволны и компьютер для создания изображений внутренних частей тела. В отличие от рентгена, МРТ позволяет визуализировать мягкие ткани, такие как органы и кровеносные сосуды.

Мутация – изменение генов, вызванное изменением ДНК, составляющей наследственный материал организма.

Нейромедиатор – химическое вещество, которое диффундирует через синапс и таким образом передает импульсы между нервными клетками.

Нейроморфные вычисления – отрасль вычислений, имитирующая структуры мозга и нервной системы.

Нейрон – нервная клетка, которая является основной сигнальной единицей нервной системы.

Нейронная сеть – реальная взаимосвязанная сеть нейронов мозга. Нейронные сети также могут быть электронными, оптическими или моделироваться с помощью компьютерного программного обеспечения.

Нелинейность – поведение, типичное для реального мира, означающее в качественном смысле «получение большего, чем вы рассчитывали», в отличие от линейных систем, которые не преподносят сюрпризов. Например, диссипативные нелинейные системы способны проявлять самоорганизацию и хаос.

Необратимость – односторонняя эволюция системы во времени, вызывающая стрелу времени.

Неравновесие – состояние макроскопической системы, которая не достигла термодинамического равновесия и, следовательно, все еще способна меняться со временем.

Неразрешимая – проблема, которая настолько сложна, что время, необходимое для ее решения, быстро выходит из-под контроля. Многие из наиболее сложных задач оптимизации в науке и технике, от биологии и открытия лекарств до маршрутизации и планирования, известны как NP-полные, где количество операций, которые необходимо выполнить, чтобы найти решение, растет экспоненциально с размером задачи.

Нуклеиновая кислота – «буквы» генетического кода, присутствующие во всех формах жизни на Земле. Два типа, известные как ДНК и РНК, составляют основу наследственности. Нуклеотиды ДНК состоят из основания и других химических веществ (дезоксирибозы и по крайней мере одной фосфатной группы). Основания – аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (Т). В РНК основание урацил (U) заменяет тимин.

Обратная связь – общий принцип, согласно которому результаты, полученные в ходе продолжающейся реакции, становятся факторами модификации или изменения этой реакции.

Обыкновенные дифференциальные уравнения (ОДУ) – математические выражения непрерывных изменений одной переменной, обычно одного измерения в пространстве или во времени, которые используются для построения диаграмм движения небес в виде небесной механики, скорости химических реакций в организме, роста заболеваемости, биржевых тенденций и т. д.

Оптимизация – метод поиска возможностей для наилучшего решения проблемы, выраженный самой низкой точкой этого ландшафта.

Органеллы – структуры внутри клеток, аналогичные органам тела.

Органическая химия – раздел химии, изучающий соединения углерода.

Основание – молекулярные единицы – «буквы» генетического кода, называемые нуклеотидами, – которые обеспечивают вариации в цепи ДНК или РНК, несущей информацию. ДНК имеет четыре основания – тимин, цитозин, аденин и гуанин, тогда как РНК содержит урацил вместо тимина.

Память – в информатике: пространство внутри компьютера, где информация хранится во время активной обработки.

Параллелизм – параллельная обработка достигается, когда компьютер может выполнять более одного вычисления одновременно, используя несколько разных центральных процессоров. Параллельная обработка (разделение времени) достигается на последовательных машинах за счет переключения одного ЦП между несколькими задачами.

Петашкала – префикс пета означает умножение на один квадриллион, или 1 000 000 000 000 000 (10¹⁵).

Пиксель – сокращение от «picture element» (элемент изображения), одна точка на экране компьютера.

Полимер – химическое вещество, образованное цепочечной связью многих более простых молекул.

Предсердие – одна из двух камер (левой и правой) в верхней части сердца.

Принцип неопределенности – квантово-механический принцип, который гласит, что бессмысленно говорить о положении, импульсе или других параметрах частицы, кроме как о результате измерений. Это дает теоретический предел точности, с которой можно одновременно измерить импульс и положение частицы: чем точнее определено одно, тем больше неопределенности в другом.

Проблема измерения – в квантовой механике проблема учета результатов экспериментальных измерений микроскопических систем.

Программа – алгоритм или набор инструкций, которые выполняются на компьютере.

Программное обеспечение – программы, выполняемые компьютерной системой.

Пространство поиска – изменение функции потерь лучше всего рассматривать как волнообразный ландшафт потенциальных решений, где высота каждого объекта является мерой его потери.

Равновесие – состояние временной эволюции, при котором вся способность к изменениям исчерпана. Равновесная термодинамика занимается исключительно свойствами таких статических состояний.

Рациональное число – любое число, которое можно выразить в виде точной дроби.

Реакция – в химии соединение атомов или молекул, в результате которого происходят химические изменения, перестраивающие молекулярную структуру, образуя различные вещества.

Реакция Белоусова — Жаботинского – химическая реакция, которая демонстрирует удивительное множество особенностей самоорганизации, проявляющихся в виде закономерностей в пространстве и времени.

Редукционизм – учение, согласно которому сложные явления можно объяснить с помощью чего-то более простого. В частности, атомистический редукционизм утверждает, что макроскопические явления можно объяснить с точки зрения свойств атомов и молекул.

РНК (рибонуклеиновая кислота) – генетический материал, используемый для трансляции ДНК в белки. У некоторых организмов он также может быть основным генетическим материалом.

Самоорганизация – спонтанное возникновение структурной организации на макроскопическом уровне вследствие коллективных взаимодействий между большим количеством простых, обычно микроскопических объектов.

Сердечно-сосудистая система – включает сердце, кровь и обширную сеть кровеносных сосудов. Также называется кровеносной системой.

Синапс – место соединения двух нервных клеток, по которому передается нервный импульс.

Система, основанная на базе знаний – компьютерная программа, которая использует кодировку человеческих знаний для решения проблем.

Скаляр – величина, имеющая значение, но не имеющая направления. Примеры включают массу и температуру.

Сложность – изучение поведения совокупностей единиц, которые наделены потенциалом развиваться во времени, кульминацией которого становятся новые свойства, выходящие за рамки суммы их частей.

Снизу вверх – подход к проблеме, основанный на извлечении информации непосредственно из всех ее многочисленных деталей, в отличие от подхода сверху вниз, который использует правила, модели и знания.

Статистическая механика – дисциплина, которая пытается выразить свойства макроскопических систем (скажем, температуру газа) через их атомные и молекулярные составляющие.

Стационарное состояние – неравновесное состояние, которое не меняется со временем.

Странный аттрактор – аттрактор, имеющий фрактальную (дробную) размерность: описывает хаотическую динамику в диссипативных динамических системах.

Суперкомпьютер – самый быстрый и мощный тип компьютера.

Суррогатные модели – использование машинного обучения для имитации моделирования, выполнение которого было бы слишком затратным в вычислительном отношении.

Теория чисел – абстрактное исследование структуры систем счисления и свойств натуральных чисел (целых чисел). Процесс, используемый для поиска наилучшего решения проблемы.

Терамасштаб – префикс тера обозначает один миллион миллионов (10¹²).

Термодинамика – наука о теплоте и работе.

Транзистор – твердотельный электронный компонент, изготовленный из полупроводника с тремя или более электродами, который может регулировать ток, проходящий через него. Используется в качестве усилителя, генератора или переключателя.

Ультразвук – технология диагностической визуализации, которая использует высокочастотные звуковые волны, находящиеся далеко за пределами человеческого слуха, для создания изображений внутренних органов тела.

Уравнения в частных производных (ЧДУ) – математическое выражение того, как вещи изменяются в зависимости от более чем одной переменной, таких как время и пространство, причем последнее можно описать в нескольких измерениях (часто в трех, но не всегда). ЧДУ можно найти во всех наших теориях, как больших, так и малых, таких как общая теория относительности, электромагнетизм и квантовая механика, и они отражают то, как мы понимаем тепло, диффузию, звук, электромагнетизм, гидродинамику и упругость.

Фазовый переход – изменение физического состояния материала, например, из твердого в жидкое, из жидкого в газообразное или из твердого в газообразное. В различных видах материи существует множество других, более тонких фазовых изменений.

Фенотип – признаки организма, обусловленные взаимодействием его генотипа с окружающей средой.

Фермент – биологический катализатор, обычно содержащий большую белковую молекулу, ускоряющую важные химические реакции в живых клетках.

Флопсы – количество операций в компьютере с плавающей запятой в секунду, то есть операция, в которой числа представлены числами с плавающей запятой, используемое с 1950-х гг. для аппроксимации вещественных чисел на цифровых компьютерах.

Фрактальная геометрия – от латинского fractus, что означает «сломанный». Геометрия, используемая для описания неправильных узоров. Фракталы обладают свойством самоподобия, бесконечной серией мотивов внутри мотивов, повторяющихся во всех масштабах длины.

Хаос – очевидно, случайное поведение (на самом деле существует глубокий порядок), чрезвычайно чувствительное к начальным условиям. Раздел математики, изучающий такое поведение, называется теорией хаоса.

Хромосома – длинная цепь ДНК, содержащая от сотен до тысяч генов в защитной оболочке. Во всех клетках человека, кроме яйцеклеток и сперматозоидов, их 23 пары.

Центральный процессор (ЦП) – часть компьютера, которая отвечает за фактическое выполнение инструкций.

Число Рейнольдса – число, используемое в механике жидкости, чтобы определить, будет ли поток жидкости в конкретной ситуации плавным или турбулентным.

Эволюция – от латинского evolution – «развертывание». Идея общего происхождения всех существ, от дрожжей до человека, принадлежит Чарлзу Роберту Дарвину (1809–1882) и Альфреду Расселу Уоллесу (1823–1913). Вариации могут возникнуть в результате мутаций – случайных изменений в ДНК от поколения к поколению.

Эксафлопсные машины – вычислительные системы, способные выполнять миллион миллионов миллионов (10¹⁸) операций с плавающей запятой (флопсов).

Экспрессия генов – гены, которые используются в организме, называются экспрессированными. Различные типы клеток экспрессируют разные наборы генов.

Эмерджентное свойство – глобальное свойство системы, состоящей из множества элементов. Например, сознание – это возникающее свойство многих нейронов мозга.

Энтропия – величина, определяющая способность системы необратимо развиваться во времени. Грубо говоря, мы также можем думать об энтропии как об измерении степени случайности или беспорядка в системе.

Эпигенетика – изменения в использовании генов в организме, происходящие без изменений самих генов, например, в процессе развития.

Эпилепсия – нарушение функции головного мозга, характеризующееся спорадическими рецидивами припадков, вызванных лавинным разрядом большого количества нейронов.