Действуй, мозг! Квантовая модель разума

Припомним: следуя бинарной логике Буля, мы избежали сомнительного удовольствия ковыряться в противоречивых смыслах, спрятанных в высказывании «Все не люди не смертны». Как нам это удалось? Мы действовали по алгоритму: вычитание – умножение – сложение. Только такой порядок обеспечил определённый и осмысленный результат.

Если б мы нарушили последовательность или, не дай бог, принялись бы, подобно средневековым схоластам, резонерствовать на тему «кто такие „не люди“?», «что такое смерть?», «что такое жизнь?» и т.п., нам пришлось бы, чтобы прийти к согласию, провести бесконечное число наблюдений.

Но, даже если б мы сделали это, хотя бы в уме, и пришли к некой, абсолютной, истине, которая бы воспринималась нами как полный и окончательный ответ, разъясняющий суть этих понятий, то через некоторое время пришлось бы снова взяться за уточнение – ввязаться в новый диспут.

Ведь, как показал Гёдель, всегда остаётся вероятность, что такие сложные и многозначные понятия, как, например, «люди» и «жизнь», могут дополниться новыми фактами и смыслами. И определить/вычислить их до конца не удастся никогда.

Раз так, то и машина Тьюринга не может этого сделать.

Точнее: она будет это делать, т.к., хоть эти высказывания (числа, функции, задачи) и невычислимы, тем не менее, они вполне реальны. С ними можно производить арифметические операции.

Однако машина Тьюринга будет вычислить их неограниченное время – гораздо дольше, чем Думатель из романа Дугласа Адамса. А именно: вечность.

Вместе с тем, задачи, что машина Тьюринга за конечное время вычислить может, существуют тоже. Они – алгоритмически вычислимы.

Другое дело, что писать алгоритмы для их решения придётся человеку. Потому что и математика, и логика, и новые идеи, как показал Гёдель, суть творческая, бесконечная во времени и по глубине, деятельность.

Прояснение разницы между выводимостью аксиом и их невыводимостью, между вычислимым и невычислимым, между машинным алгоритмом и присущим человеку думанием – несомненная научная заслуга Гёделя и Тьюринга.

Их работы стали предпоследним звеном в длинной цепочке развития идеи вычисляемой дискретности в трудах Лейбница, Буля, Пирса, Кантора, Гильберта, Пуанкаре и других теоретиков.

Оставалось сделать последний шаг: попытаться создать computer (искусственный вычислитель) и computor (живой вычислитель) на практике.

«Так выпьем же за кибернетиков!»

В 1966 году в советском комедийном фильме Леонида Гайдая «Кавказская пленница» один из героев произнёс примечательный тост. Он поведал трагическую историю некой принцессы, которая умерла, «потому что совершенно точно сосчитала, сколько зёрен в мешке, сколько капель в море и сколько звёзд на небе». Тост завершался призывом «выпить за кибернетиков!».

В том же году в популярном британском научно-фантастическом сериале «Доктор Кто» впервые появились такие персонажи, как «Киберлюди» (англ. Cybermen). По сюжету эпизода, снятого режиссёром Дереком Мартинусом, это роботизированные, лишенные эмоций существа, которые хотят покорить Землю и превратить её жителей в кибернетические механизмы.

Кто такие кибернетики? И зачем Киберлюдям понадобилось покорять Землю?

Кибернетика – наука, сама себя называвшая «междисциплинарной научной дисциплиной», где сложные объекты и системы, включая человеческий разум, трактуются как вычислительные устройства.

Формально годом её рождения считается 1948.

Именно тогда появилось известное сочинение Норберта Винера «Кибернетика: Или Контроль и Коммуникация у Животных и Машин» (далее – просто «Кибернетика»).

Однако фактически работы, посвященные рассмотрению сложных систем как природных саморегулирующихся автоматов, за авторством Джона фон Неймана, самого Винера и других исследователей, публиковались с 1943 года.57

Кратко обозначим контекст появления кибернетики.

После окончания Второй мировой войны в глазах общественности механическая парадигма оказалась чрезвычайно скомпрометированной.

Всем стало ясно, что от представлений о государствах-машинах, людях-машинах и прочих спекуляций в духе «социальных механизмов» надо отказываться.

Такие взгляды практически всюду были признаны доктринами, мягко говоря, неточно описывающими реальность.

На научном поприще механическая парадигма была плавно вытеснена цифровой парадигмой ещё раньше: фактически к началу 1930х гг.

В физике, к тому же, состоялось рождение группы ещё более сложных концепций, главной из которых стала квантовая механика.

Таким образом, все три крупных научных парадигмы, созданных людьми, в определённый момент времени сосуществовали как равноправные мейнстримные доктрины. Это сформировало уникальную атмосферу интересных научных дискуссий, в которые мы сейчас вникать не станем.

Физики одновременно радовались новым концепциям и не очень понимали, как их применять. Достаточно упомянуть, что великий Эйнштейн, создав теорию относительности, сбросил с пьедестала научного мейнстрима одну парадигму (механическую); используя понятие «квант» для объяснения фотоэффекта, утвердил другую парадигму (цифровую); активно критикуя исходную версию квантовой теории, в частности, соорудив с коллегами-физиками т.н. «парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена», крайне подозрительно относился к третьей, новорождённой, парадигме (квантовой).

В биологии уже вовсю заправляли генетики. Славили Дарвина, Менделя.

Однако дискретные факторы наследственности, «гены», до поры до времени оставались гипотетическими объектами. Некоторые учёные, в связи с этим, даже склонялись в пользу более ранней теории биологической эволюции, ламаркизму.

После 1944 года все сомнения в правильности генной концепции исчезли: биологи Освальд Эвери, Колин Маклауд и Маклин Маккарти обнаружили молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Наконец, огромное значение для утверждения цифровой парадигмы имела практическая реализация математических идей Алана Тьюринга. Конструкторы взялись за сооружение первых цифровых компьютеров.

В 1941 году Конрад Цузе создал электромеханический вычислитель, а в конце 1945 года группа инженеров под руководством Джона Эккерта-мл. и Джона Моучли – уже в полном смысле электронное цифровое устройство, «ENIAC». 22

Дошла очередь и до живого мозга.

Отцами вычислительной модели следует считать математиков Джона фон Неймана и Норберта Винера.

Хотя без помощи специалистов (учёных-нейрофизиологов и даже просто врачей) не обошлось, основной вклад в модель «мозг-компьютер» принадлежит, конечно, им.

Об сложной коллаборации биологов и математиков свидетельствовал сам Винер.

В «Кибернетике» он рассказал о совещании, проходившем в начале 1944 года в знаменитом Принстонском Институте Перспективных Исследований, где «физиологи сделали совместное изложение задач кибернетики с их точки зрения, аналогичным образом конструкторы вычислительных машин изложили свои цели и методы». Среди «конструкторов вычислительных машин», т.е. математиков, Винер упоминал себя и Джона фон Неймана.4

Джон фон Нейман – крупнейший учёный XX века.

Он оставил значительный след в физике: ему принадлежит строгая формулировка принципа неопределённости – базового тезиса квантовой теории.

Как активный участник Манхэттенского проекта, внёс существенный вклад в развитие атомной физики. Ставшей обширным полем научно-прикладной проработки идеи вычисляемой дискретности.

В дискуссии об основаниях математики фон Нейман принадлежал к лагерю «формалистов»: в ряде работ пытался обосновать точку зрения Гильберта о существовании абсолютных аксиом. Однако после фундаментальных результатов, полученных Гёделем и Тьюрингом, этот спор потерял смысл, и учёный быстро переключился на решение прикладных задач в теории алгоритмов.

Заслуживает упоминания книга Джона фон Неймана (в соавторстве с экономистом Оскаром Моргенштерном) «Теория игр и экономическое поведение» (1944 год), где впервые экономический успех рассматривался как результат применения алгоритма.49

А также – его совместные с математиком Станиславом Уламом (тоже участником Манхэттенского проекта) усилия по развитию интересной математической идеи, т.н. «клеточного автомата». Который, по сути, представлял собой двухмерный вариант машины Тьюринга.

Разумеется, нельзя пройти мимо того факта, что Джон фон Нейман имел самое прямое отношение к созданию компьютеров (которые изначально проектировались в качестве вспомогательных средств для сложных расчётов, требовавшихся при разработке атомного оружия).

Он внёс ряд конструктивных предложений на финальном этапе сборки «ENIAC». В содружестве с двумя другими математиками, Артуром Бёрксом и Германом Голдстайном, в 1946 году сформулировал общие принципы машинной организации (т.н. «архитектура фон Неймана», применяемая сегодня в большинстве современных компьютеров).

Среди прочего, данный тип организации постулирует использование исключительно двоичной системы исчисления и «внутренней памяти» в компьютере (т.е. и команды, и данные хранятся на одних и тех же элементах).31

То было существенным теоретическим шагом вперёд – ведь электронный цифровой компьютер вычислял в десятичной системе, а полученные данные сохранялись в виде выводимых перфолент.

Ключевая работа фон Неймана по интересующей нас теме – «Компьютер и мозг».

Где впервые, насколько можно судить, представлена научно обоснованная аналогия между вычислительным устройством и разумом.

Публикация состоялась в 1958 году, после смерти математика, но содержит материалы лекций, прочитанных им десятилетием ранее.

Наиболее важные авторские тезисы таковы:

– Бинарный язык искусственного автомата соотносится с особенностями работы нейрона, где состояние возбуждения условно может быть обозначено как «1», а состояние покоя – как «0».

– Деятельность нейрона по генерации нервного импульса (возбуждающего/тормозного) сравнима с работой переключателя-транзистора в компьютере.

– На уровне взаимодействия нейронов осуществляются базовые операции бинарной логики (вычитание, умножение, сложение), которые соответствуют командам по управлению логическими элементами в компьютере («не», «и», «или»); эти операции составляют всю необходимую базу мышления.

– В нервной системе в целом можно выделить «цифровую» и «аналоговую» составляющую. Первая представлена возбуждающими и тормозными импульсами нейронов. Вторая – выделением железистого секрета или сокращением мышц вследствие этих импульсов. При этом «цифровое» и «аналоговое» в мозге нередко перемешивается и работает параллельно.

Книга вводила систему новых образов: «искусственный автомат» – компьютер, «природный автомат» – мозг.

А также оперировала характерной терминологией: «базовый компонент системы», нервная клетка, описывалась фон Нейманом как «цифровая машина» (англ. digital machine).

Любопытно, что в обсуждаемой работе математик произвёл приблизительную оценку человеческой памяти.

По фон Нейману, ёмкость хранилища данных современных ему компьютеров составляла от 105 до 106 битов (до 125 килобайт или всего ⅛ мегабайта). А объём человеческой памяти получился у него равным около 2,8·1020 битов (35 миллионов терабайт).

Между прочим, эта оценка примерно в 35 миллиардов раз оптимистичнее, нежели та, что встречается в работах современных исследователей.

Кроме того, Джон фон Нейман попытался придать проводимой им аналогии между мозгом и компьютером более широкий контекст.

Кому, как не ему, была очевидна огромная мощь объяснительной силы идеи вычисляемой дискретности. Он, к примеру, трактовал гены как «цифровой компонент» всякой живой системы.50

Однако, сколь бы ни была революционна работа «Компьютер и мозг», «Кибернетика» её перещеголяла.

Первое, что необходимо отметить в известной книге Винера – это конструктивная критика мейнстримного представления о разуме.

Математик предложил рассматривать мозг не как изолированную систему и, тем более, не как пассивную часть среды. Которая, по мысли теоретиков машинного мозга, годится лишь на то, чтобы принимать входящие сигналы и как-то их отражать в психике.

Вместо того Винер описал круговую схему «мозг-среда», где оба компонента равноправны. В таком толковании важны обратные связи (термин был взят из техники, о чём автор добросовестно сообщил).

При этом Винер оговаривался, что эти связи сложны: они могут реализовываться как рефлексы (быстро, по нервным волокнам с миелиновой оболочкой) и через гомеостаз (медленно, по немиелинизированным путям). (Сравните это с выделенными фон Нейманом «цифровой» и «аналоговой» частями нервной системы.)

Винер обратил внимание на факт, ставший через некоторое время общим местом. О том, что тезис «один центр – одна функция», долгое время рассматриваемый поклонниками механической модели как аксиома, не соответствует действительности.

Поэтому, например, он категорически отвергал лоботомию как способ устранения локальной поломки мозга. Напомним, что идёт 1948 год – медицинский мейнстрим продолжал верить в мозг-машину и готовился вручить Нобелевскую премию изобретателю лоботомии (см. главу 3).

Наконец, для наилучшего объяснения разума математик всячески подчёркивал значение информации (подробнее об общности взглядов Норберта Винера и Клода Шеннона, создателя классической теории информации, см. в главе 6).

В рефлекторной теории Сеченова-Павлова информации отводилась второстепенная роль сложного, но, по своему происхождению, средового сигнала. По Винеру, информация в мозге не является банальной задержкой реализации рефлекса.

Математик писал: «Механический мозг не выделяет мысль, „как печень выделяет желчь“, что утверждали прежние материалисты, и не выделяет её в виде энергии, подобно мышцам. Информация есть информация, а не материя и не энергия. Тот материализм, который не признает этого, не может быть жизнеспособным в настоящее время».

Второе общее замечание касается содержательной части работы Винера. Эта часть противоречива.

С одной стороны, Норберт Винер воспроизвёл некоторые детали трёхмерной модели. Причём в его описании рефлекторная теория и классический психоанализ причудливо переплелись.

Математик ввёл понятие «аффективный тонус»: это вид обратной связи в биологических системах для усиления или ослабления условного рефлекса. Смысл тут такой, что, например, усвоение знаний во время обучения происходит эффективнее, если у обучающегося хорошее настроение, и хуже, если настроение плохое.

В другом месте автор похвалил динамическую психотерапию как раз за то, что, по его мнению, через работу с воспоминаниями этот метод ослабляет «аффективный тонус»: разрывает порочный круг невротического расстройства. Правда, почему невроз обязательно представляет собой патологический рефлекс, Винер не объяснил.

С другой стороны, математик убедительно показал, почему мозг – это компьютер.

В «Кибернетике» подробно разъяснена бинарная логика, нейроны описаны как переключатели; представлены и другие тезисы, о которых мы рассказали в обзоре книги «Компьютер и мозг» фон Неймана. Текст пестрит ссылками на коллегу – не только в связи с памятным совещанием 1944 года, но и в контексте концепции клеточного автомата (Винер называл подобные гипотетические устройства «самораспространяющимися машинами»).

Кроме того, отдаётся дань уважения великому предшественнику: «Если бы мне пришлось выбирать в анналах истории наук святого – покровителя кибернетики, то я выбрал бы Лейбница».

Примечательно то, как Винер трактовал память.

Механизм памяти в «нервной вычислительной машине» он связывал с изменением проницаемости синапсов и выделил два её вида. «Циркулирующие записи» необходимы для решения текущих задач (современная компьютерная аналогия: «оперативная память»). «Постоянные записи» обеспечиваются большим массивом нейронов (условно: «память жёсткого диска»).

Не будет преувеличением сказать, что именно Винер подал идею классификации нашей памяти на кратковременную и долговременную. Подобное разделение впервые появляется в работах психологов и нейрофизиологов только в 1950х гг.

Было бы неправдой изображать Норберта Винера оголтелым сторонником полного и безусловного отождествления живого мозга и компьютера.

Винер не дожил до эпизода сериала «Доктор Кто», где появляются Киберлюди. Но вряд ли был бы от него в восторге.

В «Кибернетике» математик всячески подчёркивал необходимость взвешенного подхода в таком сложном вопросе, как объяснение мозга.

Часто ссылаясь на физиолога и врача-кардиолога Артуро Розенблюта, свободно оперировал медицинскими фактами и отмечал, что «мозг при нормальных условиях не является полным подобием вычислительной машины».

В то же время, по мнению Винера, мозг преимущественно вычисляет. Причём вычисляет именно как компьютер.

Учёный прогнозировал постройку «искусственных машин почти со сколь угодно сложным поведением», которые будут управляться аналогом нашей центральной нервной системы – некой «сверхбыстрой вычислительной машиной».

И выражал по этому поводу опасения, увы, хорошо знакомые современному обывателю: «Ещё задолго до Нагасаки и до того, как общественности стало известно о существовании атомной бомбы, мне пришла мысль, что мы стоим перед лицом другой социальной силы, несущей неслыханные возможности для добра и для зла». 4

Так что, среди прочего, Норберта Винера можно считать ещё и зачинателем современного мифа о Великом и Могучем ИИ.

Впрочем, в «Кибернетике» и других работах Винера, где он рассматривал проблему устройства мозга, были по-настоящему ценные догадки.

Так, математик Стивен Строгац написал замечательную книгу, в которой подробно рассмотрел идею Винера о том, что ансамбли нейронов в головном мозге можно представить как популяции осцилляторов, управляющих, по крайней мере, некоторыми биологическими ритмами.

В общем, по мнению Строгаца, эта гипотеза подтвердилась, но не в отношении альфа-ритма (как предполагал автор «Кибернетики»), а для гораздо меньшего частотного диапазона.60

Таким образом, следуя идеям Винера, удалось прояснить механизм синхронизации мозга и внешней среды.

Резюмируем вычислительную модель разума в интерпретации фон Неймана-Винера (см. табл. 7):

– Мозг человека – природный (автоматический) вычислитель.

– Элементом мозга является нейрон, который работает как переключатель цифрового сигнала.

– Интеллект функционирует на базе бинарной логики, а память – как создание/извлечение записей данных.

– Главное назначение мозга – вычисление с целью поддержания равновесия в системе «мозг-среда». Гомеостатическая регуляция достигается, в том числе, при помощи обратных связей.

Со второй половины XX века у наиболее проработанных научных теорий об устройстве и работе мозга, концепции Сеченова-Павлова и учения Фрейда, появился серьёзное конкурирующее объяснение – кибернетика.

В борьбе за умы людей она была обречена на победу.

Не баг, а фича

Когда программисты или геймеры сталкиваются с некорректной работой компьютерной программы, способны отследить ошибку – вплоть до исходного кода – и устранить её так, чтобы всё снова заработало, как надо, говорят: «Это был баг».

Однако существуют такие ошибки программного кода, которые хоть и не прерывают работу системы, но накладывают на неё некий неповторимый отпечаток, вынуждающий функционировать её с постоянными сбоями.

В таком случае нет какой-то одной, конкретной, причины, и проще удалить программу целиком, чем пытаться что-то исправить. Тогда об ошибке говорят: «Это не баг, а фича».

Несомненно, что создатели кибернетики не были настолько узколобыми и тщеславными специалистами, что верили в исключительную непогрешимость своей концепции.

Но была ли кибернетика и, в частности, вычислительная модель мозга теорией, способной со временем, после устранения всех «багов», превратиться из демоверсии в самое полное и точное объяснение разума? Или в ней изначально содержалась принципиально неустранимая «фича»?

Попытаемся в этом разобраться.

Первым делом исследуем, каким образом в 1960—70х гг., когда кибернетика стала уже достоянием фольклора, люди отвечали на главные вопросы – как менялась наука и повседневная жизнь.

Мы увидим, что вопрос о мироздании и вопрос о природе бытия окончательно перешёл в компетенцию физики. Объяснение микро- и макромира стало мыслиться как общая научная проблема.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.