211service.com
Oppenheim de onorthodoxe
In de herfst van 1998 was Yonina Eldar, PhD '02, een 25-jarige afgestudeerde studente in MIT's Research Lab for Electronics, en ontmoette haar adviseur, Alan Oppenheim '59, SM '61, ScD '64, voor een eerste bespreking van het onderwerp van haar proefschrift. Eldar had natuurkunde gestudeerd, maar in de tussenliggende drie jaar had ze een master in signaalverwerking behaald, was ze lid geworden van een startup die draadloze technologie commercialiseerde en was ze moeder geworden. Ik stond ver verwijderd van natuurkunde toen ik met hem kwam praten, zegt Eldar, nu hoogleraar elektrotechniek aan het Technion in Israël en gastprofessor aan Stanford.
Eldar verwachtte dat Oppenheim, die sinds het midden van de jaren zestig de Digital Signal Processing Group van MIT leidt, de praktijk van de meeste scriptieadviseurs zou volgen en haar enkele van de onopgeloste problemen in zijn vakgebied zou voorleggen voordat hij haar naar huis zou sturen om papers te lezen die haar zouden helpen op een van hen inzoomen. Maar dat is niet wat er is gebeurd.
Hij zei meteen tegen me: 'Dus ik denk dat het leuk zou zijn om kwantummechanica te gebruiken in signaalverwerking', zegt ze. En ik staarde hem een beetje aan. Nadat ik een beetje grip had, zei ik: 'Natuurlijk, dat kan interessant zijn. Wat had je in gedachten?' En hij keek me aan en zei: 'Ik heb absoluut geen idee. Waarom ga je het niet uitzoeken?'
Het is een gemeenplaats dat innovatieve ideeën vaak voortkomen uit onorthodox denken, maar weinig wetenschappers proberen onorthodoxie te cultiveren met de ijver die Oppenheim doet. Eldars ervaring is niet atypisch: Kevin Cuomo, bijvoorbeeld, afgestudeerd in 1993 aan de groep van Oppenheim, schreef een proefschrift geïnspireerd door de chaostheorie, een tak van de wiskunde die meer wordt geassocieerd met weersystemen dan met signaalverwerking; Tom Baran, een huidige afstudeerder, zoekt naar analogieën tussen signaalverwerking en thermodynamica. Andere studenten hebben implicaties gevonden voor signaalverwerking in fractale geometrie en de fysica van solitonen (golftoppen die hun vorm behouden tijdens het afleggen van lange afstanden met een vaste snelheid). Maar hoewel de proefschriften van Oppenheims studenten misschien speculatief zijn in hun oorsprong, zijn ze zeer concreet in hun resultaten: tot nu toe hebben ze geleid tot het indienen van 19 patenten, waaronder één voor Cuomo's werk en vier voor Eldar's.
De meest intuïtieve voorbeelden van signaalverwerking zijn communicatiesignalen, zoals telefoongesprekken, radio-uitzendingen of video's die via internet worden gestreamd. Verwerken kan betekenen dat u ruis uit een oproep filtert, de stem van een DJ scheidt van de elektromagnetische golf die deze codeert, of videogegevens comprimeert zodat deze minder bandbreedte in beslag nemen. Maar veel andere soorten informatie kunnen ook als signalen worden beschouwd. Het industriële gemiddelde van Dow Jones is bijvoorbeeld een signaal dat informatie bevat over de Amerikaanse economie; de Wall Street Journal Het 30-daags voortschrijdende Dow-gemiddelde is een soort signaalprocessor die een deel van de ruis van dagelijkse fluctuaties wegfiltert. Ook een digitaal beeld kan worden gezien als een signaal: de kleur en helderheid van opeenvolgende pixels zijn als de opeenvolgende frequenties van een radiotransmissie, en signaalverwerkingstechnieken kunnen een beeld verscherpen of helpen bij het identificeren van de objecten die het bevat.
De enorme verscheidenheid aan signalen en manieren om ze te verwerken, geeft Oppenheim het vertrouwen dat, ongeacht hoe ver de intellectuele verkenningen van zijn studenten hen leiden, ze uiteindelijk hun weg terug zullen vinden naar een praktisch probleem. Dus duwt hij ze om verder te gaan. Een beetje bang zijn is goed, zegt hij. Als je niet aan de rand van je comfortzone werkt, krimpt je comfortzone.
Eldar erkent dat de openheid van de vragen die Oppenheim aan zijn studenten stelt, ontmoedigend kan zijn. Maar je weet dat hij dit al een miljoen keer eerder heeft gedaan, zegt ze, dus het is eigenlijk motiverend, ook al heb je echt geen idee waar je naar op zoek bent. Baran is het daarmee eens. Het is niet zo dat iemand zich echt serieus zorgen maakt of ze een scriptie gaan krijgen of niet, zegt hij. Al heeft een verbazingwekkend vermogen om te zien hoe veel van deze ideeën met elkaar worden geïntegreerd.
De geboorte van digitale signaalverwerking
De eerste ongebruikelijke stelling die Oppenheim tot voltooiing bracht, was die van hemzelf. Tegenwoordig wordt de meeste signaalverwerking on-the-fly uitgevoerd door computerchips, maar dat was niet het geval toen Oppenheim begin jaren zestig afstudeerde. Destijds zouden elektrotechnici nieuwe signaalverwerkingsalgoritmen op computers testen, maar het kan uren of zelfs dagen duren voordat de algoritmen zijn uitgevoerd. Nadat een algoritme zich in simulaties had bewezen, moest het worden aangesloten op een analoog circuit voordat het kon worden gebruikt.
Maar de jonge Oppenheim was ervan overtuigd dat de computertechnologie zo zou verbeteren dat het gelijke tred kon houden met realtime signalen. Als ik erop terugkijk, kan ik niet beslissen of het de naïviteit was van een kind dat denkt dat als hij met zijn armen blijft klapperen, hij uiteindelijk zal vliegen, zegt Oppenheim. Maar ik twijfelde er niet aan dat de technologie het ooit mogelijk zou maken.
Voor zijn proefschrift beschreef Oppenheim een benadering van signaalverwerking die totaal onpraktisch was met analoge circuits. Na zijn afstuderen trad hij toe tot de MIT-faculteit, maar nam al snel verlof op om signaalverwerkingssimulaties te doen bij Lincoln Lab. De grote computers die deze simulaties uitvoerden, waren in feite digitale signaalprocessors; ze deden de verwerking gewoon heel langzaam, op opgeslagen gegevens in plaats van live signalen. Toen Oppenheim weer les ging geven, bood hij de eerste cursus van het Instituut aan over digitale signaalverwerking, en het volgende voorjaar begon hij, met de hulp van Ronald Schafer van Bell Labs, zijn aantekeningen te ordenen in het eerste leerboek van het veld, dat in 1975 werd gepubliceerd en is vandaag de dag nog steeds veel gebruikt.
Bij het beschrijven van de onderzoeksstijl van zijn groep is Oppenheim dol op metaforen. Weet je hoe slim een bowlingbal is? hij vraagt het graag. Een bowlingbal die op de top van een heuvel wordt geplaatst, legt hij uit, zal het pad met de laagste energie naar beneden vinden, maar om hetzelfde pad te berekenen, zou een mens een ingewikkelde reeks differentiaalvergelijkingen moeten oplossen. De natuur, meent Oppenheim, kan zeer efficiënte manieren voorstellen om gecompliceerde problemen op te lossen, en het zoeken naar de natuur voor inspiratie is een van de thema's die het diverse onderzoek van zijn groep verenigen.
Het proefschrift van Eldar is daar een voorbeeld van. Extreem kleine deeltjes - het domein van de kwantumfysica - kunnen worden beschreven door een groot aantal eigenschappen. Sommige kunnen intuïtief worden begrepen, zoals positie en energie; andere zijn meer esoterisch, zoals spin en kleurlading. Maar een van de centrale principes van de kwantumfysica - het onzekerheidsprincipe van Heisenberg - stelt dat het meten van een van die eigenschappen een van de andere onkenbaar maakt. Het verkrijgen van informatie over een eigendom vernietigt informatie over een ander.
Oppenheim en Eldar zagen een analogie in het geval van een signaal dat zo beschadigd was door ruis dat het onmogelijk is om alle informatie die het oorspronkelijk bevatte, te herstellen. De kwantumfysica gaf hen een nieuwe manier om na te denken over het uitvoeren van metingen aan het signaal, om informatie van hoge waarde te extraheren.
Een andere slogan van Oppenheim is dat één plus één drie kan zijn: dat wil zeggen dat de beste oplossing voor een probleem niet alleen contra-intuïtief is, maar schijnbaar idioot. In sommige academische omgevingen, zegt Oppenheim, zal het voorstellen van een ongebruikelijk idee onmiddellijk tot spot leiden. In zo'n sfeer doe ik het niet goed, zegt hij. Ik klap dicht, en ik verlies het vermogen om op mijn voeten te denken. Maar in andere omgevingen, zegt hij, zullen je collega's, als je er onnadenkend uit flapt dat één en één drie zijn, je helpen de propositie te begrijpen op een manier die uiteindelijk een nieuw perspectief geeft op een oud probleem. Dat is het soort omgeving, zegt Oppenheim, dat hij probeert te bevorderen in de bijeenkomsten van zijn groep.
Op de wekelijkse groepsbijeenkomsten is er geen agenda, zegt Cuomo, die na 20 jaar bij MIT Lincoln Lab nu ingenieur is bij Photonic Systems in Billerica, Massachusetts. Je gaat gewoon naar binnen, en wat er ook in iemands gedachten is, je bespreekt. Het voelt als een teamprestatie op een manier die andere onderzoeksgroepen niet doen. Voegt Baran toe, je leert heel snel dat geen enkel idee een slecht idee is.
Leraar leraar
Niet iedereen heeft de luxe om de vrijloopbenadering van Oppenheim over te nemen, merkt Jim Preisig op, een wetenschapper aan de Woods Hole Oceanographic Institution die in 1992 afstudeerde aan de groep van Oppenheim. Hij zou beurzen hebben die hem veel speelruimte zouden geven in de problemen die we precies aan het oplossen waren. zegt Preisig. En er is iemand van zijn statuur voor nodig om dat te kunnen doen. Maar voor Eldar is dat des te meer reden om bij Oppenheim te hebben gestudeerd. Als je eenmaal in je carrièrepad zit en je probeert een laboratorium te bouwen, een groep op te bouwen, kun je daar niet gewoon drie jaar zitten en zeggen: 'Hé, ik ga kijken hoe de snaartheorie hierop van toepassing is probleem', zegt ze. Dus het hebben van die jaren is, denk ik, iets heel kostbaars.
Of ze het nu weet of niet, Eldar herhaalt het advies dat Oppenheim kreeg van zijn eigen scriptieadviseur, Amar Bose '51, SM '52, ScD '56, oprichter van de Bose Corporation en meer dan 40 jaar een MIT-professor. Oppenheim zegt dat hij tijdens het schrijven van zijn proefschrift moeite had om faculteiten te interesseren voor zijn schijnbaar onpraktische benadering van signaalverwerking. Hij overwoog het project te staken. Bose had ermee ingestemd Oppenheim te adviseren vanwege hun persoonlijke verstandhouding, hoewel het onderwerp van het proefschrift enigszins buiten zijn expertisegebied lag. Hij zei: ‘Vind je het spannend? Geloof je erin?’ herinnert Oppenheim zich. Toen zei hij: 'Dit is waarschijnlijk de laatste keer in je leven dat je een vraag kunt stellen, gewoon omdat het interessant is. Als je erin gelooft, moet je het doen.'
Een ander ding dat Oppenheim zegt dat hij van Bose heeft geleerd, was te beseffen hoe ver zijn invloed als leraar kon reiken. Het mooie van lesgeven is dat je een generatie beïnvloedt, zij gaan leraar worden en beïnvloeden een generatie, enzovoort, zegt hij.
In 1988 won Oppenheim de hoogste onderwijsprijs van de IEEE, die werd uitgereikt tijdens een ceremonie voorgezeten door James Kaiser, SM '54, ScD '59, en bijgewoond door meer dan duizend mensen. Voordat hij Oppenheim introduceerde, vroeg Kaiser hoeveel leden van het publiek studenten waren in zijn onderzoeksgroep. Ongeveer een dozijn mensen stonden op. Toen vroeg Kaiser wie er was geadviseerd door een van de studenten van Oppenheim. Een grotere groep kwam overeind. Toen vroeg Kaiser aan iedereen die een van Oppenheims lessen had gevolgd om te gaan staan, daarna aan een van zijn studenten en daarna aan iedereen die Oppenheims boek had gelezen. Tegen het einde stond bijna iedereen in de kamer.