Oppenheim den uortodokse

I efteråret 1998 var Yonina Eldar, PhD '02, en 25-årig kandidatstuderende i MIT's Research Lab for Electronics, hvor hun mødtes med sin rådgiver, Alan Oppenheim '59, SM '61, ScD '64, til en indledende diskussion af hendes afhandlingsemne. Eldar havde studeret fysik som bachelor, men i de mellemliggende tre år havde hun opnået en mastergrad i signalbehandling, sluttet sig til en startup, der kommercialiseret trådløs teknologi, og blevet mor. Jeg var meget fjernt fra fysikken, da jeg kom for at tale med ham, siger Eldar, nu professor i elektroteknik ved Technion i Israel og gæsteprofessor ved Stanford.

Eldar forventede, at Oppenheim, der har ledet MIT's Digital Signal Processing Group siden midten af ​​1960'erne, ville følge de fleste afhandlingsrådgiveres praksis og præsentere hende for nogle af de uløste problemer inden for sit felt, før han sendte hende hjem for at læse papirer, der ville hjælpe hende nul ind på en af ​​dem. Men det er ikke det, der skete.

Han sagde med det samme til mig: 'Så jeg synes, det ville være rart at bruge kvantemekanik i signalbehandling,' siger hun. Og jeg stirrede bare lidt på ham. Efter at jeg havde fået fat, sagde jeg: 'Selvfølgelig, det kunne være interessant. Hvad havde du i tankerne?’ Og han kiggede på mig og sagde: ’Jeg aner absolut ikke. Hvorfor går du ikke og finder ud af det?'

Det er almindeligt, at innovative ideer ofte er et resultat af uortodoks tænkning, men få videnskabsmænd forsøger at dyrke uortodoksi med den iver, som Oppenheim gør. Eldars oplevelse er ikke atypisk: Kevin Cuomo, for eksempel, en kandidat fra Oppenheims gruppe i 1993, skrev en afhandling inspireret af kaosteori, en gren af ​​matematikken, der mere typisk forbindes med vejrsystemer end med signalbehandling; Tom Baran, en nuværende studerende, er ved at finde analogier mellem signalbehandling og termodynamik. Andre studerende har fundet implikationer for signalbehandling i fraktal geometri og solitonernes fysik (bølgetoppe, der holder deres form, mens de rejser lange afstande med en fast hastighed). Men selvom Oppenheims studerendes afhandlinger kan være spekulative i deres oprindelse, er de meget konkrete i deres resultater: Indtil videre har de ført til indgivelse af 19 patenter, herunder et for Cuomos arbejde og fire for Eldars.

De mest intuitive eksempler på signalbehandling involverer kommunikationssignaler, såsom telefonopkald, radiotransmissioner eller videoer, der streames over internettet. Behandling kan betyde filtrering af støj fra et opkald, adskillelse af en DJs stemme fra den elektromagnetiske bølge, der koder for den, eller komprimering af videodata, så den optager mindre båndbredde. Men mange andre typer information kan også opfattes som signaler. Dow Jones industrielle gennemsnit er for eksempel et signal, der bærer information om den amerikanske økonomi; det Wall Street Journal 's 30-dages glidende Dow-gennemsnit er en slags signalprocessor, der filtrerer noget af støjen fra dag-til-dag udsving fra. Et digitalt billede kunne også opfattes som et signal: Farven og lysstyrken af ​​successive pixels er som de successive frekvenser af en radiotransmission, og signalbehandlingsteknikker kan skærpe et billede eller hjælpe med at identificere de objekter, det indeholder.

Alene variationen af ​​signaler og måder at behandle dem på giver Oppenheim tillid til, at uanset hvor langt væk hans elevers intellektuelle udforskning fører dem, vil de til sidst finde tilbage til et eller andet praktisk problem. Så han skubber dem til at række længere. At være lidt bange er godt, siger han. Hvis du ikke arbejder på kanten af ​​din komfortzone, vil din komfortzone skrumpe ind.

Eldar erkender, at den åbne ende af de spørgsmål, Oppenheim stiller til sine elever, kan være nedslående. Men du ved godt, at han har gjort det en million gange før, siger hun, så det er faktisk motiverende, selvom du egentlig ikke aner, hvad du leder efter. Baran er enig. Det er ikke sådan, at nogen virkelig er alvorligt bekymrede for, om de skal have speciale eller ej, siger han. Al har en fantastisk evne til at se, hvordan mange af disse ideer bliver integreret sammen.

Fødslen af ​​digital signalbehandling

Den første offbeat-afhandling, som Oppenheim styrede til at færdiggøre, var hans egen. I dag udføres det meste af signalbehandlingen i farten af ​​computerchips, men det var ikke sandt, da Oppenheim var kandidatstuderende i begyndelsen af ​​1960'erne. På det tidspunkt testede elektriske ingeniører nye signalbehandlingsalgoritmer på computere, men algoritmerne kunne tage timer eller endda dage at udføre. Når en algoritme havde bevist sig selv i simuleringer, skulle den kobles til et analogt kredsløb, før den kunne bruges.

Men den unge Oppenheim var overbevist om, at computerteknologien ville blive bedre til det punkt, at den kunne holde trit med realtidssignaler. Når jeg ser tilbage, kan jeg ikke afgøre, om det var naiviteten hos et barn, der tror, ​​at hvis han bliver ved med at slå med armene, vil han til sidst flyve, siger Oppenheim. Men jeg var ikke i tvivl om, at teknologien en dag ville gøre det muligt.

Til sit speciale beskrev Oppenheim en tilgang til signalbehandling, som var fuldstændig upraktisk med analoge kredsløb. Efter endt uddannelse sluttede han sig til MIT-fakultetet, men han tog snart orlov for at lave signalbehandlingssimuleringer på Lincoln Lab. De store computere, der kørte disse simuleringer, var faktisk digitale signalprocessorer; de foretog bare behandlingen meget langsomt, på lagrede data i stedet for live-signaler. Da Oppenheim vendte tilbage til undervisningen, tilbød han Instituttets første kursus i digital signalbehandling, og det følgende forår begyndte han med hjælp fra Bell Labs' Ronald Schafer at organisere sine notater i feltets første lærebog, som udkom i 1975 og er stadig meget brugt i dag.

I beskrivelsen af ​​sin gruppes forskningsstil er Oppenheim glad for metafor. Ved du, hvor smart en bowlingkugle er? han kan lide at spørge. En bowlingkugle placeret på toppen af ​​en bakke, forklarer han, vil finde den laveste energivej til bunden, men for at beregne den samme sti, ville et menneske skulle løse et kompliceret sæt differentialligninger. Naturen, mener Oppenheim, kan foreslå yderst effektive måder at løse komplicerede problemer på, og at søge til naturen for at få inspiration er et af de temaer, der forener hans gruppes mangfoldige forskning.

Eldars afhandling er et eksempel på det. Ekstremt små partikler - kvantefysikkens område - kan beskrives ved en lang række egenskaber. Nogle kan forstås intuitivt, som position og energi; andre er mere esoteriske, som spin og farveladning. Men en af ​​de centrale principper i kvantefysikken - Heisenbergs usikkerhedsprincip - hævder, at måling af en af ​​disse egenskaber gør en af ​​de andre ukendelig. Indhentning af information om en ejendom ødelægger information om en anden.

Oppenheim og Eldar så en analogi i tilfælde af et signal, der var så ødelagt af støj, at det er umuligt at gendanne al den information, det oprindeligt indeholdt. Kvantefysikken gav dem en ny måde at tænke på at udføre målinger på signalet for at udtrække information af høj værdi.

Et andet af Oppenheims slogans er, at ét plus én kan være lig med tre: det vil sige, at den bedste løsning på et problem måske ikke bare er kontraintuitiv, men tilsyneladende idiotisk. I nogle akademiske miljøer, siger Oppenheim, vil det udløse øjeblikkelig hån at foreslå en uoverskuelig idé. Jeg har det ikke godt i den slags atmosfære, siger han. Jeg klatrer op, og jeg mister evnen til at tænke på mine fødder. Men i andre miljøer, siger han, hvis du uden omtanke røber ud, at en og en er tre, vil dine kolleger hjælpe dig med at forstå forslaget på en måde, der i sidste ende bringer et nyt perspektiv på et forældet problem. Det er den type miljø, siger Oppenheim, som han forsøger at fremme i sin gruppes møder.

Ved de ugentlige gruppemøder er der ingen dagsorden, siger Cuomo, som efter 20 år på MIT Lincoln Lab nu er ingeniør hos Photonic Systems i Billerica, Massachusetts. Du går bare ind, og hvad der er på sinde nogen, diskuterer du. Det føles som en teamindsats på en måde, som andre forskningsgrupper ikke gør. Tilføjer Baran, Du lærer meget hurtigt, at ingen idé er en dårlig idé.

lærerens lærer

Ikke alle har den luksus at anvende Oppenheims frihjulstilgang, bemærker Jim Preisig, en videnskabsmand ved Woods Hole Oceanographic Institution, som dimitterede fra Oppenheims gruppe i 1992. Han ville have tilskud, der gav ham et stort spillerum i præcis hvilke problemer, vi løste, siger Preisig. Og det kræver nogen af ​​hans størrelse at kunne gøre det. Men for Eldar er det så meget desto større grund til at værdsætte at have studeret hos Oppenheim. Når først du er på vej ind i din karriere, og du prøver at bygge et laboratorium, bygge en gruppe, kan du ikke bare sidde der i tre år og sige: 'Hej, jeg vil se, hvordan strengteori gælder for det her. problem, siger hun. Så at have de år, tror jeg, er noget virkelig værdifuldt.

Uanset om hun ved det eller ej, gentager Eldar det råd, som Oppenheim fik fra sin egen specialevejleder, Amar Bose '51, SM '52, ScD '56, grundlægger af Bose Corporation og en MIT-professor i mere end 40 år. Oppenheim siger, at da han skrev sin ph.d.-afhandling, havde han problemer med at interessere fakultetet i sin tilsyneladende upraktiske tilgang til signalbehandling. Han overvejede at opgive projektet. Bose havde indvilliget i at rådgive Oppenheim på grund af deres personlige forhold, selvom afhandlingens emne lå noget uden for hans ekspertiseområde. Han sagde: 'Er du begejstret for det? Tror du på det?’ husker Oppenheim. Så sagde han: 'Det er nok sidste gang i dit liv, at du kommer til at forfølge et spørgsmål, bare fordi det er interessant. Hvis du tror på det, bør du gøre det.'

En anden ting, som Oppenheim siger, at han lærte af Bose, var at forstå, hvor langt hans indflydelse som lærer kunne nå. Det vidunderlige ved at undervise er, at man påvirker en generation, de går ud og bliver lærere og påvirker en generation, og så videre, siger han.

I 1988 vandt Oppenheim IEEE's højeste uddannelsespris, som blev overrakt ved en ceremoni ledet af James Kaiser, SM '54, ScD '59, og med deltagelse af mere end tusind mennesker. Før han introducerede Oppenheim, spurgte Kaiser, hvor mange medlemmer af publikum, der havde været studerende i hans forskningsgruppe. Omkring et dusin mennesker stod. Så spurgte Kaiser, hvem der var blevet rådgivet af en af ​​Oppenheims elever. En større gruppe kom på benene. Så bad Kaiser enhver, der havde taget en af ​​Oppenheims klasser, om at stille op, derefter en af ​​hans elevers klasser, så enhver, der havde læst Oppenheims bog. Til sidst stod næsten alle i lokalet.

skjule