Generatiivne modulaarsus ja miks just loomulik innovatsioon - 1. osa

Foto autor Skye Studios saidil Unsplash
“Teadvusesse on tekkinud tähe alkeemia tuhk” - Carl Sagan

Kallutajate jaoks otsime kõik terviklikku ja terviklikku narratiivi, mis selgitaks loodust. See vajadus meie keskkonna gestalt-tõlgenduse järele on meie enda üldise intelligentsuse ajend. See on puudu tänapäeva AI-süsteemides. Kõige arenenumad AI-süsteemid (st sügav õppimine) ei suuda konstrueerida kõrgemate abstraktsioonide kihte. Seda vaatamata sellele, et see koosneb mitmest kihist, mille eesmärk on konsolideerida esitus ühest kihist teise.

Esitan siinkohal narratiivi, miks keerukas elu tekib ja miks see on sama narratiiv, miks tekib üldine tunnetus. Kavatsen proovida narratiivi, mis algab ka varase universumiga ja ehitab üles modulaarsuse põhimõtted, nagu ilmutab arenev universum. Olen seda mõtet varem arutanud teoses “Koostöö, konkurents ja modulaarsuse tekkimine”, kuid narratiivi ahvatlev veetlus algab aja algusest ja töötab edasi praegusesse iseenda teadlikku universumisse.

Siin on minu jutustus.

Meie universumi alguses oli kõik seotud ja siis ühe suure pauguga oli kõik hetkega sidumata. Esialgsed tingimused pole praegusele füüsikale teada. Seejärel arenes universum osakesteks, mis olid eristatavad (st fermioonid). Lisaks siduksid virgatsained (s.o bosonid) neid omavahel, kuid säilitaksid nende eristatavuse.

Allikas: https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier

Selles universumis oli valgus, mis avaldus footonina, elektromagnetilise jõu edastajana. Sõnumitoojaid oli teisigi, nagu gluoon, tugeva jõu käskjala. Gluonid seovad aatomite tuumas baaroneid (s.o prootonid ja neutronid). Fotonid seovad tuuma laetud leptooniga (st elektronid). Selles universumis olid jõud, mis seadsid selle kõik kokku (bosonid) ja seal oli asju, mida siduda (fermioonid). Seega on primitiivne modulaarsus alati olemas olnud. Esimene modulaarsuse põhimõte: on midagi, mis seob ja midagi, mis tuleb siduda. Sidumine loob identiteedi ja interaktsiooni.

See sidumata universum sünnitas aega. Algselt seotud universum on pärast Suurt Pauku alati ühendatud olnud. Holograafiline printsiip ja kvantne takerdumine näitavad seda seost. Just selle takerdumise kaudu tekib gravitatsiooni entroopiline jõud. Gravitatsioon annab kosmoseajale selle kumeruse ja seega muutub kuju, ilma ühtluseta, aeg vaadeldavaks. Aeg on entroopia tagajärg ja entroopia on see, kuidas meile aega teadvustatakse. Modulaarsuse teine ​​põhimõte: universum areneb kõrgema entroopia suunas.

Gravitatsioon on jõud, mis seob osakesed alati massiga (arvatakse, et mass on seotud Higgsi bosoniga). Selle jõu kaudu sünnivad tähed ja moodustuvad galaktikad. Tähed konsolideeruvad gravitatsiooni kaudu ja süttivad tugeva tuumajõu mõjul energiaga. See loob plasma, mis on katalüsaatoriks raskemate elementide loomisel. Modulaarsuse kolmas põhimõte: vedeliku omadustega sööde juhib katsetamist ja seeläbi innovatsiooni.

Lõpuks varisevad mõned piisava massiga tähed ja plahvatavad supernoovaks. See on gravitatsiooni ja tuumajõudude vahelise konkurentsi tulemus. See supernoova plahvatus sulandab veelgi täiendavaid raskemaid aatomeid ja kõik need uuemad elemendid on tähe hävimisega kosmosesse laiali. Supernoova kõrvalsaadused on perioodilise tabeli elemendid. See on see, mis moodustab planeedid ja maa, milles me elame. Kogu elu on tähtede surm. Carl Sagani sõnul oleme me "tähe asjad". Hävitamine viib loominguni. Modulaarsuse neljas põhimõte: konkureerivad jõud viivad hävitamiseni, mis viib seejärel uue liitloominguni.

Siiani olen kirjutanud ainult jõudude vahel, mis seovad omavahel. See on gravitatsioon, tugev jõud ja pool elektromagnetilisest jõust. On jõude, mis ka tõrjuvad, erinevad laengud tõrjuvad ja nõrk jõud viib aatomite radioaktiivse lagunemiseni. Võib väita, et selline universum nagu meie võib eksisteerida ilma nõrga jõuta. Samasuguste laengute tõrjumine on universumis toimuva koostoime rikkuse jaoks hädavajalik. Kõik ei seo omavahel, on olemas piirangud, mis takistavad sidumist. Raskemad elemendid on piiratud kombinatsioonidega, mis on kvantmehaanikas võimalikud. Modulaarsuse viies põhimõte: köitmine on valikuline ja juhib konteksti sobivust.

Tähtede, perioodiliste elementide tabeli liikmete, asjad loovad erinevate elementide vahel uusi interaktsiooni viise. Elementide ühendamine molekulideks on kvantmehaanika tagajärg. Perioodiline elementide tabel on üles ehitatud nii, et see kajastaks aatomi välimist valentskesta, mis mõjutab keemilisi sidemeid. Modulaarsuse kuues põhimõte: komposiitkomponendid võimaldavad rikkamat interaktsiooni ja suuremaid võimalusi.

Keemia viib keerukamate ühenditeni. Vesi, H2O on näide ühendist, millel on ilmnev omadus, mis teatud temperatuuril ilmutab end vedelikuna. Vedelikud moodustavad rekombinatsiooni hõlbustava keskkonna. Siin on loodus taasavastanud vedeliku tähtede südamikes. Vooluvus on katsetamise ja seega ka innovatsiooni alus. Vee voolavus loob tingimused keerukate ühendite vahelise kaubanduse ja interaktsiooni turule

Rasked elemendid, millel on rikkalikumad interaktsioonivõimalused, osalevad sagedamini keerukate ühendite koostisosana. Süsinik ja lõpuks räni, mõlemad rühma 6 elemendid perioodilisustabelis, omavad sisemist kohanemisvõimet, mis julgustab keerukamate ühendite konstrueerimist. Kogu orgaaniline keemia on süsiniku tagajärg. Süsinik võib moodustada teiste elementidega neli erinevat sidet, mis võimaldab rohkem interaktsioone teiste elementidega ja ise moodustada rikkama hulga ühendeid. Oma olemuselt kohanemisvõimeline kraam on lihtsalt tõenäolisuse tõttu levinum (vt: Dissipatiivne kohanemine). Modulaarsuse seitsmes põhimõte: sisemine kohanemisvõime viib utiliidini, mis viib üldlevinud olemiseni.

Orgaaniline keemia koosneb molekulidest, mis suudavad reageerida veelgi erineval viisil kui ühendid. Allpool toodud infograafikas reageerib iga funktsionaalne rühm eeldatavalt sarnaselt. Keerulisemad molekulid võivad koosneda rohkem kui ühest neist rühmadest ja seega saavad nad interakteeruda viisil, mis on nende rühmade kombinatoorne plahvatus. Loodus on orgaanilise keemia näol taas loonud uusi komponentide koostoimimise ja sidumise viise.

Krediit: https://www.compoundchem.com/2014/07/31/heterocycles/

Orgaanilise keemia rikkalik mitmekesisus ei päästa teid elusate asjade juurde. Ilmselt vajavad maakera orgaanilise elu alused aminohappeid, kõigi elusorganismide ehitusplokke. Selle kohta, kuidas orgaaniline keemia aminohapeteni viib, tuleb veel uurida. Pangem sisse hiljutine teooria, kuidas elu loodi orgaanilisest ainest. Jeremy Inglismaal on ettepanek, mida tuntakse nimetuse „Dissipative Adaptation” all. Põhimõtteliselt selgitab see, kuidas keskkonna energia seaduspärasused põhjustavad struktuuride moodustumist, mis on nende seaduspärasustega kooskõlas. Nagu Ilja Prigogine oli välja pakkunud, pole süsteem tasakaalulistest isetegemistest kaugel ja arendab korda kaosest välja. Kujuneb dünaamilisem ja rikkam mäluvorm (s.o teabe salvestamine). Modulaarsuse kaheksa põhimõtet: adaptiivkomponendid vähendavad entroopiat, õppides keskkonna seaduspärasusi.

https://www.compoundchem.com/2014/09/16/aminohapped/

Neid aminohappeid on 20, valgu keskmine pikkus on 200 aminohapet. Seega saab neid valke tõlgendada kui keelt, mille kombinatsioonid on 20² (st 1,6x10²). Universumi vanus nanosekundites on 4,34x10²⁶, seega on ilmne, et kõiki aminohapete kombinatsioone pole uuritud. Optimaalse konfiguratsiooni leidmiseks ei ole vaja otsida kogu võimaluste ruumist. Modulaarsuse üheksas põhimõte: evolutsioon nõuab ainult seda, mis on külgnevalt võimalik.

Mis aga teeb aminohapped elu loomisel nii väärtuslikuks? Selgub, et valkudel on hiljuti avastatud võime. Valgud on võimelised toimima agregeeritult nagu vedelikud. Aatomid nõudsid innovatsiooni edendamiseks suure energiatarbimisega plasma Komplekssed ühendid vajavad innovatsiooni edendamiseks vett. Valgud loovad samamoodi oma vedela keskkonna, mis on vajalik vahetuse ja seeläbi innovatsiooni edendamiseks.

Kaks muud elus leiduvat biomolekulitüüpi on lipiidid ja nukleiinhape. Rasvased lipiidid, mis moodustavad rakkude membraane. See on esimese põhimõtte laiendus. Alati on midagi, mis kapseldab ja isoleerib üksuse selle keskkonnast. Valkude (aminohapete ahelate) loomise juhised kodeeritakse nukleiinhappes DNA kujul. Evolutsioon avastab mehhanismi käskude komplekti kodeerimiseks, mis ületab iga üksiku eluvormi eluea. Moodulite kümnes põhimõte: vastupidav veakindel kodeering säilitab õppimise komponentide eluea jooksul.

Enne DNA evolutsiooni oli püsivus kättesaadavuse ja kohanemisvõime tagajärg. See tähendab, et kõikehõlmavamad olid üksused, mis olid lihtsalt vähem keerukad ja sisemiselt kohanemisvõimelised. Tugev kodeerimine kordab keerukamaid masinaid ja potentsiaalselt kohanemisvõimelisemaid masinaid. Mida keerulisem on masin, seda vähem on tõenäoline, et seda saab entroopia tõttu säilitada. Aja jooksul halvenevad osad, mille säilitamiseks on vaja energiat. Mida keerulisem süsteem, seda tõenäolisem, et masinas olev mutrivõtme abil saab kogu masin töötada. Keeruline elu on ebatõenäoline ilma DNA kodeerimiseta.

Loodus eelistab alati lihtsamaid ja jõulisemaid masinaid, kuid DNA võimaldab alternatiivset rada, mis ületab tõenäosusmehhanisme, et luua keerukas elu, mis on väga ebatõenäoline. See on tänapäeval truism, kuigi me näeme oma igapäevaelus enamasti keerulist elu ja tehnoloogiat. Mikroorganismid ületavad maakeral keerukaid eluvorme. Inimkeha sisaldab mikroorganisme, mis ületab inimese rakke 10-1 võrra. 200-naeline inimene kannab umbes 2 kuni 6 naela tema tervisele hädavajalikke baktereid.

Nii jõuame koos aminohapete, lipiidide ja DNA-ga uuele voolavuse, kapseldamise ja säilitamise mehhanismide komplektile, mis eksisteerisid eelmistes etappides. Plasmas kombineeritud aatomid kapselduvad elektromagnetiliste jõudude kaudu ja säilitavad tugeva jõu kaudu. Molekulid ühinevad vees, kapselduvad süsinikusidemete kaudu ja säilivad adaptiivse hajumise kaudu (st väliste liikumapaneva jõu abil). Igal evolutsioonilise keerukuse tasemel on interaktsiooni meedium, interaktsiooni vahendav piir ja identiteeti säilitav mehhanism. Need kolm võimekust loovad generatiivse süsteemi, mille ma nimetan generatiivseks modulaarsuseks.

Üks elu uurimise suur mõistatus on, kuidas tekkisid kõik aminohapped, DNA ja lipiidid, kui nad üksteisest sõltuvad. See on kana ja muna probleem. Selle ümmarguse õmbluse lahtiharutamise võti seisneb selles, et primitiivsem mehhanismiga samaväärne mehhanism eksisteeris juba enne ja see lõpuks vananes. Evolutsioon ei pea hoidma ümber osade, mis seda enam vajavad.

Eukarüootne rakk, kogu keeruka elu alus, on teiste prokarüootsete rakkude sümbioosi tagajärg. Raku mitokondrioonil, elektrijaamal, on oma DNA. See koostööprotsess (vt: Endosümbioos), mille käigus assimileeritakse eraldi eluvormid, millel on oma ainulaadne adaptiivne funktsionaalsus, on bioloogias levinud. Modulaarsuse üheteistkümnes põhimõte: Uue õppimise omandab keerulise käitumise sümbioos, mida õpitakse erinevates kontekstides.

See viib meid selle üldise evolutsioonimudeli juurde:

kus kõrgem modulaarsus luuakse konkurentsisurve kaudu, mis valikuliselt avastab sobivuse ja tugevdab võimalusi koostöö sümbioosi kaudu. See on narratiiv, mis on rikkam kui Darwini „looduslikus valikus” leitav konkurentsi narratiiv. Evolutsioon nõuab nii sobivuse valimist kui ka koostööd. Koostöö on tegelikult külgneva võimaliku tagajärg. Koostöö nõuab täiendavate ja sünergiliste võimete leidmist, millega siduda. Just koostöös liigub evolutsioon keerukama elu poole.

Siiani kirjeldan selles narratiivis, kuidas universum areneb suurema keerukuse suunas, kuid ma ei ole paljastanud ühtegi jõudu, mis selle universumi kõrgema keerukuse poole viiks. Selles narratiivis on puudu ja salapärane näitleja. Universum toimib alati väikseima tegutsemise põhimõttel. Mis tahes konteksti arvestades on piiritingimustele vastav looduslik (ja seega kõige tõenäolisem) lahendus vähem keeruline. Kui tõlgendame seda põhimõtet mudelite mõttes, on see siin tegelikult Occami raseerija. See on Solomonoffi sissejuhatav põhimõte, mis nõuab iga programmi jaoks väiksemat kirjeldavat pikkust ja seega vähem keerukust. Mis tingib suurema keerukuse?

Vaatame universumit enne mis tahes supernoova. See on universum, milles on ainult vesinikuaatomid. Gravitatsioon kui entroopiline jõud loob tähe, mis loob heeliumi ja kui sellel on piisav gravitatsioon, puhub üles raskemate elementide moodustamiseks. Kuidas see uus universum eksisteeris, millel varem polnud raskemaid elemente? Universumi konstruktiivsed seadused ei ütle midagi raskemate elementide võimatuse kohta, isegi kui selliseid raskeid elemente varem ei olnud. Teatud konfiguratsioonid on stabiilsed (st neutronitega prootonid) ja mõned lihtsamad mitte (st lihtsalt prootonid). Pole ühtegi seadust, mis lihtsam oleks tõenäolisem ja keerukam igas kontekstis. Pigem on alati olemas konfiguratsioonid, mis on keerukamad ja stabiilsemad kui lihtsad konfiguratsioonid. See on lihtsalt originaalse materjali tagajärg, milles olete andekas. See tähendab, et evolutsioon kulgeb sellega, mis on külgnevalt võimalik, ja selles kontekstis, mis on veelgi keerulisem, lihtsalt juhtub olema see, mis võimalik, ja mitte mingi lihtsam asi, mis on võimatu. Modulaarsuse kaheteistkümnes põhimõte: innovatsioon on kontekstuaalne, keerulisi või lihtsaid lahendusi juhib see, mis on võimalik, mitte see, mis on lihtne või optimaalne.

Ühine teema evolutsioonis on see konstruktivismi mõiste. See tähendab, et evolutsioon toimub etapiviisiliselt ja on üles ehitatud eelmistest etappidest. Iga uus etapp tuleneb eelnenud etapi võimalustest. Uue etapi võimalusteks on aga tekkivad võimed, mida varem polnud. Üllataval kombel ilmnevad modulaarsuse abstraktsed mõisted iga uue etapiga. On olemas teabe modulaarsuse mustreid, mis korduvad nagu iga uus etapp. On olemas teabe modulaarsuse mustreid, mida eelmistes etappides ei eksisteeri, kuid mis ilmnevad iga uue etapiga.

Nüüd, kui oleme jõudnud elu põhiosade juurde, räägin ma sellest, kuidas see uus enesereplitseerimise võime üldise intelligentsuse poole viib.

II osa: https://medium.com/intuitionmachine/information-modularity-leads-to-general-intelligence-65766bbfa707

Avastage sügavat õppimist: tehisintellekt: ebatõenäoline sügava õppimise revolutsioon