Генерална модулност и защо естествените иновации - част 1

Снимка на Skye Studios в Unsplash
„Пепелта на звездната алхимия се появи в съзнанието“ - Карл Сагън

За тези, които са склонни, всички търсим цялостен и пълен разказ, който обяснява природата. Тази необходимост от гещалт интерпретация на нашата среда е двигателят на нашата собствена обща интелигентност. Това е липсващата връзка в днешните AI системи. Най-напредналите AI системи (т.е. Deep Learning) не могат да конструират слоеве от по-високи абстракции. Това е въпреки, че е изградено от множество слоеве, които са предназначени за консолидиране на представянето от един слой в друг.

Тук излагам разказ защо възниква сложен живот и защо той е същият разказ, защо възниква общото познание. Ще опитам разказ, който започва също с ранната Вселена и изгражда принципите на модулността, разкрити от развиващата се вселена. По-рано обсъждах тази идея в „Сътрудничество, конкуренция и появата на модулността“, но има примамлив апел на разказ, който започва от началото на времето и проправя пътя си към сегашната самосъзнаваща се вселена.

Ето моят разказ.

В началото на нашата Вселена всичко беше обвързано заедно, а след това в един голям удар, всичко беше незабавно необвързано. Първоначалните условия са неизвестни за настоящата физика. Впоследствие Вселената еволюира в частици, които са различни (т.е. фермиони). В допълнение, пратеници (т.е. бозони) биха ги вързали заедно, но запазват различието им.

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

В тази вселена имаше светлина, проявяваща се като фотон, пратеник на електромагнитната сила. Имаше и други пратеници, като глуона, пратеника на силната сила. Глуоните свързват бариони (т.е. протони и неутрони) в ядрото на атомите заедно. Фотоните свързват ядрото със зареден лептон (т.е. електрони). В тази вселена имаше сили, които го свързваха всички заедно (бозони) и имаше неща, които да бъдат обвързани (фермиони). По този начин винаги съществуваше примитивен вид модулност. Първият принцип на модулността: Има нещо, което обвързва и нещо, което трябва да бъде обвързано. Свързването създава идентичност и взаимодействие.

Тази необвързана Вселена роди време. Вселената, която е била първоначално обвързана, винаги е била свързана след Големия взрив. Холографският принцип и квантовото оплитане разкриват тази връзка. Именно чрез това заплитане възниква ентропичната сила на гравитацията. Гравитацията придава на пространственото време своята кривина и по този начин всяка форма, отсъстваща равномерност, времето става видимо. Времето е следствие на ентропията, а ентропията е начинът, по който сме запознати с времето. Вторият принцип на модулността: Вселената се развива в посока на по-висока ентропия.

Гравитацията е силата, която винаги свързва частиците с масата заедно (предполага се, че масата е свързана от бозона на Хигс). Чрез тази сила се раждат звезди и се образуват галактики. Звездите се консолидират чрез гравитацията и се запалват с енергия в резултат на силната ядрена сила. Това създава плазмата, която е катализатор за създаването на по-тежки елементи. Третият принцип на модулност: Средата с характеристики на флуида задвижва експериментирането и по този начин иновациите.

В крайна сметка някои звезди с достатъчна маса се сриват и избухват в свръхнова. Това е резултат от конкуренцията между гравитацията и ядрените сили. Този взрив на свръхнова допълнително разпалва допълнителни тежки атоми и всички тези по-нови елементи се разпръскват в Космоса с унищожаването на звездата. Страничните продукти на свръхнова са елементите на периодичната таблица. То е това, което формира планетите и земята, в която живеем. Целият живот е следствие от звезди, които умират. Според „Карл Сагън“ ние сме „звездни неща“. Унищожението води до създаване. Четвъртият принцип на модулността: Конкурентните сили водят до унищожаване, което след това води до нови съставни творения.

Досега писах само за сили, които се свързват. Това е гравитацията, силната сила и половината от електромагнитната сила. Има сили, които също се отблъскват, различни заряди отблъскват и слабата сила води до радиоактивно разпад на атомите. Може да се твърди, че вселена като нашата може да съществува без слабата сила. Ефектът от отблъскване на подобни заряди е от съществено значение за богатството на взаимодействието във Вселената. Не всичко се свързва заедно, съществуват ограничения, които предотвратяват обвързването. По-тежките елементи са ограничени до комбинациите, които са възможни в квантовата механика. Петият принцип на модулността: Свързването е избирателно и задейства пригодността на контекста.

Нещата от звезди, членове на периодичната таблица с елементи, създават нови начини за взаимодействие между различни елементи. Комбинирането на елементи в молекули е следствие на квантовата механика. Периодичната таблица с елементи е структурирана така, че да отразява най-външната валентна обвивка на атома, която влияе върху химичните връзки. Шестият принцип на модулността: Композитните компоненти водят до по-богати взаимодействия и по-големи възможности.

Химията води до по-сложни съединения. Вода, H2O е пример за съединение, което има възникващото свойство, което при определена температура се проявява като течност. Течностите образуват средата, която улеснява рекомбинацията. Тук природата е преоткрила течността, която се намира в сърцевините на звездите. Флуидността е субстратът на експериментирането и по този начин иновациите. Плавността на водата създава условия за пазар на търговия и взаимодействие между сложни съединения

Тежките елементи, които показват по-богати възможности за взаимодействие, участват по-често като съставна част от сложни съединения. Въглеродът и в крайна сметка Силицият, и двата елемента от група 6 в периодичната таблица, проявяват присъща адаптивност, която насърчава изграждането на по-сложни съединения. Цялата органична химия е следствие от въглерода. Въглеродът може да образува четири различни връзки с други елементи, което позволява повече взаимодействия с други елементи и самият той да образува по-богат набор от съединения. Вещи, които са присъщи адаптивни, просто се оказват по-разпространени просто поради вероятността (виж: Дисипативна адаптация). Седмият принцип на модулността: Вътрешната адаптивност води до полезност, която води до повсеместност.

Органичната химия се състои от молекули, които могат да реагират по по-различни начини от съединенията. В инфографиката по-долу се очаква всяка функционална група да реагира по подобен начин. По-сложните молекули могат да се състоят от повече от една от тези групи и по този начин могат да взаимодействат по начин, който е комбинаторно взривяване на тези групи. Природата под формата на органична химия отново е пресъздала нови начини за взаимодействие и свързване на компоненти.

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

Това богато разнообразие в органичната химия все още не ви стига до живите същества. Очевидно, основата на органичния живот на земята изисква аминокиселини, градивните елементи на всички живи организми. Точният произход на това, как органичната химия води до аминокиселини, все още е предмет на проучване. Нека включим неотдавнашна теория за това как животът е съществувал от органичната материя. Джеръми Англия има предложение, известно като „Дисипативно адаптиране“, основно обяснява как закономерностите на енергията в околната среда предизвикват формиране на структури, които са в хармония с тези закономерности. Както предложи Иля Пригожин, една система е далеч от равновесно самоорганизиране и разработване на ред извън хаоса. Появява се по-динамична и по-богата форма на памет (т.е. съхранение на информация). Осемте принципа на модулността: Адаптивните компоненти намаляват ентропията, като учат на закономерностите на средата.

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

Има 20 от тези аминокиселини, като средната дължина на един протеин е 200 аминокиселини. По този начин, тези протеини могат да бъдат интерпретирани като език с 20²⁰⁰ (т.е. 1.6x10²⁶⁰) различни комбинации. Възрастта на Вселената в наносекунди е 4.34x10²⁶, така че е очевидно, че не са проучени всички комбинации от аминокиселини. Излишно е да се търси цялото пространство от възможности за намиране на оптимална конфигурация. Деветият принцип на модулността: еволюцията изисква само онова, което е съседно възможно.

Но какво прави аминокиселините толкова ценни в създаването на живота? Оказва се, че протеините имат наскоро открита способност. Протеините са в състояние да действат съвкупно като течности. Атомите изискват високоенергийна плазма за стимулиране на иновациите. Сложните съединения изискват вода, за да стимулират иновациите. Протеините еквивалентно създават собствена течна среда, необходима за стимулиране на обмена и по този начин иновации.

Двата други вида биомолекули, които се срещат в живота, това са липиди и нуклеинова киселина. Мастни липиди, които образуват мембраните на клетките. Това е продължение на първия принцип. Винаги има нещо, което капсулира и изолира образувание от неговата среда. Инструкциите за създаване на протеини (вериги от аминокиселини) са кодирани в нуклеинова киселина под формата на ДНК. Evolution открива механизъм за кодиране на набор от инструкции, който надхвърля продължителността на живота на всяка отделна форма на живот. Десетият принцип на модулността: Устойчивото кодиране, устойчиво на грешки, запазва обучението през целия период на живот на компонентите.

Преди развитието на ДНК, постоянството е следствие от наличността и адаптивността. Тоест, онези, които бяха по-всеобхватни, бяха субекти, които бяха просто по-малко сложни и присъщи на практика. Здравото кодиране възпроизвежда по-сложни машини и потенциално по-адаптивни машини. Колкото по-сложна е машината, толкова по-малка е вероятността тя да бъде запазена поради ентропията. С течение на времето части, които се нуждаят от енергия за поддържане, в крайна сметка ще се влошат. Колкото по-сложна е системата, толкова по-голяма е вероятността гаечен ключ в машината да направи цялата машина неработеща. Сложният живот е малко вероятно без кодиране на ДНК.

Природата винаги ще благоприятства по-прости и здрави машини, но ДНК дава алтернативен път, който надхвърля вероятностните механизми, за да създаде сложен живот, който е много невъзможен. Това остава истина днес, въпреки че в ежедневието си виждаме само най-вече сложен живот и технологии. Микроорганизмите превъзхождат сложните форми на живот на земята. Човешкото тяло съдържа микроорганизми, които превъзхождат човешките клетки с 10 до 1. Човекът на 200 килограма носи около 2 до 6 килограма бактерии, които са от съществено значение за неговото здраве.

По този начин с аминокиселини, липиди и ДНК ние достигаме нов набор от механизми за течливост, капсулиране и консервиране, които съществуват в предишните етапи. Атомите, комбинирани в плазма, капсулират чрез електромагнитни сили и се запазват чрез силната сила. Молекулите се комбинират във вода, капсулират се чрез въглеродни връзки и се запазват чрез адаптивно разсейване (т.е. външни движещи сили). На всяко ниво на еволюционна сложност има среда за взаимодействие, граница, която опосредства взаимодействието и механизъм, който запазва идентичността. Тези три възможности водят до генеративна система, която аз обозначавам като генеративна модулност.

Една от големите загадки на изследването на живота е как възникват аминокиселините, ДНК и липидите, когато всеки е зависим един от друг. Това е проблем с "пилешкото и яйцето" Ключът към разплитането на тази кръгова главоблъсканица е, че преди съществуваше по-примитивен механизъм, еквивалентен механизъм и в крайна сметка бе остарял. Еволюцията не е необходимо да се поддържа около части, които изискват повече.

Еукариотичната клетка, основата на целия сложен живот, е следствие от симбиозата на други прокариотни клетки. Митохондрионът, електроцентралата, в клетка имат собствена ДНК. Този съвместен процес (виж: Ендосимбиоза) на усвояване на отделни форми на живот, които имат своя уникална адаптивна функционалност, е разпространен в биологията. Единадесетият принцип на модулността: Новото учене се получава чрез симбиозата на сложно поведение, която се научава в различни контексти.

Това ни води до този общ модел на еволюция:

където по-високи нива на модулност се създават чрез конкурентен натиск, който избирателно открива фитнес и консолидира способностите чрез симбиоза на сътрудничество. Това е разказ, който е по-богат от разказа за конкуренцията, открит в „естествения подбор“ на Дарвин. Еволюцията изисква подбор за фитнес, както и сътрудничество. Всъщност сътрудничеството е следствие от съседното възможно. Сътрудничеството изисква откриването на допълнителни и синергични възможности, с които да се обвърже. Именно в сътрудничество еволюцията се насочва към по-сложен живот.

Дотук в този разказ разкривам как Вселената се развива към по-висока сложност, но не разкрих никаква сила, която да насочва тази Вселена към по-висока сложност. В този разказ има изчезнал и мистериозен актьор. Вселената действа винаги на принципа на най-малкото действие. Като се има предвид всеки контекст, естественото (и по този начин най-вероятното) решение, което ще удовлетвори граничните условия, ще бъде онова, което е по-малко сложно. Ако интерпретираме този принцип по отношение на модели, това е бръсначът на Occam в сила тук. Това е принципът на въвеждане на Solomonoff, който изисква по-малка описателна дължина за всяка програма и следователно по-малка сложност. Какво води до по-високата сложност?

Нека да разгледаме Вселената преди която и да е свръхнова. Това е вселена с просто водородни атоми. Гравитацията като ентропична сила създава звезда, която създава хелий и при дадена достатъчна гравитация, се взривява, за да направи по-тежки елементи. Как съществуваше тази нова вселена, която преди не е имала по-тежки елементи? Конструктивните закони на Вселената не казват нищо за невъзможността за по-тежки елементи, въпреки че такива тежки елементи не са съществували преди. Определени конфигурации са стабилни (т.е. протони с неутрони), а някои по-прости не са (т.е. просто протони). Няма закон, че по-простият е по-вероятен, който е по-сложен във всеки контекст. По-скоро винаги ще съществуват конфигурации, които са по-сложни и по-стабилни от обикновените конфигурации. Това е само следствие от оригиналния материал, с който сте надарени. Тоест, еволюцията протича с онова, което е съседно възможно и в този контекст, нещо повече, сложно е просто да бъде това, което е възможно, а не някакво по-просто нещо, което е невъзможно. Дванадесетият принцип на модулността: Иновациите са контекстуални, сложни или прости решения, задвижвани от възможното, а не от онова, което е просто или оптимално.

Обща тема в еволюцията е тази представа за конструктивизъм. Това е еволюцията протича на етапи и се изгражда от предишни етапи. Всеки нов етап произтича от възможностите от предишния етап. Възможностите на новия етап обаче са нововъзникващите възможности, които не са съществували преди. Изненадващо абстрактните представи за модулност се разкриват с всеки нов етап. Има модели на модулна информация, които се повтарят като всеки нов етап. Има модели на информационна модулност, които не съществуват в предишни етапи, но стават новопоявили се с всеки нов етап.

Сега, когато стигнахме до основните градивни елементи на живота, ще обсъдя как тази нова способност за самовъзпроизвеждане води към обща интелигентност.

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

Разгледайте задълбоченото учене: Изкуствената интуиция: Невъзможната революция на дълбокото учене