Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса - Бобби Азарян
Второй закон термодинамики определяет конечную цель жизни, разума и человеческих устремлений: использовать энергию и информацию для борьбы с энтропией и создания прибежищ благоприятного порядка. Недооценка неустранимой тенденции к хаосу и непонимание важности тех драгоценных ниш порядка, которые мы создаем, являются главной причиной человеческой глупости 3.
Победа в войне с ползучим нарастанием хаоса звучит как вызов, которому жизнь способна или не способна противостоять, но когда мы понимаем, что жизнь – это лишь расплывчатое слово для обозначения адаптивной сложности, мы видим, что она учится спонтанно, поначалу без какого-либо сознательного намерения. Адаптивная сложность начинает работать над проблемой выживания вдали от равновесия – над постоянной задачей извлечения энергии и избегания угроз – с самого момента ее возникновения. Но если это правда, то как может жизнь получать информацию, причинно необходимую для ее выживания, прежде, чем у организмов появляется мозг – орган, который мы связываем с обучением?
Филогенетическое и онтогенетическое обучение
Как было показано в шестой главе, жизнь начинает узнавать о закономерностях окружающей среды, накапливая знания в геномах организмов. В этой форме обучения от поколения к поколению, называемой филогенетическим обучением, жизнь и смерть играют одинаково важную роль в генерации знаний. Филогенетическое обучение – это коллективное обучение, однако оно носит скорее соревновательный, чем кооперативный характер; это обучение, которое происходит в результате дарвиновской динамики, описываемой популярным клише «выживание наиболее приспособленных». Это контрастирует с онтогенетическим обучением, представляющим собой индивидуальное обучение, которое мы называем адаптивным обучением, или обучением с подкреплением. Однако, если присмотреться внимательнее, то индивидуальное обучение всегда соответствует самоорганизации, поэтому индивидуальное обучение на самом деле является коллективным обучением на более высоком уровне разрешения! Увеличьте масштаб, и каждый индивидуум начнет выглядеть как сообщество.
Организм – это совокупность клеток, мозг – совокупность нейронов, город – совокупность людей, клетка – совокупность биомолекул… ну, вы поняли. Поскольку любую генерацию знаний можно трактовать в терминах филогенетического или онтогенетического обучения, что соответствует конкурентной и кооперативной эволюции, то можно многое сказать о каждом из них и еще больше о том, как они работают вместе. В этой главе мы сосредоточимся на первом виде обучения, а в следующей – на втором.
Если второй закон термодинамики бросает жизни экзистенциальный вызов, то дарвиновская эволюция описывает, как жизнь справляется с этой неизменной проблемой, которую перед ней ставит природа. Как мы подробно обсуждали в шестой главе, эволюционный механизм, действующий всякий раз, когда происходит самовоспроизведение с генетической мутацией, называется изменчивость и отбор, и это термодинамический алгоритм решения проблем, эквивалентный обучению методом проб и ошибок. Он также функционально эквивалентен механизму науки, который Поппер называл «доказательством и опровержением», а также эволюционному алгоритму порождения и проверки вариантов[10], используемому в машинном обучении. Организмы – это воплощенные теории о том, как выживать, а наука и искусственный интеллект – это расширения жизни, помогающие ей избегать энтропии.
Таким образом, дарвиновскую эволюцию можно представлять себе как адаптивную сложность, слепо исследующую пространство возможных конфигураций в поиске решения проблемы избегания равновесия ради выживания. Поскольку описываемая вторым законом тенденция к распаду представляет собой постоянную проблему для любой самовоспроизводящейся адаптивной системы, то жизнь автоматически ищет решения путем слепых и бездумных экспериментов, сохраняя в памяти то, что работает, тогда как ошибки естественным отбором отфильтровываются. В сущности, мутация изобретает, а естественный отбор подрезает. Генетическая и нейронная информация, остающаяся после того, как естественный отбор исключил часть сгенерированного биоразнообразия, отражает знания об окружающей среде, позволяющие упорядоченной системе выживать и процветать. Только агенты с наилучшим строением и самыми точными моделями мира получают шанс передать свою информацию в будущее.
Отбраковка нестабильных каналов потока энергии
Поскольку мы так привыкли думать о жизни, имея в виду организмы или их гены, то мы имеем лишь отрывочные знания об истинной природе биологии. С планетарной точки зрения естественный отбор – это фильтр, который отбраковывает нестабильные каналы потока энергии («ошибки» адаптации) и умножает «решения», чтобы функциональные, хорошо адаптированные варианты распространялись в популяции. Как видно, это напоминает шенноновские коды с исправлением ошибок. С точки зрения теории информации естественный отбор осуществляет глобальное исправление ошибок. Когда наиболее приспособленные агенты проходят фильтр отбора и самовоспроизводятся, имеющаяся у вида модель мира обновляется, уточняясь, и эта часть биосферы становится все более устойчивой.
По мере того как внешние условия меняются с течением времени, обнаруживаются новые адаптивные решения, которые записываются в генетическую память, в результате чего постоянно генерируются новые знания, а также новые режимы поведения. Эти знания можно интерпретировать как передачу информации из внешнего мира во взаимозависимую сеть сложных адаптивных систем, которую мы называем биосферой, по информационному каналу, который мы называем естественным отбором. Как только знания переносятся из окружающей среды в жизнь, размножающиеся организмы распространяют этот сигнал, передавая его следующему поколению.
Эволюционисты и философы-эпистемологи пытались количественно оценить и формализовать эволюционный процесс практически с тех самых пор, как родилась теория информации, – сначала Фред Дрецке, затем Джон Мейнард Смит, Генри Плоткин, Уильям Хармс, Терренс Дикон, а позже ученые из Института Санта-Фе, такие как Эрик Смит, Дэвид Кракауэр и Дэвид Уолперт. Но как именно понимать утверждение о том, что информация передается из окружающего мира в жизнь?
Когда в эволюционирующей популяции накапливаются адаптации, геном вида получает информацию о наилучших стратегиях размножения и избегания равновесия, то есть выживания. Какие черты окажутся адаптивными, в решающей степени зависит от конкретной среды, в которой обитает организм, поэтому, если рассматривать адаптацию как обучение, то именно ниша организует «образовательный процесс».
По мере того как вид на протяжении многих поколений адаптируется к определенной нише, строение и поведение прототипического организма становятся более статистически коррелированными с окружающей средой, и, следовательно, организм более эффективно предсказывает эту среду. Когда геном вида накапливает информацию, которая уменьшает неопределенность среднестатистического организма относительно окружающей среды, модель окружающей среды кодируется в генетической памяти. Одновременно с тем, как процесс естественного отбора закачивает информацию в механизм жизни, адаптивная сложность составляет карту Вселенной, кодируя ее структуру и моделируя ее динамику. Когда это происходит, космос оживает. Вскоре после этого появляется сознание, и Вселенная начинает понемногу пробуждаться.
Мы – это способ, которым космос познает себя
Мы оживший космос не в переносном, а в буквальном смысле. Как любит подчеркивать космолог, астрофизик и популярный автор Макс Тегмарк, разумные существа – это частицы неживой материи, преобразованные в такую конфигурацию, которая поддерживает вычисления, причинную
