Les colonies spatiales du physicien Gerard O'Neill, comme celle visible sur ce dessin d'artiste, pourraient sans doute être construites en quelques décennies seulement grâce à des machines de von Neumann. © Rick Guidice

Sciences

Machine de von Neumann

DéfinitionClassé sous :Exploration robotique , machine de von Neumann , sonde de Von Neumann

Une machine de von Neumann est un concept. Celui-ci désigne une machine autoréplicative, c'est-à-dire qu'elle pourrait faire des copies d'elle-même. (Attention : le terme « machine de von Neumann » est parfois aussi utilisé pour décrire l'architecture de von Neumann des ordinateurs.)

Le mathématicien John von Neumann a étudié le concept de machine autoréplicative à partir de la fin des années 1940, d'abord dans le cadre d'une théorie générale des ordinateurs, puis dans celui des automates cellulaires.

Les buts étaient, semble-t-il, multiples. Von Neumann était conscient du fait que les mathématiques elles-mêmes avaient progressé en se développant à partir de problèmes posés par les sciences naturelles. Il cherchait donc à développer des ordinateurs de plus en plus puissants, jusqu'à ce qu'ils puissent rivaliser avec le cerveau humain dans le traitement de tâches complexes. Une théorie générale du fonctionnement et de la construction de tels ordinateurs devait ainsi tout à la fois s'inspirer des systèmes biologiques, en particulier du cerveau, et fournir un cadre général pour décrire aussi bien les ordinateurs et les automates artificiels que les systèmes biologiques.

Du « constructeur universel » à la machine de von Neumann

Von Neumann fut donc conduit à introduire le concept de « constructeur universel » (celui-ci ne s'appelait pas encore « machine de von Neumann »), qui n'est pas sans rappeler celui de « machine de Turing universelle » dans le domaine des ordinateurs. Les idées et les travaux de von Neumann furent exposés en 1966 dans un livre posthume, Theory of Self-Reproducing Automata, complété et annoté par le mathématicien Arthur Burks, qui avait contribué à la conception et la construction de l'Eniac (acronyme anglais de Electronic Numerical Integrator And Computer), le premier ordinateur entièrement électronique.

Remarquablement, avant la découverte de la structure de l'ADN et de son rôle dans les cellules, von Neumann était arrivé à la conclusion que tout constructeur universel, donc capable de faire des copies de lui-même, devait être composé de trois parties :

  • un code contenant toutes les instructions nécessaires au fonctionnement d'un constructeur universel ;
  • un système permettant la copie de ce code ;
  • un système permettant de construire physiquement ce constructeur universel.

On peut donc dire que le travail de von Neumann est probablement l'un des tout premiers exemples de biologie théorique couronné de succès, car il a anticipé des résultats expérimentaux qui ne seront établis que dans les années 1960.

Une présentation du concept de « sonde de von Neumann » par le physicien des supercordes Michio Kaku. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais apparaissent alors. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Big Think

Science-fiction et machine de von Neumann

C'est surtout dans le domaine de l'astronautique et dans celui de la science-fiction que le concept de machine de von Neumann a fait florès. Tout a commencé en 1970 par une conférence du célèbre physicien Freeman Dyson, avec une idée qu'il a reprise sous une variante dans son célèbre livre Disturbing the Universe.

À la base, il proposait la construction d'une machine de von Neumann à destination d'Encelade, la lune glacée de Saturne. Cette machine aurait donc fait des copies d'elle-même. Ces copies auraient ensuite rapidement construit sur place une voile photonique capable d'emmener de grandes quantités de glace d'Encelade jusqu'à Mars, où elles auraient servi à la terraformation de la Planète rouge.

Sonde de von Neumann

Une machine équivalente, que l'on pourrait appeler « sonde de von Neumann », aurait pu aussi être lancée en direction d'un système planétaire. Bien qu'initialement de petite taille (donc nécessitant peu d'énergie pour son lancement à une vitesse proche de celle de la lumière), cette sonde interstellaire, une fois sur place, aurait en quelque sorte servi d'œuf pour la naissance d'une machine de plus grande taille capable d'explorer ce système planétaire et d'envoyer des informations sur Terre.

Surtout, en 1980, une conférence, organisée par la Nasa, est arrivée à la conclusion qu'une seule machine de von Neumann pouvait suffire à la fabrication exponentielle de copies d'elle-même permettant de disposer rapidement à l'échelle humaine de suffisamment de machines pour exploiter à grande échelle les ressources minières de la Lune. Arthur Clarke a considérablement popularisé le concept avec son roman 2010 : Odyssée deux. L'idée a aussi été reprise dans la théorie du point Oméga, du mathématicien Frank Tipler, bien qu'elle soit très fumeuse par certains aspects.

Depuis, les sondes ou machines de von Neumann sont régulièrement invoquées pour expliquer comment des travaux proprement astronomiques, comme la construction d'une sphère de Dyson ou l'exploration de toutes les étoiles d'une galaxie, peuvent être menés à bien avec un nombre suffisamment important de machines de von Neumann, dont la multiplication exponentielle est naturellement explosive.