Generatív moduláció és miért van a természetes innováció - 1. rész

Fotó: Skye Studios az Unsplash-en
„A csillagok alkímiájának hamu felmerült a tudatosságban” - Carl Sagan

Azokra hajlamosak mindannyian holisztikus és teljes narratívát keresünk, amely megmagyarázza a természetet. Környezetünk gesztalt értelmezésének szükségessége a saját általános intelligenciánk hajtóereje. Ez a hiányzó lánc a mai AI rendszerekben. A legfejlettebb AI rendszerek (azaz a mély tanulás) nem képesek felépíteni a magasabb absztrakciós rétegeket. Ennek ellenére több rétegből épül fel, amelyek célja az ábrázolás egyesítése az egyik rétegből a másikba.

Itt egy olyan narratíva állítom elő, hogy miért alakul ki a komplex élet, és miért ugyanaz a narratívum, hogy miért alakul ki az általános megismerés. Megpróbálok egy narratívát kezdeni, amely szintén a korai világegyetemmel kezdődik és felépíti a modularitás elveit, amint azt a fejlődő világegyetem feltárja. Ezt az elgondolást korábban már tárgyaltam az „Együttműködés, verseny és a moduláris megjelenés” című szakaszban, de van egy vonzó vonzereje egy narratívának, amely az idő kezdete óta kezdődik és a jelenlegi öntudatos világegyetem felé halad.

Itt van a narráciám.

Univerzumunk elején minden össze volt kötve, majd egyetlen nagy pattanással minden azonnal kötetlen volt. A kezdeti feltételek a jelenlegi fizika számára ismeretlenek. Az univerzum később különálló részecskékké fejlődött ki (azaz fermionok). Ezenkívül a hírvivők (azaz a bozonok) egymással kötik őket, de megőrzik megkülönböztetésüket.

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

Ebben az univerzumban fény volt, amely fotonként nyilvánul meg, mint az elektromágneses erő hordozója. Volt más hírvivő is, például a gluon, az erős erő hírnöke. A gluonok összekapcsolják a barionokat (azaz protonokat és neutronokat) az atommagban. A fotonok egy atom töltött leptonnal (azaz elektronokkal) kötik a magot. Volt olyan erõk ebben az univerzumban, amelyek összekötötték egymást (bozonok), és voltak dolgok, amelyeket össze kell kötni (fermionok). Így mindig is létezett primitív típusú modularitás. A modularitás első elve: Van valami, ami kötődik, és valami, amit kötni kell. A kötés identitást és interakciót hoz létre.

Ez a kötetlen univerzum kezdte az időt. Az eredetileg megkötött világegyetem a Nagyrobbanás után mindig kapcsolatban maradt. A holografikus elv és a kvantum összefonódása feltárja ezt a kapcsolatot. Ezzel a beilleszkedéssel merül fel a gravitáció entrópusi ereje. A gravitáció megadja a téridőben a görbületét, és így bármilyen alak, ha nincs egyenletesség, az idő megfigyelhetővé válik. Az idő az entrópia következménye, és az entrópia az, amire felhívjuk a figyelmet az időre. A modularitás második elve: Az univerzum a magasabb entrópia irányába fejlődik.

A gravitáció az az erő, amely mindig összekapcsolja a részecskéket a tömeggel (azt feltételezik, hogy a tömeget a Higgs-bozon köti). Ezen erő révén csillagok születnek és galaxisok alakulnak ki. A csillagok a gravitáció révén megszilárdulnak és energiával meggyulladnak az erős nukleáris erő hatására. Ez létrehozza a plazmát, amely katalizátorként szolgál a nehezebb elemek létrehozásához. A modularitás harmadik alapelve: A folyadékjellemzőkkel rendelkező közeg vezérli a kísérletezést és ezáltal az innovációt.

Végül néhány elegendő tömegű csillag összeomlik és szupernóvává robbant fel. Ez a gravitáció és a nukleáris erők közötti verseny eredménye. Ez a szupernóva-robbanás további nehezebb atomokat egyesít, és ezek az újabb elemek szétszóródnak a kozmoszba a csillag pusztulásával. A szupernóva melléktermékei a periódusos rendszer elemei. A mi bolygók és a föld képezi ebben az életben. Minden élet a csillagok halálának következménye. Carl Sagan szerint „csillag cuccok” vagyunk. A pusztítás teremtéshez vezet. A modularitás negyedik alapelve: A versenyképességi erők pusztuláshoz vezetnek, amely azután új összetett alkotásokhoz vezet.

Eddig csak azokról az erõkrõl írtam, amelyek kötődnek. Ez a gravitáció, az erős erő és az elektromágneses erő fele. Vannak olyan erők, amelyek is taszítják, a különböző töltések visszatükröződnek, és a gyenge erő az atomok radioaktív bomlásához vezet. Vitatható, hogy a miénkhez hasonló világegyetem létezhet a gyenge erő nélkül. Ugyanakkor a hasonló töltések visszataszító hatása elengedhetetlen az univerzum kölcsönhatásának gazdagságához. Nem minden kötődik egymáshoz, léteznek olyan korlátok, amelyek megakadályozzák a kötődést. A nehezebb elemek a kvantummechanikában lehetséges kombinációkra korlátozódnak. A modularitás ötödik elve: A kötés szelektív és a környezet megfelelőségét vezérli.

A csillagok, az elemek periódusos rendszerének tagjai újfajta interakciót hoznak létre a különféle elemek között. Az elemek molekulákká történő kombinálása a kvantummechanika következménye. Az elemek periodikus táblázata úgy van felépítve, hogy tükrözze az atom legkülső valenciahéját, amely befolyásolja a kémiai kötéseket. A modularitás hatodik alapelve: A kompozit komponensek gazdagabb interakciókat és nagyobb lehetőségeket eredményeznek.

A kémia bonyolultabb vegyületekhez vezet. A víz, a H2O egy olyan vegyületre példa, amelynek olyan tulajdonsága van, hogy egy bizonyos hőmérsékleten folyadékként mutatkozik meg. A folyadékok képezik a rekombinációt megkönnyítő környezetet. Itt a természet felfedezte a folyadékot a csillagok magjában. A folyékonyság a kísérlet és ezáltal az innováció alapja. A víz folyékonysága megteremti a feltételeket a komplex vegyületek kereskedelme és kölcsönhatása számára

Azok a nehéz elemek, amelyek gazdagabb kölcsönhatási lehetőségeket mutatnak, gyakrabban vesznek részt komplex vegyületek alkotóelemeként. A szén és végül a szilícium, mind a 6. csoport elemei a periódusos rendszerben, belső tulajdonságúak, és ösztönzik a bonyolultabb vegyületek képződését. Az összes szerves kémia a szén következménye. A szén négy különféle kötést képezhet más elemekkel, lehetővé téve a kölcsönhatást más elemekkel és önmagában, hogy gazdagabb vegyületek sorozatát képezzék. A belsőleg adaptív dolgok egyszerűen a valószínűség miatt találják elõbbit (lásd: Disszipatív adaptáció). A modularitás hetedik alapelve: A belső adaptív képesség olyan hasznossághoz vezet, amely mindenütt jelenik meg.

A szerves kémia olyan molekulákból áll, amelyek még különféle módon reagálhatnak, mint a vegyületek. Az alábbi infográfiában minden funkcionális csoport várhatóan hasonlóan reagál. A bonyolultabb molekulák e csoportok közül egynél többet tartalmazhatnak, és így kölcsönhatásba léphetnek ezeknek a csoportoknak a kombinatorikus robbanásával. A természet, a szerves kémia formájában, újból létrehozta az összetevők kölcsönhatásának és megkötésének új módjait.

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

A szerves kémia gazdag sokszínűsége még mindig nem engedi meg az élő dolgokig. Nyilvánvaló, hogy a földi szerves élet alapjául az aminosavak, az összes élő szervezet építőkövei szükségesek. A szerves kémia aminosavakhoz vezetésének pontos eredetét továbbra is vizsgálják. Helyezzük be egy nemrégiben megfogalmazott elméletet arról, hogy az élet hogyan létezett a szerves anyagból. Jeremy England egy „disszipatív adaptáció” néven ismert javaslatot fogalmaz meg, amely alapvetően elmagyarázza, hogy a környezetben az energiaszabályozás miként okozza az ezekkel a szabályosságokkal összhangban lévő struktúrák kialakulását. Amint Ilya Prigogine javasolta, a rendszer messze van az egyensúlytól, amely önszerveződik és a káoszból rendezi a rendszert. Megjelenik a memória dinamikusabb és gazdagabb formája (azaz az információ tárolása). A modulárisség nyolc alapelve: Az adaptív komponensek csökkentik az entrópiát a környezet szabályrendszerének megtanulásával.

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

Ezen aminosavak közül 20 van, egy fehérje átlagos hossza 200 aminosav. Így ezek a fehérjék nyelvekként értelmezhetők 20² (azaz 1,6x10²) különböző kombinációkkal. A világegyetem kora nanoszekundumban 4,34x10²⁶, tehát nyilvánvaló, hogy az aminosavak összes kombinációját nem fedezték fel. Az optimális konfiguráció megtalálásához nem szükséges a lehetőségek teljes területén keresni. A moduláris kilencedik alapelv: Az evolúció csak azt igényli, ami szomszédosán lehetséges.

De mi teszi az aminosavakat olyan értékesnek az élet létrehozásában? Kiderült, hogy a fehérjék nemrégiben fedezték fel képességüket. A fehérjék aggregátumként képesek működni, mint a folyadékok. Az atomoknak nagy energiájú plazmára volt szükség az innováció előmozdításához. Az összetett vegyületek vizet igényelnek az innováció előmozdításához. A fehérjék ugyanilyen módon megteremtik saját folyékony környezetüket, amely a csere és ezáltal az innováció előmozdításához szükséges.

Az életben megtalálható két másik biomolekula: lipidek és nukleinsavak. Zsíros lipidek, amelyek képezik a sejtek membránjait. Ez az első elv kiterjesztése. Mindig van valami, amely körülveszi és izolálja az entitást a környezetétől. A fehérjék (aminosavak láncai) létrehozására vonatkozó utasításokat a nukleinsav kódolja DNS formájában. Az evolúció felfedezi az utasításkészlet kódolásának mechanizmusát, amely meghaladja az egyes életformák élettartamát. A modularitás tizedik alapelve: A robusztus hibaálló kódolás megőrzi a tanulást az alkatrészek élettartama alatt.

A DNS evolúcióját megelőzően a tartósság a rendelkezésre állás és az alkalmazkodhatóság következménye. Vagyis az áthatóbb egységek voltak, amelyek egyszerűen kevésbé voltak komplexek és belsőleg alkalmazkodóképesek. A robusztus kódolás a bonyolultabb gépeket és potenciálisan alkalmazkodóbb gépeket replikálja. Minél bonyolultabb egy gép, annál kevésbé valószínű, hogy megőrizhető az entrópia miatt. Az idő múlásával azok a részek, amelyek fenntartásához energiát igényelnek, végül romlik. Minél összetettebb a rendszer, annál valószínűbb, hogy a gépben lévő csavarkulcs az egész gépet működésképtelenné teszi. DNS-kódolás nélkül nem valószínű a komplex élet.

A természet mindig az egyszerűbb és robusztusabb gépeket részesíti előnyben, de a DNS lehetővé teszi egy alternatív utat, amely meghaladja a valószínűségi mechanizmusokat, hogy komplex életet teremtsen, amely valószínűtlen. Ez továbbra is truizmus manapság, annak ellenére, hogy mindennapi életünkben leginkább összetett életet és technológiát látunk. A mikroorganizmusok száma meghaladja a bonyolult életformákat a Földön. Az emberi test olyan mikroorganizmusokat tartalmaz, amelyek túllépi az emberi sejteket 10 és 1 között. Egy 200 fontos ember körülbelül 2–6 font baktériumot hordoz, amelyek nélkülözhetetlenek az egészségéhez.

Így az aminosavakkal, lipidekkel és a DNS-vel új mechanizmusokat kapunk a folyékonyságra, a kapszulázásra és a tartósításra, amelyek a korábbi szakaszokban léteztek. A plazmában egyesített atomok elektromágneses erőkön keresztül kapszulálódnak és az erős erőn keresztül megmaradnak. A molekulák vízben egyesülnek, szénkötésekkel kapszulálódnak és adaptív disszipációval (vagyis a külső hajtóerőkkel) megmaradnak. Az evolúciós bonyolultság minden szintjén létezik egy közeg az interakcióhoz, egy határ, amely közvetíti az interakciót, és egy mechanizmus, amely megőrzi az identitást. Ez a három képesség generációs rendszerhez vezet, amelyet Generatív Modularitásként nevezek el.

Az élet tanulmányozásának egyik nagy rejtélye az, hogy hogyan keletkeztek mind az aminosavak, a DNS és a lipidek, amikor egymástól függnek. Ez egy „csirke és a tojás” probléma. Ennek a kör alakú felváltásának a kulcsa abban rejlik, hogy egy primitívebb mechanizmus-egyenértékű mechanizmus létezett korábban, és végül elavulttá vált. Az evolúciónak nem kell körüljárnia azokat a részeket, amelyek már szükségesek.

Az eukarióta sejt, amely az összes komplex élet alapja, más prokarióta sejtek szimbiózisának következménye. A sejtek mitokondriumának, az erőműnek megvan a saját DNS-je. Ez a kooperatív folyamat (lásd: Endoszimbiózis) az önálló, egyedi adaptív funkcióval rendelkező életformák asszimilálásában elterjedt a biológiában. A modulárisség tizenegyedik alapeleme: Az új tanulást az összetett viselkedés szimbiózisával lehet elérni, amelyet különböző kontextusokban tanulnak meg.

Ez vezet az evolúció ezen általános modelljéhez:

ahol a modularitás magasabb szintje olyan versenynyomás révén jön létre, amely szelektíven fedezi fel az alkalmasságot és kooperatív szimbiózissal konszolidálja a képességeket. Ez egy narratív, amely gazdagabb, mint a verseny narratívája, amelyet Darwin „természetes kiválasztásában” találtak. Az evolúció megköveteli a fitnesz kiválasztását, valamint az együttműködést. Az együttműködés valójában a szomszédos lehetséges következményekkel jár. Az együttműködés megköveteli azoknak a kiegészítő és szinergikus képességeknek a felkutatását, amelyekhez kapcsolódniuk kell. Az evolúció az együttműködés útján halad a bonyolultabb élet felé.

Eddig ebben a narratívában feltártam, hogy az univerzum hogyan fejlődik a nagyobb bonyolultság felé, de nem tártam fel olyan erőt, amely ezen univerzumot a magasabb összetettség felé vezetné. Van egy hiányzó és titokzatos színész ebben a narratívában. Az univerzum mindig a legkevesebb cselekvés elvén működik. Bármely kontextust figyelembe véve, a természetes (és így a legvalószínűbb) megoldás, amely kielégíti a határfeltételeket, kevésbé összetett lesz. Ha ezt az elvet modellekkel értelmezzük, akkor az itt az Occam borotvatartója. Ez a Solomonoff bevezetési elve, amely megköveteli, hogy minden program esetében alacsonyabb leíró hosszúság legyen, és így kevésbé bonyolult. Mi vezet a nagyobb bonyolultságot?

Nézzük meg az univerzumot bármilyen szupernóva előtt. Ez egy univerzum, amelyben csak hidrogénatomok találhatók. A gravitáció, mint egy entrópusi erő, olyan csillagot hoz létre, amely héliumot teremt és megfelelő gravitáció mellett felrobbant, hogy nehezebb elemeket képezzen. Hogyan létezett ez az új univerzum, amely korábban nem tartalmazott nehezebb elemeket? Az univerzum konstruktív törvényei nem mondnak semmit a nehezebb elemek lehetetlenségéről, annak ellenére, hogy ilyen nehéz elemek korábban nem léteztek. Bizonyos konfigurációk stabilak (azaz protonok neutronokkal), és bizonyos egyszerűbbek nem (azaz csak protonok). Nincs olyan törvény, amely egyszerűbb lenne, valószínűbb, hogy bonyolultabb minden környezetben. Inkább mindig léteznek olyan konfigurációk, amelyek összetettebbek és stabilabbak, mint az egyszerű konfigurációk. Ez csak az eredeti anyag következménye, amellyel tehetséges. Vagyis az evolúció azzal folytatódik, ami szomszédos módon lehetséges, és ebben a kontextusban, ami még inkább bonyolult, csak úgy történik, ami lehetséges, és nem valami egyszerűbb dolog, amely lehetetlen. A modularitás tizenkettedik alapelve: Az innováció kontextuális, a komplex vagy egyszerű megoldásokat az alapja, hogy mi lehetséges, és nem mi az egyszerű vagy optimális.

Az evolúció közös témája a konstruktivizmus ez a fogalma. Azaz az evolúció szakaszosan halad és az előző szakaszokból épül fel. Minden új szakasz az előző szakasz képességeiből fakad. Az új szakasz képességei azonban azok a megjelenő képességek, amelyek korábban nem léteztek. Meglepő módon a moduláris elvont fogalmak feltárják magukat minden új szakaszban. Vannak olyan információs moduláris minták, amelyek minden új szakaszként megismétlődnek. Vannak olyan információs moduláris modellek, amelyek nem léteznek az előző szakaszokban, de minden egyes új lépéssel megjelennek.

Most, hogy megérkeztünk az élet alapvető építőköveihez, megvitatom, hogyan vezet ez az új önreplikáló képesség az általános intelligencia felé.

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

Fedezze fel a mély tanulást: Mesterséges intuíció: A lehetetlen mély tanulási forradalom