Neron

Jak blisko nam do maszyn? (2004-02-08)

W dobie powszechnej komputeryzacji świata, pewne pytania, towarzyszące ludzkości od bardzo dawna, nabierają nowego wymiaru. Szczególnie pytania podstawowe, dotyczące samego człowieka. Zdobycze techniki i (w szczególności) myśli wielkich naukowców, pozwalają uzyskać nowe, często zaskakujące odpowiedzi. Kim jest więc sam człowiek, tajemnicza istota obdarzona inteligencją i jaka jest jego struktura? Artykuł ten, nie odpowie na to pytanie. Przedstawi jedynie pewien arcyciekawy, choć mało znany (lub doceniany) fakt, który umożliwia spojrzenie na istotę człowieka z zupełnie innej perspektywy. Z punktu widzenia maszyn.

Kartezjusz, francuski matematyk i filozof z XVII wieku, uważał, że zwierzęta to nic innego, jak maszyny. Ludzie zaś to maszyny, które Bóg obdarzył duszą. Według Kartezjusza w budowie ludzi i zwierząt nie kryje się żadna mistyczna tajemnica, przynajmniej gdy chodzi o ciało. Wszystkie organizmy to struktury fizyczne i jako takie, działają zgodnie z prawami natury, podobnie jak cały Wszechświat. Zdaniem Kartezjusza, ciało człowieka, jest "maszyną, która, jako boskie dzieło, jest nieporównywalnie lepsza [...] od tych, które potrafi wynaleźć człowiek". Podstawą stanowiska Kartezjusza była zasada, że wszystko we Wszechświecie (oprócz może duszy, którą uważał za oddzielne zagadnienie), każde zjawisko fizyczne, można zredukować do ruchu i materii. "Wszystkie zjawiska naturalne, można wyjaśnić w ten sposób, przeto nie sądzę, aby przyjęcie innych zasad fizycznych było konieczne lub wskazane" - twierdził Kartezjusz. Te poglądy bywały określane mianem materializmu, redukcjonizmu, mechanicyzmu czy determinizmu.

Sceptycy uważali, że podobne poglądy, są wyrazem skrajnego optymizmu w kwestii naszych zdolności do pojmowania natury. Uznając bowiem filozofię nauki, głoszącą, że wszystko stanowi konsekwencję ruchu materii, dogłębne zrozumienie oddziaływań między atomami stanowiłoby pewną drogę do ostatecznego wyjaśnienia wszystkich tajemnic świata! Mistycyzm zginąłby tak, jak na to zasłużył, Wszechświat stanąłby przed nami otworem. Oczywiście, człowiek może okazać się niezdolny do zrozumienia pewnych zjawisk, nawet, gdy nie będą zawierały żadnych niewiadomych. Już teraz wiele teorii naukowych, sprawdzalnych praktycznie i używanych w doświadczeniach, jest rozumianych przez nielicznych. A to przecież dopiero początek. Wiedza wszechświata może okazać się przytłaczająca, mimo ciągłego rozwoju ludzkiego umysłu. Z drugiej strony, możliwe, że wcześniej zdołamy nasze umysły poprawić i odpowiednio przystosować. Ciągły rozwój umożliwi człowiekowi poznanie wszystkich tajemnic Wszechświata, bez żadnych ograniczeń, jeżeli oczywiście ludzkość zdoła przetrwać to początkowe stadium rozwoju, w którym się obecnie znajdujemy. Właśnie to dalekie od skromności, aroganckie, symbolizujące pychę - (oczywiście wielki grzech, godny potępienia. Bóg się nas obawiał, ustanawiając swoje prawa?:) - stanowisko, stało się podstawą nowożytnej nauki. Który uczony chciałby marnować czas na poznawanie nieprzejrzystej i niepojętej natury? "Nie chciałbym zostać zmuszony do odrzucenia ścisłej przyczynowości - powiedział Einstein. - Gdybym miał to uczynić, wolałbym być już raczej szewcem lub krupierem, a nie fizykiem".

Kim jest więc człowiek? Oczywiście zbyt jeszcze wcześnie, aby udzielić pewnej odpowiedzi na to pytanie. Spróbujmy jednak podążyć za myślą Kartezjusza, dla własnej wygody i z własnych przekonań odrzucając na wstępie Boga i duszę, aby uniknąć pułapek, zastawionych ongiś przed naszych przodków. Cała natura poddaje się naszemu badaniu i w otaczających nas zjawiskach nie kryją się żadne mistyczne siły.

Tak więc, człowiek, to maszyna. Podobna do komputerów, choć o wiele bardziej złożona. Posiada program, działa zgodnie z jego wytycznymi. Tak, jak i cały Wszechświat. Rozmnaża się. Tak, to już pozornie stanowi pewien problem, gdyż jak wszyscy wiemy, maszyny nie zwykły się rozmnażać. A istoty żywe, owszem.

Reprodukcja maszyn, ciekawe zagadnienie. Czy nie wystarczy odkryć jak w przyrodzie dochodzi do reprodukcji organizmów zwierząt, a następnie skopiować ten proces w sztucznych maszynach? Komórki produkują komórki, ludzkie ciała wytwarzają ludzkie ciała, dlaczego zatem maszyny nie miałyby produkować maszyn? Brzmi jak SF, ale to znany problem naukowy. Właściwie, nie problem. John Von Neumann, wybitny matematyk, specjalizujący się w niezwykle abstrakcyjnych teoriach (dzięki niemu możemy teraz siedzieć przed komputerami!) wykazał przed śmiercią, że nawet proste maszyny są zdolne do reprodukcji, co uważano za podstawową cechę żywych organizmów.

Samoreprodukujące się automaty von Neumanna nie są stworzeniami z tego świata. To abstrakcyjne, wyidealizowane stwory, istniejące tylko w wyobraźni lub na papierze. Mimo to zawierają one zasadnicze elementy plany konstrukcyjnego prawdziwych maszyn. Ich reprodukcja ma charakter podobny do reprodukcji zwierząt, roślin czy komórek. Nowe osobniki nie powstają ex nihilo, lecz korzystają z materii, którą czerpią z otoczenia.

"Proszę sobie wyobrazić - mówił von Neumann - że duży zbiornik zawiera praktycznie nieograniczony zapas różnych części. Możemy przyjąć, że automat działą w następujący sposób. Urządzenie jest zawieszone w pobliżu zbiornika i cała jego aktywność polega na pobieraniu części i łączeniu ich ze sobą, lub rozłączaniu". "Morze części" maszyn stanowi mechaniczny odpowiednik pierwotnej ziemskiej "zupy", w której powstało życie.

Wszystkie ziemskie organizmy powstały w wyniku łańcucha ewolucyjnych zdarzeń, mających charakter losowy. To, że powstał człowiek, jest zupełnym przypadkiem. Równie dobrze mogły pojawić się inne mutacje, inne gatunki. Von Neumann chciał natomiast wiedzieć, jakie mechanizmy były konieczne do rozpoczęcia ewolucji. Chciał określić minimum złożoności, koniecznej do samoreprodukcji, a więc stworzyć naukowy odpowiednik Księgi Rodzaju. Stwierdził, że samoreprodukująca się maszyna musiałaby składać się z części co najmniej ośmiu rodzajów; cztery typy byłyby potrzebne do budowy mózgu i cztery do budowy ciała. Mózg, składałby się z organów reagujących na bodźce zewnętrzne. Gdyby dwa bodźce zaistaniały równocześnie, na przykład automat chwyciłby w tym samym momęcie dwie identyczne części, maszyny musiałaby o tym wiedzieć. A zatem organy muszą być zdolne do rejestracji dwóch lub więcej sygnałów jednocześnie. Konieczne jest też urządzenie do selekcjonowania bodźców, wybierające tylko te, które dotyczą maszyny. I jeszcze zegar wewnętrzny, czyli organ koordynujący działanie wszystkich części. Gdy chodzi o ciało konieczny jest punkt Archimedesa, miejsce oparcia konstrukcji. Konieczna jest pewna sztywna struktura, na przykład kratownica. Łącząc ze sobą sztywne elementy otrzymujemy szkielet (wewnętrzny lub zewnętrzny, to bez znaczenia). Skoro automat ma łączyć ze sobą części, w celu złożenia swego potomka, konieczny jest organ przyłączający, oraz rozdzielający części źle przyłączone. Ponieważ wszystkie te organy muszą się jakoś poruszać, potrzebne są też 'mięśnie'.

Proces samoreprodukcji wyglądałby następująco. Przypuśćmy, że w morzu części pływają dwa elementy kratownicy, których automat potrzebuje do zrobienia własnej kopii. Elementy uderzają w organy zmysłowe automatu, który łączy je ze sobą. Proces powtarza się wielokrotnie i powstaje szkielet, choć wcześniej był tylko stos części. W jaki jednak sposób automat poznał 'plan' swej konstrukcji?

Skoro automat ma organy zmysłowe, to może poznać swoją struktórę i zapisać ją za pomocą odpowiedniego kodu. Tak zakodowane informacje wykorzysta później do reprodukcji i przekaże je swojemu potomkowi. Von Neumann wykorzystał kod Alana Turinga, który odkrył, że wszystkie plany i zbiory instrukcji można wyrazić za pomocą notacji binarnej, czyli w postaci łańcucha zer i jedynek. Automat może posługiwać się właśnie taką notacją. Zamiast taśmy może używać odpowiednio ustawionych elementów kratownicy. Wyławia więc z morza części odpowiednią liczbę elementów i łączy je na kształt zębów piły /\/\/\/\/\/\. Następnie zaznacza jedynki,umieszczając w spojeniu dodatkowy, pionowy element, puste spojenie to zero,pełne to jedynka. Przykładowy kod zawierający jakąś informację, np. 010011 można przedstawić przy pomocy części: /\/|\/\/\/|\/|\.

Gdy plan obiektu jest już zakodowany, można bez trudu sporządzić jego duplikat. W tym celu odczytuje się informacje z taśmy, wybiera niezbędne części i łączy je wg planu. Tak powstaje doskonała kopia oryginału.

To jeszcze nie jest samoreprodukcja, chyba że przyjmiemy, iż automat poznał własną struktórę i zkododował jej plan. Niema żadnych powodów, by nie mógł tego zrobić. Samoreprodukcja jest zatem możliwa. Maszyny są do niej zdolne tak samo jak człowiek, rośliny itp.

No dobrze, ale co to ma wspólnego z samym człowiekiem? Właśnie. Najbardziej zaskakujące jest to, że analizując jak powinna wyglądać samoreprodukcja, von Neumann odkrył, jak czyni to Matka Natura! Analizując reprodukcję maszyn w grudniu 1949 roku, cztery lata wcześniej nim Francis Crick i James Watson wyjaśnili budowę cząsteczki DNA. Okazuje się bowiem, że cząsteczki DNA reprodukują się dokładnie tak, jak wg von Neumanna muszą działać samoreprodukujące się maszyny. A więc nie ma pod tym względem różnicy, między człowiekiem a samoreprodukującą się maszyną! Nasz organizm działa jak komputer, ściśle wg programu zapisanego 'kodem binarnym' w DNA! Rozgryzienie tej struktury odkryje przed nami tajemnice człowieka. I co najważniejsze - cały Wszechświat działa wg takiego 'ruchu materii', zapisanego 'programu', ścisłej przyczynowości. Możliwe jest więc poznanie wszystkich tajemnic Wszechświata!

Współcześni genetycy pracują właśnie nad rozgryzieniem naszego 'kodu binarnego' co przynieść może wiele korzyści (i wiele szkody, jeżeli zostanie źle zrozumiane lub źle wykorzystane - mimo to trzeba dążyć do poznania. Sceptycy zrozumieć powinni, że jest to konieczne choćby ze względów bezpieczeństwa. Wiadomo, że ktoś i tak będzie na tym pracował, choćby potajemnie. Rezygnując z genetyki damy się takim ludziom wyprzedzić i nie będzie można z nimi w żadne sposób walczyć.) Człowiek stara się zrozumieć naturę i nie ma w tym niczego dziwnego - przecież od zawsze chcieliśmy wiedzieć kim jesteśmy. To naturalna kolej rzeczy.

Wróćmy do maszyn von Neumanna. Jak wyjaśnia Freeman Dyson: "dziś każde dziecko uczy się w szkole średniej o biologicznych odpowiednikach czterech części von Neumanna". Automatem realizującym proces replikacji są rybosomy, organelle, w których następuje przekład zakodowanej informacji genetycznej na strukturę białek. Odpowiednikiem mechanizmu kopiującego, urządzenia sporządzającego kopię planu, są polimerazy RNA i DNA, substancje łączące nukleotydy (sztywne elementy kratownicy) w długie łańcuchy - cząsteczki kwasów nukleinowych (czyli taśmy z planem). Zamiast kontrolera nadzorującego czynności automatu mamy cząsteczki represora i depresora, które regulują rozwój genu, nadzorując powstanie komórek. Mamy też odpowiednik planu, zawierającego zakodowane informacje na temat struktury automatu - jest nim materiał genetyczny, czyli cząsteczki DNA i RNA.

"O ile wiadomo - zauważa Dyson - podstawowy plan każdego mikroorganizmu większego od wirusa jest dokładnie taki, jak to przewidział von Neumann".

Von Neumann wyjaśnił nawet, w jaki sposób maszyna może spowodować ewolucję. Wzrost złożoności następuje wtedy, gdy plan automatu ulega jakimś zmianom. Przypuśćmy, że automat pływający w morzu części przypadkowo zderzys się z sztywnym elementem kratownicy, obecnym w pobliżu. Zderzenie może spowodować zmianę planu. Wówczas podczas reprodukcji powstanie inna wersja automatu. Nastąpi mutacja, w której wyniku dość prymitywny robot, przypominający stopniem złożoności np. amebę, może po dostatecznie długim czasie ulec przemianie w maszynę stosunkowo wyrafinowaną, taką jak człowiek! Sztuczne automaty mogą ewoluować dokładnie tak jak naturalne, czyli tak jak ewoluowały zwierzęta (a tak na marginesie - przy odpowiednim stanie wiedzy proces ewolucji można przyśpieszyć ingerując w niego i odrzucając przypadkowość). Decydującym czynnikiem jest złożoność. Poniżej pewnego poziomu złożoności, automaty ulegałyby degeneracji i powstawały by automaty coraz prostsze. Powyżej tego poziomu, jak twierdził von Neumann, "zjawisko syntezy, jeśli jest odpowiednio zaaranżowane, może mieć charakter eksplozji".

Warto też wspomnieć o abstrakcyjnych, dwuwymiarowych automatach, przypominających szachownicę, których Stanisła Ulam używał do badania wzrostu kryształów. Von Neumann badał czy nieskończona, dwywymiarowa przestrzeń komórkowa jest odpowiednim środowiskiem by mogły w niej istnieć samoreprodukujące się automaty. Okazało się, że tak i w ten sposób von Neumann stworzył nową dziedzinę matematyki: teorię automatów komórkowych.

Automaty komórkowe to obiekty logiczne, określone wyłącznie przez pewne funkcje matematyczne, które żyją, rozmnażają się i giną w ogromnej, abstrakcyjnej przestrzeni. Jeśli funkcje te są właściwie dobrane, wówczas zachowanie automatu może stanowić przybliżony model ewolucji pewnych rzeczywistych układów fizycznych. Automaty komórkowe przydają się bardzo w badaniu natury (m.in dowiedziono, że właśnie takie funkcje matematyczne powodują powstawanie złożoności w naturze. To takie "naturalne oprogramowanie" organizmów żywych).

Zasada działania naszego organizmu jest więc ściśle określona. Pod tym względem nie jesteśmy wcale lepsi od maszyn - jedynie bardziej złożeni. Budową przypominamy jednak np. komputery, czy raczej komputery przypominają nas, skoro już byliśmy pierwsi. Jesteśmy naprawdę bliscy temu, co zwykliśmy określać mianem maszyn...

Tekst opracowany (a właściwie niemal przepisany) na podstawie "Kto odziedziczył gabinet Einsteina?" Eda Regisa (Prószyński i Ska).

Nie jestem autorem tekstu - od siebie dodałem jedynie kilka komentarzy.