Biologický neuron a neuronové sítě

Červenec 9, 2009

Biologický neuron a neuronové sítě

Původním cílem výzkumu neuronových sítí byla snaha pochopit a modelovat, jakým způsobem myslíme a jak funguje lidský mozek. Neurofyziologické poznatky umožnily vytvořit zjednodušené matematické modely, které se dají využít pro neurovýpočty při řešení praktických úloh z umělé inteligence. To znamená, že neurofyziologie zde slouží jen jako zdroj inspirací a navržené modely neuronových sítí jsou již dále rozvíjeny bez ohledu na to, zda modelují lidský mozek. Přesto, je-li to užitečné, lze se k této analogii vracet pro nové inspirace nebo je možné ji využít při popisu vlastností matematického modelu.

Nervová soustava člověka zprostředkuje vztahy mezi vnějším prostředím a organismem, i mezi jeho částmi, a zajišťuje tak příslušnou reakci na vnější podněty i na vnitřní stavy organismu. Tento proces probíhá šířením vzruchů z jednotlivých čidel – receptorů – které umožňují přijímat mechanické, tepelné, chemické a světelné podněty, směrem k jiným nervovým buňkám, které tyto signály zpracovávají a přivádí k příslušným výkonným orgánům – efektorům.

neuronb

Základním stavebním funkčním prvkem nervové soustavy je nervová buňka – neuron. Neurony jsou specializované samostatné buňky určené k přenosu, zpracování a uchování informací nutných pro realizaci životních funkcí organismu. Neuron je přizpůsoben pro přenos signálů tak, že kromě vlastního těla – somatu – má i vstupní a výstupní přenosové kanály – dendridy a axon. K přenosu informace pak slouží unikátní mezineuronové rozhraní – chemická synapse. Soubory těchto neuronů a jejich vzájemných elektrochemických vazeb tvoří složité sítě, které jsou vzorem právě pro matematické modely neuronových sítí v počítačích a při výzkumu umělé inteligence.


Kosmologie – Ilya Prigogine

Květen 6, 2009

Kosmologie – Ilya Prigogine

Termodynamika a klasická dynamika jsou samozřejmě součástí klasické fyziky. Je zajímavé, že jsou to právě tyto části fyziky, o nichž se přepokládalo, že jsou konečné a neměnné, které jsou dnes příčinou vskutku revolučních změn ve vědě. Můžeme předpokládat, že změny ve fyzice předznamenávají hlubinné změny v mnoha jiných oblastech. Nejdramatičtěji se role času projevuje v oblasti kosmologie. Moderní kosmologie je vlastně produkt Einsteinovy teorie relativity. První model Einsteinova vesmíru byl ještě stabilní, čas v něm nehrál žádnou roli. Teprve později (Friedmanovy) teorie prokázaly, že Einsteinovy rovnice jsou nestálé, a v roce 1929 bylo zjištěno, že vesmír se vzhledem k nám rozpíná. Statický vesmír tedy nemůže existovat. Tenkrát to lidi příliš nevzrušovalo, říkali, že to je čistě geometrický problém. Jenže potom přišel jeden z největších objevů tohoto století: zbytková radiace. Zjistilo se, že vesmír je plný fotonů, které jsou tu od počátku. Jinak řečeno, vesmír je plný entropie.

“Je velmi podivný, ten náš vesmír. Jakoby velmi řídce plavaly sem tam nějaké částice v moři fotonů. My je nevidíme, protože už “vychladly”, ale kdysi obsahovaly prakticky veškerou energii. To tedy znamená, že se musíme vážně zabývat evoluční teorií vesmíru, a že evoluce vesmíru není evolucí popsatelnou termodynamickými zákony. Podle nich totiž entropie narůstá: začali jsme nízkou entropií a ta roste. Jenže teď víme, že 99%, a možná víc, tu bylo na začátku. Tepelná smrt je za námi, a ne před námi.”

Vesmír tedy vznikl nesmírnou entropickou explozí a započal nesmírný nezvratný evoluční proces. Ještě jinak řečeno – vesmír byl započat vystřelením šípu času. Čas a vesmír začaly zároveň.  Stephen Hawking publikoval velmi zajímavou knihu Stručné dějiny času, ve které operuje tím, že černé díry nejsou až tak docela “černé”, že emitují radiaci. Pomáhá si termínem kvantové vakuum – tvrdí tedy že prázdnota je jen zdánlivá, že obsahuje páry částic a antičástic, které neustále zároveň vznikají a anihilací zanikají. Tyto částice mohou nějak reagovat s černými dírami a to způsobuje radiaci. Domyslíme-li tyto koncepty dále, dojdeme až k představě jednoduchého mechanismu stvoření vesmíru, která zahrnuje koncepci šípu času na samém počátku, a ve kterém se časoprostor mění v hmotu. 

Newtonovská fyzika říká, že časoprostor a hmota jsou odděleny. Časoprostor je podle ní jakýsi rezervoár, ve kterém pluje hmota. Ve vesmíru podle Einsteina to tiká podle proslavené rovnice – na jedné straně tu máme geometrii světa (popisující čas a prostor), na druhé straně hmotu. Co je nového, je to, že tady jsou čas a prostor s hmotou spojeni, vytvářejí jakousi jednotku. Protože víme, že vesmír není jen komplexní systém, ve kterém bychom rádi nalezli nějakou harmonii, pro který bychom měli rádi nějakou vše sjednocující teorii, ale je také vyvíjejícím se systémem. A o tom máme geologické, lidské, kulturní, kosmické a jiné důkazy. Mohli bychom předpokládat, že časoprostor může vyprodukovat hmotu, ale hmota nemůže vyprodukovat časoprostor.

“Mechanismus vzniku vesmíru by mohl být velmi jednoduchý. Na počátku nebylo nic, protože z ničeho nemůže vniknout něco, ale vakuum, ve kterém se shlukují, sem tam, zárodečné částice. Nějak se dostanou k sobě a vytvoří černou díru. Jakmile existuje černá díra, částice se stanou stabilní a černá díra funguje jako membrána: brání částicím ve fluktuaci. Jedinou možností emise je radiace, a dojde-li k ní, emituje hmotu.”

V tomto modelu prvních chvil našeho vesmíru by existovaly: kvantový prostoročas (nebo kvantové vakuum), vytvářející černou díru, která se mění v hmotu. Zní to podivně, ale výpočty souhlasí. Tento proces je ale nezvratný, a to nejdůležitější, co z toho plyne, je zjištění, že místo aby vesmír vznikl ze singularity, vznikl z nestability. Na jakési prvotní úrovni světa, okolo sebe, v přírodě, v plynech, ve vodě, v atomech existují simultánní procesy, které produkují zároveň baryony (nezbytné pro vznik hmoty, galaxií a života) a fotony (které jsou hlavním odpadem vesmíru). Nezvratnost v podobě šípu času je tu od samého začátku. Dokonce jsem v pokušení tvrdit, že čas tu byl už dříve: musel tu být, ale nebyl manifestován.


Řád z chaosu – Ilya Prigogine

Únor 28, 2009

Řád z chaosu – Ilya Prigogine

Jednou z nejrozvinutějších schopností současné západní civilizace je umění pitvat, schopnost dělit problémy do co nejmenších částí. V tom jsme dobří. Umíme to tak dobře, že často zapomeneme tyto části složit opět dohromady. Tato schopnost pitvat je asi nejvíce ceněna v oblasti vědy. Problémy zde nejen rutinně rozebíráme na části, které pak ještě dále dělíme, ale každou z nich často ještě šikovně oddělujeme od jejího okolí. Říkáme tomu ceteris paribus – za jiných okolností stejné. Nedbáme na složité vzájemné působení našeho problému se zbytkem vesmíru. Ilya Prigogine, který získal za své práce o termodynamice nerovnovážných systémů v roce 1977 Nobelovu cenu, se však s pouhým “pitváním” problémů nespokojil a významnou část svého života zasvětil “zpětnému skládání částí dohromady”. Částmi jsou v tomto případě biologie a fyzika, nezbytnost a příležitost, věda a lidskost. Zasloužil se asi o nejúplnější popis systémů vzdálených od rovnováhy, zabýval se zkoumáním disipativních jevů, kde z chaosu vzniká řád a novému pojetí pojmu entropie. Poukázal na to že se stejnou četností s jakou se vyskytují v přírodě klasické vratné dynamické systémy, jsou zastoupeny i systémy nevratné, které se projevují četnými bifurkacemi a nerovnovážnými stavy.

Obnovení přírody

Je nanejvýš pozoruhodné, že se nacházíme v okamžiku, kdy dochází jak k hluboké změně vědeckého pojetí přírody, tak i struktury lidské společnosti jako důsledku populační exploze. Objevuje se potřeba nových vztahů člověka s přírodou a člověka s člověkem. Nadále již nelze přijímat minulé apriorní rozlišování vědeckých a morálních hodnot. Toto rozlišování bylo možné v době, kdy vnější a náš vnitřní svět stály ostře proti sobě. Dnes víme, že čas je výtvor, a proto s sebou nese i morální zodpovědnost.

Myšlenky nevratnosti a fluktuací moderní termodynamiky a dynamiky nerovnovážných systémů, pronikají do společenských věd. Nyní víme, že společnosti jsou nesmírně složitými systémy obsahujícími dosud neprojevený ohromný počet bifurkací, jejichž příkladem je rozmanitost kultur, které se vyvinuly v relativně krátkém časovém období lidské historie. Víme, že takové systémy jsou na fluktuace vysoce citlivé. To vyvolává jak naději, tak hrozbu. Naději, která souvisí s tím, že i malé fluktuace mohou růst a změnit celou strukturu. V důsledku toho není jednotlivá činnost odsouzena k bezvýznamnosti. Na druhé straně je to i hrozba, neboť se zdá, že jistota stabilních, trvalých zákonů v našem světě navždy pominula. Žijeme v nebezpečném a nejistém světě, který nevzbuzuje žádnou slepou důvěru, ale snad jen stejný pocit oprávněné naděje, kterou některé talmudické texty připisovaly Bohu z Genesis:

“Dvacet šest pokusů předcházelo stvoření a všechny byly odsouzeny ke zkáze. Svět člověka povstal ze změtených útrob dřívější hlušiny. I on je vystaven nebezpečí selhání a obrácení vniveč. Doufám, že se postaví (Halvaj Šejamod), zvolal Bůh, když tvořil svět, a tato naděje, která doprovázela celé následující dějiny světa a lidstva, zdůrazňovala již od počátku, že tyto dějiny jsou poznamenány stopami obrovské nejistoty.”


Turbulentní jevy

Leden 30, 2009

Turbulentní jevy

Snad nejznámějším, dlouhodobě řešení odolávajícím problémem klasické fyziky je problém turbulence. Konečnému řešení odolává již celé století, přečkal vznik relativity i kvantové fyziky. Konstruujeme modely celého vesmíru a nahlížíme do neviditelného světa subnukleárních částic, jev turbulence dostatečně uspokojivě popsat však stále ještě nedokážeme.

K zádumčivému zamyšlení přivádí nejen velkolepá scenérie bizarní tříště mořského příboje v bouři na skalnatém pobřeží, ale i skromný bublající tok horského potoka, skákajícího mezi balvany, ba i obyčejný proud vody vytékající z vodovodního kohoutku do vany, v níž se právě koupeme.

Zdá se však, že jsme v řešení úlohy přece jen významně pokročili. Hydrodynamický systém turbulentního proudění je popsán soustavou parciálních diferenciálních rovnic a z hlediska mechaniky kontinua má tedy nekonečně mnoho stupňů volnosti. Experiment i teorie však nasvědčují tomu, že v turbulenci (alespoň při tzv. málo rozvinuté turbulenci) se uplatňuje jakýsi nízkodimenzionální disipativní dynamický systém s chaotickým atraktorem.

Odhad fraktální dimenze tohoto atraktoru, provedený počítačovým vyhodnocením experimentálních dat, by pomohl stanovit, kolik asi stupňů volnosti se opravdu efektivně uplatňuje, a kolik proměnných tedy musí obsáhnout model, který by turbulenci umožnil uspokojivě popsat.


Kvantová mechanika

Září 15, 2008

Kvantová mechanika

Několik základních rozdílů, v čem se liší zákony kvantové mechaniky (mikrosvěta) od zákonů našeho konvenčního světa (makrosvěta):

  1. Diskrétní hladiny některých dynamických proměnných (například energie, moment hybnosti …) – v dané situaci můžeme naměřit jen určité hodnoty u sledované veličiny a  žádné jiné. V makrosvětě jsou narozdíl od mikrosvěta měřené hodnoty spojité.
  2. Dualismus vln a částic – objekty mikrosvěta se mohou chovat jako vlny i jako částice.
  3. Nekomutativnost aktu měření – při měření hodnot dvou dynamických proměnných (například polohy a rychlosti) může výsledek záležet na pořadí provedení měření. Akt měření totiž ovlivňuje stav systému, po měření se systém obecně  nachází v jiném stavu než před měřením.
  4. Relace neurčitosti – zvýšení přesnosti měření jedné dynamické proměnné v některých případech sníží přesnost měření jiné dynamické proměnné. Tato měření se navzájem ovlivňují a jsou nekomutativní.
  5. Nedeterminismus kvantové teorie – dva experimenty připravené za stejných podmínek mohou dopadnout různě. Při provedení mnoha pokusů zjistíme, že výsledky mají pravděpodobnostní charakter. Jsme tedy schopni předpovědět jen s jakou pravděpodobností naměříme ten či onen možný jev, nikoliv který jev konkrétně nastane.

Neuronové sítě

Srpen 23, 2008

Neuronové sítě

V technickém slova smyslu si lze neuronovou síť představit složenou z několika navzájem propojených vrstev, přičemž každá vrstva se skládá z jiného počtu funkčních buněk – neuronů. Vlastní funkcí takové sítě je v podstatě transformace, která přiřazuje určité vstupní hodnotě hodnotu výstupní. U sítí s více vrstvami, převážně platí pravidlo, že první vrstva je větvící, což znamená, že jednotlivé neurony ve vstupní vrstvě pouze distribuují tyto vstupní hodnoty do dalších vrstev. Počet neuronů v jednotlivých vrstvách a počet vrstev je variabilní a vytváří tak složitost této sítě, která se poté může zabývat mnohem složitějšími výpočty.

Neuronové sítě mají schopnost se učit, což spočívá právě v možnosti měnit všechny váhy v síti podle vhodných algoritmů na rozdíl od sítí biologických, kde je schopnost se učit založena na tvorbě nových spojů mezi neurony. Fyzicky jsou sice tyto schopnosti se učit rozdílné, ale z hlediska logiky nikoliv.

Nově vytvořená neuronová síť neumí rozeznávat, proto se musí pro další použití naučit pomocí speciálních algoritmů, které se většinou dělí na aktivační (vybavovací) a adaptační (učící). K naučení sítě je potřeba takzvané trénovací množiny, což je skupina vektorů, obsahujících informace o daném problému pro učení.

Neuronové sítě jsou velice sofistikované algoritmy, které se inspirují ve skutečných biologických sítích v přírodě, a používají se převážně na velmi složité vyvíjející se výpočty, pro kryptování dat a různé analýzy. Jejich největší předností je, že obsahují evoluční algoritmy, které jsou schopné se učit a tím dosahovat reálnějších výsledků a učit se z předchozích chyb, proto bývají používány i pro modelování a simulování umělé inteligence.


Neuronální (neurální) počítače

Červenec 22, 2008

Neuronální (neurální) počítače

Již delší dobu moderní věda přemýšlí nad myšlenkou neurálního rozhraní, které by bylo schopné propojit biologické tkáně či jejich části s počítačovými čipy. Například v posledních desítkách let se stává skutečností takzvaná bionika, která nahrazuje některé funkční tělesné části umělými a elektronikou řízenými částmi, jako je například umělá oční čočka napojená na oční nerv či sluchové implantáty pro neslyšící nebo třeba umělé elektronikou řízené paže napojené na nervy chybějící ruky. Ovšem budoucí myšlenka neuronálních rozhraní spočívá v přímém propojení lidských nervových vláken či “obvodů” s křemíkovou bází moderních počítačových čipů. Po mnoha pokusech konečně sny britského vědce K.Warvicka o splynutí lidského biologického základu s technikou nyní dostávají reálnější obrysy. V institutu Maxe Plancka totiž vyvinuli první zárodek neuronálního rozhraní, které je v podstatě speciální křemíkový čip, který je schopen komunikace s mnoha mozkovými buňkami savců.

Vědecký tým dokázal navrhnout a vytvořit experimentální čip o ploše 1 čtverečního milimetru, který obsahuje zhruba 20000 speciálních tranzistorů a stovky kondenzátorů, které jsou uzpůsobeny právě pro komunikaci s elektrochemií jednotlivých buněk. Tranzistory, obklopené nervovými buňkami, dokáží přijímat signály od těchto buněk a kondenzátory poté jednotlivé signály těmto buňkám zpětně vysílat. Čip při těchto pokusech byl napojen přímo na mozek krysy. Zhruba před patnácti lety se podařilo propojit nervové buňky pijavice s křemíkovým čipem. Před pěti lety to byly buňky šneka. Vědci tvrdí, že úspěch u krysy je skokem kupředu, protože její nervové buňky jsou mnohem menší než nervové buňky šneka nebo pijavice a tudíž i napojení je mnohem složitější. A jelikož se mozkové buňky krysy a člověka neliší neměl by v propojení těchto lidských buněk být nějaký výraznější problém.

Otázkou zůstává, proč vůbec takováto rozhraní vytvářet a co do budoucna vůbec slibují. Prvotní myšlenka už vychází ze samotné bioniky a to v podobě a zdokonalení pomoci postiženým lidem či zvířatům zpřístupnit a zdokonalit různé tělesné náhrady, například bionická ruka s lepším rozlišením a citlivostí či přesnější napojení na oční či sluchový nerv. Další myšlenkou jsou již zmiňované neuronální počítače, které by byly schopné nahradit části počítačů biologickými čipy v podobě pamětí a různých jiných rozhraní využívajících analogické procesy v buňkách. Protože moderní věda již naráží na problémy s digitálním zpracováním, a to co se týče rychlosti, tak i počtu zpracovávaných vláken jednotlivých úkonů. Zde by měla mít právě analogická funkce buněk v mnohém navch nad diskrétní funkcí moderních digitálních binárních výpočtů. Dnes již existují i jiné myšlenky a pokusy, například kvantová metoda a případné kvantové počítače. Je sice pravda, že již lze realizovat jednoduché kvantové výpočty, ale ucelená aplikace je zatím v nedohlednu. S neurálním počítačem je to sice táké ještě značný problém a naráží se zde na různé technické i etické otázky, ale aplikace se jeví mnohem jednodušší nežli třeba právě kvantové technologie.

A nakonec je potřeba ještě zmínit další náhled na tuto tématiku a tou jsou neuronální sítě či výpočty. Jsou to víceméně simulátory neuronových dějů napsané jako programy v počítačích, které se inspirují právě fungováním skutečných neuronových sítí v mozku, nebo alespoň tím co o nich zatím víme. Jsou schopny zpracovávat velké množství dat najednou a používají mnohé nové metody zpracovávání těchto dat včetně vyhledávání a nebo náhodných generování. Známé je i neurální zpracování zvuku v syntezátorech. Všechny tyto nové metody jsou založeny na stejném principu, jako reálné neuronové sítě, a to především na zpětných vazbách a  vzájemném řetězení, kdy každý uzel je propojen se všemi ostatními uzly a to včetně sama se sebou. Podobně jako třeba různé moderní fraktální a genetické algoritmy jsou i neurální či neuronové sítě inspirovány fungováním procesů v živé přírodě.


Fyzika a inteligentní organismy

Duben 17, 2008

Fyzika a inteligentní organismy – John C. Collins

Někdy se tvrdí, že na základě Gödelovy věty o neúplnosti a souvisejících matematických výsledků nemůže skutečná umělá inteligence existovat. Roger Penrose na základě existence lidské inteligence vyvozuje, že fyzikální teorie vyžadují fundamentální změny. John C. Collins se snaží dokázat, že tyto úvahy jsou chybné. Je možná umělá inteligence? Jsou současné fyzikální teorie dostatečné pro redukcionistické vysvětlení vědomí? Roger Penrose ve svých pracích pomocí silných matematických argumentů odpovídá na obě otázky záporně. Pro fyziku je Penroseův závěr skutečným úderem. Penrose tvrdí, že pochopení lidského mozku bude vyžadovat velké změny v současných mikroskopických fyzikálních teoriích (v kvantové mechanice obecně a v kvantové teorii gravitace speciálně). To je ovšem v rozporu s naší běžnou vědeckou zkušeností. Obrovský pokrok teorie elementárních částic a molekulární biologie během posledních třiceti let neměl žádný přímý vliv ani na kvantovou mechaniku ani na kvantovou teorii gravitace. Nyní významný teoretický fyzik tvrdí, že by se fyzikové měli soustředit spíše na neurony než na výkonné urychlovače elementárních částic, aby bylo dosaženo pokroku fyziky. Lze mu věřit? Autor článku předkládá elementární argument, který dokazuje, že Penroseův způsob uvažování je chybný. 

1. Penroseův argument

Roger Penrose ukazuje, že současné mikroskopické fyzikální teorie jsou vypočitatelné, a že jsou základem všech chemických a biologických jevů. Z toho vyplývá, že všechny vlastnosti biologických organismů lze simulovat počítačovým programem. Samozřejmě takový počítačový program bude obtížné implementovat, ale tato skutečnost nijak neovlivňuje Penroseovy úvahy. Mezi biologickými organismy se vyskytují matematikové, takže zmíněný počítačový program bude obsahovat “umělé matematiky”, kteří budou svými schopnostmi plně odpovídat živým matematikům. To je ale v rozporu s Turingovým problémem zastavení počítačového programu, podle něhož nelze rozhodnout ani ověřit, zda se počítač při zpracování určitého programu někdy zastaví. Podle tohoto problému musí být umělý matematik méně schopnější něž lidský matematik.
 

Na základě tohoto rozporu Roger Penrose dochází k závěru, že je nutné vyvinout lepší fyzikální teorie, které musí být na rozdíl od současných fyzikálních teorií nevypočitatelné. Současně s tím Penrose bourá jakékoliv naděje na vývoj skutečné umělé inteligence. Tento argument samozřejmě vyvolal rozsáhlou debatu. Kritici poukazují na skutečnost, že reálné počítačové programy mají bohatší chování, než výpočty Turingova počítače. Turingův problém zastavení počítačového programu se týká neinteraktivních počítačových programů, zatímco lidské bytosti se často chovají obdobně jako interaktivní programy. Přesto Penroseovy argumenty tímto nejsou vyvráceny. Například inteligentní počítač potřebuje výcvik v určitém prostředí, které lze simulovat dalším počítačem. Příkladem je řídící počítač letadla, který je vycvičen leteckým simulátorem. Roger Penrose proto tvrdí, že každý interaktivní program lze odvodit z neinteraktivního programu, který nebude záviset na opakované interakci s živou bytostí nebo s prostředím. Autor článku tvrdí, že tento argument lze vyvrátit. Neinteraktivní program, který by přesně splňoval předpoklady Turingova problému, nepochybně ztratí některé schopnosti domnělého inteligentního interaktivního programu. 

2. Turingův problém zastavení programu

Alan Turing ve své práci z roku 1936 přišel s myšlenkou obecně použitelného nebo univerzálního počítače, stroje tak pružného, že může provést libovolný možný strojový výpočet. Přesto takový počítač má v principu své omezení. Tímto omezením je otázka, zda se počítač při zpracování programu zastaví nebo nezastaví. Pokud uvažujeme určitý omezený čas, je problém jednoduchý. Pokud chceme zjistit, zda se počítač zastaví třeba za rok, spustíme jej a počkáme rok. Turing ukázal, že problém nastává, pokud žádné časové omezení neexistuje. Tento problém souvisí s čistou matematikou.

Problém zastavení programu tvrdí, že nelze rozhodnout ani ověřit, zda se počítač při zpracování programu někdy zastaví. Tento problém není algoritmicky řešitelný. Nelze sestavit počítač, který by ověřil, zda se jiný počítač někdy zastaví. V žádném axiomatickém formálním systému nelze rozhodnout, zda se určitý program zastaví nebo nezastaví. V principu lze prozkoumat všechny možné úvahy, prozkoumat všechny možné důkazy a hledat důkaz, který by dokázal, zda se určitý program zastaví. Formální axiomatický systém nepotřebuje žádného matematika, stačí pouze mechanicky ověřovat jednotlivé důkazy. Pokud by takový systém existoval, pak lze vždy určit, zda se nějaký program zastaví nebo ne. Kurt Gödel ukázal, že takový axiomatický formální systém neexistuje.

Turing se zabýval těmito otázkami hlouběji než Gödel. Gödel se zabýval elementární aritmetikou čísel, kdežto Turing problém rozšířil na libovolný axiomatický formální systém a převedl jej na problém zastavení libovolného programu, tedy algoritmu, který funguje na základě pravidel axiomatického formálního systému. Turingův počítač je nějaké zařízení, které provádí určitý definovaný výpočet. Alan Turing ve své práci výpočet definoval obecně matematicky. Na rozdíl od Turinga autor článku studuje reálné počítače se současnými počítačovými programy.

Problém zastavení se týká programu Tk(n), který má jeden argument a splňuje následující podmínku: Program Tk(n) se zastaví tehdy a jen tehdy, pokud lze zkonstruovat platný důkaz, že podprogram s jedním argumentem definovaným pomocí n se nezastaví, když je spuštěn s hodnotou n. V tomto případě předpis v programu Tk(n) představuje zdrojový kód pro podprogram. Argument n je zdrojovým kódem pro jiný podprogram a Tk se sám zabývá dokazováním vlastností druhého podprogramu. Turingovu větu o zastavení programu získáme, pokud položíme n = k, tj. když program Tk má dokázat, zda se sám zastaví. Zde leží rozpor, pokud se program Tk(k) nezastaví. Ze specifikace programu vidíme, že tento program není schopen dokázat tvrzení o sobě. Avšak matematik může Turingovu větu dokázat. Odtud by plynul závěr, že umělá inteligence nemůže existovat, a případně některé další závěry.

3. Výpočty nikoliv ve smyslu Turingova počítače

Jaký je vztah mezi čistě abstraktním programem, který dokazuje Turingovu větu, a počítačovým programem, který simuluje biologické organismy? Chování organismu (stejně jako matematika) je poněkud bohatší a odlišné od programu, který jen dokazuje Turingovu větu. Odpověď leží v obecném předpokladu, že všechny počítače a počítačové programy jsou příklady Turingova počítače a že na každý program lze nahlížet jako na nějaký podprogram Tk. Avšak předpoklad ekvivalence mezi Turingovým počítačem a reálnými počítačovými programy není zcela správný. Turingův počítač vychází z představy, že máme určitý datový vstup, jehož data jsou počítačem zpracována a výsledky jsou zaslány na datový výstup. Taková představa je zcela správná například pro výpočet trigonometrických funkcí. Avšak reálný počítačový program může být interaktivní. Může opakovaně odesílat výsledky výpočtu do vnějšího světa a přijímat odpovídající reakce z vnějšího světa. Příkladem jsou interaktivní textové procesory nebo programy pro řízení letadel. Takové programy nejsou Turingovými počítači v přesném slova smyslu. Jak ukázali R. Geroch a J.B. Hartle, Turingův počítač odpovídá jen jistému typu počítačového programu, který zpracovává všechna data ze vstupu jediným průchodem. 

Tento rozdíl mezi výpočty v Turingově smyslu a interaktivními výpočty je pro Penroseovy závěry zásadní. Software, který bude napodobovat reálnou inteligenci, bude jistě patřit mezi složité interaktivní programy. Navíc, aby nebylo nutné programovat všechny podrobnosti jeho chování, bude se program muset učit na základě interakce s prostředím (heuristický program). Prototypem takového programu jsou umělé neuronové sítě, jejichž vznik podnítily objevy v oblasti biologie. Aby bylo možno použít Turingovu větu o zastavení programu, muselo by se dokázat, že program simulující lidské chování lze vytvořit z programu Turingova typu. 

4. Interaktivní programy

Roger Penrose podává řadu příkladů, které mají ukázat, že lze snadno vytvořit potřebný neinteraktivní program s použitím interaktivního programu jako jedné z jeho komponent. Existuje zde však jeden velký problém, jak připravit vstup programu, aby program věděl, jakou větu má dokázat. Program, který můžeme nazvat “umělým matematikem”, je v postavení vědce, jehož zaměstnavatel specifikuje problém, jímž se má zabývat. Aby vědecká práce dospěla k efektivním výsledkům, výzkumník musí být schopen zjistit požadavky svého zaměstnavatele v libovolné části vědeckého projektu. Výzkumníkovy otázky budou silně záviset na detailech vývoje jeho vědecké práce. Jak je vědcům dobře známo, výzkumník musí mít možnost v každé fázi vědeckého projektu pokládat nepředvídatelné otázky, protože jinak projekt nemusí očekávaných cílů vůbec dosáhnout.

Aby bylo možno zkonstruovat neinteraktivní program, který požaduje Roger Penrose, musíme objevit otázky, které umělý matematik bude pokládat, a připojit k programu zařízení, které bude odpovědi dávat v daném pořadí. Původní počítač a zařízení dávající odpovědi tvoří kombinaci, na níž lze použít Turingovu větu o zastavení programu. Avšak jak lze objevit otázky, na něž se program bude během své činnosti dotazovat? Nejjednodušší možností je spustit program a shromáždit všechny otázky, na něž se dotazuje. Odpovědi se zaznamenají do zařízení na odpovědi a program se znovu spustí. Příkladem takové kombinace může být demoverze grafického konstrukčního programu, kdy grafický program a program podávající odpovědi jsou interaktivní, ale společně nepotřebují žádný vstup z vnějšího prostředí. Taková kombinace je Turingovým strojem.

Autor článku se však domnívá, že zde existuje problém, který nelze vyřešit. Prvním vstupem do programu byl požadavek dokázat určitou větu o určitém výpočetním systému. Tento výpočetní systém je tvořen programem samotným a všemi dodatečnými zařízeními. Pokud znovu spustíme program, abychom mu mohli předat odpovědi na jím položené otázky, podmínky Turingovy věty se změnily. Věta se nyní týká nejen původního výpočetního systému a zařízení podávajícího odpovědi, ale především zaznamenaných odpovědí. Odpovědi byly zaznamenány poté, co program byl přinucen, aby dokázal větu o výpočetním systému bez odpovědí zaznamenaných v zařízení poskytujícím odpovědi. Proč by nyní otázky měly být stejné, když se podmínky Turingovy věty změnily? Pokud nové otázky nebudou stejné, nemají záznamy odpovědí na původní otázky žádný význam.

Samozřejmě podmínky věty se nemusí příliš změnit. Na druhé straně u složitých výpočetních systémů obvykle výstup silně závisí na detailech na vstupu. Systémy, které bychom považovali za inteligentní a tvořivé, na základě sebemenší změny na vstupu budou dávat zcela neočekávané výsledky. Není problémem zjistit přesné otázky, které umělý matematik může položit. Avšak nelze sestavit odpovědi, pokud neznáme příslušné otázky. Aby bylo možno použít Turingovu větu, je nutné předem znát přesně otázky a odpovědi. Příslušný program má za úkol dokázat určitou větu K o určitém podprogramu. Avšak důkaz Turingovy věty nelze použít, pokud v programu, který má dokázat větu K, nebo v podprogramu, o němž se má dokázat věta K, změníme jediný bit. Protože nelze předem stanovit otázky, na něž se bude program při důkazu věty K dotazovat, nelze Turingovu větu na simulace biologických organismů použít.

5. Závěr

Inteligentní software se musí chovat podobně jako člověk a díky tomu neodpovídá definici Turingova počítače. Penroseovy závěry požadují, aby každý výpočet bylo možno redukovat na nějaký Turingův počítač, aby bylo možno aplikovat Turingovu větu o zastavení programu. Důkaz této věty ale požaduje naprostou shodu mezi programem, který dokazuje věty o určitém podprogramu, a tímto podprogramem. Avšak požadavky kladené na inteligentní software v principu tuto shodu vylučují, protože inteligentní program je nutně interaktivní. Na tomto příkladu vidíme příklad obecného jevu v moderní vědě: libovolné tvrzení o reálném světě je přinejmenším poněkud nepřesné. Logické a matematické uvažování, na jehož základě chceme činit předpovědi, lze použít pouze v případě, že toto uvažování je odolné vůči odchylkám mezi matematickým popisem a reálným světem. Zdá se, že v případě Penroseových úvah tomu tak není.


Náhoda nebo záměr

Duben 17, 2008

Náhoda nebo záměr – Taeil Albert Bai

Jaký vlastně mají fyzikální konstanty význam pro fyziku vesmíru? John D. Barrow, autor knihy tento význam demonstruje na fyzice atomů a molekul. Atomy a molekuly nejsou elementárními entitami, ale jsou soustavami více částic, které pohromadě udržují vzájemně protichůdné síly. Rozměry těchto soustav pak určují hustotu hmoty a z rozložení elektronů v atomu pak vyplývají chemické vlastnosti látky. Navzdory obrovskému množství vlastností látky jsou všechny podstatné vlastnosti látkového světa určeny poměrem hmotnosti protonu a elektronu (1836,104:1) a hodnotou, která se označuje jako konstanta jemné struktury. Konstanta jemné struktury udává vazbu mezi elektromagnetickým polem a látkou. Její hodnota je určena poměrem druhé mocniny elektrického náboje elektronu a součinu rychlosti světla a Planckovy konstanty (1/137,0359).

Pro popis struktury hmotných objektů ve vesmíru má zásadní význam konstanta gravitační struktury. Její hodnota je určena poměrem součinu Newtonovy gravitační konstanty s druhou mocninou hmotnosti protonu a součinu rychlosti světla s Planckovou konstantou. Hodnota této konstanty je 5,9041183.10-39. Proto také gravitace má velmi nepatrný význam pro strukturu atomů a molekul. Rozměry všech objektů ve vesmíru od atomů až po galaxie jsou v podstatě určeny pouze poměrem konstanty jemné struktury a konstanty gravitační struktury. Rozměry planet a hvězd nejsou dílem náhody, ale ani nejde o výsledek speciálních počátečních podmínek velkého třesku. Jsou důsledkem působení protichůdných silových interakcí.

Na první pohled by se mohlo zdát, že pokud se hodnoty konstant změní, dojde pouze k posunu rozměrů některých objektů ve vesmíru. Tento názor je zcela naivní. Mezi hodnotami fyzikálních konstant existuje řada neobvyklých souvislostí, koincidencí. Pokud by se např. konstanta jemné struktury lišila od své skutečné hodnoty zhruba o 1 %, hvězdy by měly výrazně odlišnou stavbu. Biogenní prvky, jako je uhlík, dusík, kyslík a fosfor, vznikají během závěrečné eruptivní fáze hvězd, kdy jsou v podobě plynu a prachu rozptýleny do prostoru. Později tento plyn a prach kondenzuje do podoby planet a takto se dostal do živých organismů na planetě Zemi.

Uhlík ve vesmíru vzniká dvoustupňovým procesem z jader atomů hélia (tzv. 3-alfa proces). Tento proces probíhá pouze za vysoké teploty, kdy atomy mají dostatečnou kinetickou energii. Nejprve vzniká ze dvou jader atomů hélia jádro atomu berylia. Další jádro atomu hélia pak s jádrem atomu berylia vytvoří jádro atomu uhlíku. Tento proces by byl jen málo pravděpodobný, pokud by neexistovala resonanční hladina atomu uhlíku. Dochází k tomu, že součet klidových energií zúčastěných částic leží těsně pod přirozenou energetickou hladinou jádra atomu uhlíku a dodání tepelné energie umožní tuto jadernou reakci. Dále existuje resonanční hladina v atomu kyslíku, která leží těsně pod celkovou energií jádra atomu hélia a jádra atomu uhlíku. Tím se zabrání tomu, aby se veškerý vzniklý uhlík přeměnil na kyslík. Tato vícenásobná koincidence resonančních hladin je nutnou podmínkou naší existence. Umístění těchto resonančních hladin je důsledkem číselných hodnot fyzikálních konstant.

Existuje řada dalších příkladů tohoto druhu. Někteří těmto koincidencím fyzikálních konstant přikládají značný teologický význam, protože takové koincidence fyzikálních konstant považují za “Boží vyladění vesmíru” nutné ke vzniku člověka. Vývoj života a lidské psychiky mohl a může v každém stádiu evolučního vývoje skončit ve slepé vývojové větvi. Existuje řada způsobů, které mohly ve složitém a nepřátelském prostředí zcela zabránit vzniku, vývoji a rozvoji života. Neznáme důvod, proč by se ve vesmíru musel život vyvinout. Předpoklad, že život nutně musel z jistých chemických struktur vzniknout, je teologickým přístupem, který biologové oprávněně odmítají. S jistotou lze tvrdit pouze to, že pokud by se fyzikální konstanty lišily od svých současných hodnot zhruba o 1%, pak by základní stavební chemické struktury pro vznik života ve vesmíru neexistovaly v dostatečném množství. Život ve formě, v jaké ho známe, by vůbec nemohl vzniknout. Vesmír by přitom mohl existovat se stejnými fyzikálními zákony, avšak fyzikální konstanty by mohly mít jiné hodnoty. Mnoho vědců nevidí žádný logický důvod, proč tuto možnost odmítnout.

Pokud život považujeme za jev, který vznikl v měřítku velmi vzdáleném od subatomového a kosmologického měřítka, pak fakt, že hodnoty fundamentálních fyzikálních konstant a kosmologické charakteristiky našeho vesmíru jsou tak přesně vyladěny, aby umožnily vznik života, je velmi nepravděpodobný a záhadný. John Archibald Wheeler napsal, že nejen člověk je přizpůsoben vesmíru, ale vesmír je přizpůsoben člověku. Pokud si představíme vesmír, v němž se jedna ze základních bezrozměrných fyzikálních konstant změnila o několik procent, pak v takovém vesmíru by člověk nikdy nemohl vzniknout a ani by nemohl existovat. To je ústředním bodem anthropického principu. Podle tohoto principu někde uvnitř celého mechanismu a struktury vesmíru musí existovat faktor, který umožnil vznik života.

Vznikl snad vesmír nějakým záměrem? Biologové slovo “záměr” v souvislosti se vznikem života odmítají. Anthropický princip se vztahuje k lidským bytostem nebo k jejich existenci. Anthropický princip tvrdí, že existence lidských bytostí poskytuje klíč k pochopení vlastností našeho prostředí. Díky tomu lze zodpovědět řadu otázek týkajících se vlastností Země a Sluneční soustavy. Například otázka “Proč je Sluneční soustava tak stará?” Sluneční soustava musí být dostatečně stará, aby umožnila evoluční vývoj lidských bytostí. Pokud by nebyla tak stará, nebylo by bytostí, které by se ptaly na její stáří. Proč je klima Země takové, že je vhodné pro náš život? Odpověď je opět zřejmá. Anthropický princip lze použít také v kosmologickém kontextu. Otázku stáří vesmíru lze zodpovědět opět naší existencí. Inteligentnímu životu na Zemi předcházela kosmická evoluce, evoluce hvězd a planet, chemická evoluce a biologická evoluce. Anthropický princip použitý v předchozích případech se nazývá slabý anthropický princip.

Pokud použijeme slabý anthropický princip na otázku, proč je vesmír tak přesně vyladěn pro vznik a vývoj života, dostaneme odpověď, která však není uspokojivá. Pokud by tomu bylo jinak, nikdo by takovou otázku nepoložil. Anthropický princip použil poprvé v kosmologickém kontextu Brandon Carter. Podle jeho názoru však potřebujeme silný anthropický princip, který tvrdí, že vesmír musí být takový, aby v jisté fázi vývoje umožnil vznik inteligentních pozorovatelů. Na rozdíl od slabého anthropického principu silný anthropický princip tvrdí, že existence vesmíru je podmíněna existencí inteligentních pozorovatelů. Existují tři způsoby, jak interpretovat přesné vyladění fundamentálních fyzikálních konstant. Za prvé, tyto konstanty byly přesně vyladěny vševědoucím Bohem. Za druhé, existuje velký počet vesmírů s různými hodnotami fundamentálních fyzikálních konstant a my existujeme díky tomu, že se nacházíme ve vesmíru s konstantami vhodnými pro vznik a vývoj života. Za třetí, musí existovat nějaké fundamentální fyzikální zákony určující hodnoty všech fundamentálních konstant, které se nám zdají nezávislé, avšak ve skutečnosti jsou vzájemně provázány a jejich pozorované hodnoty jsou logickou nutností.

Podle mého názoru však existuje ještě jeden způsob, jak interpretovat přesné vyladění fyzikálních konstant. Jiné hodnoty fyzikálních konstant zřejmě vedou k jiným jemným koincidencím, které však nejsme schopni odhadnout. Takové koincidence mohou vést k jiné struktuře vesmíru a také ke vzniku naprosto neznámých forem života a inteligence. Dostáváme se tak k zásadním otázkám, co je vlastně život a co je jeho inteligencí. Podle první interpretace v okamžiku stvoření vševědoucí Bůh nastavil hodnoty fundamentálních fyzikálních konstant tak, aby mohl později vzniknout inteligentní život. Tento argument, že celý vesmír byl Božím záměrem se však od základu liší od staršího argumentu kreacionismu, podle něhož život a živé organismy stvořil Bůh. Tento argument byl vyvrácen objevem, že přírodní výběr může zjevně určovat strukturu organismu. Určitý problém lze spatřovat ve vševědoucím Bohu. Vševědoucí Bůh ve své podstatě znamená entitu, která ve své mysli udržuje určitý soubor axiomů. Matematický přístup k axiomatickým systémům však ukázal, že množství informace obsažené v souboru axiomů lze určit kvantitativně. Žádná z dedukcí, která použije tyto axiomy, však nemůže množství informace zvýšit.

Německý matematik a logik Kurt Gödel odhalil podstatu omezení logické dedukce. Vyslovil a dokázal větu o neúplnosti, podle níž v axiomatickém systému běžné aritmetiky (a v každém axiomatickém systému, který je dostatečně bohatý, aby v sobě aritmetiku zahrnoval) existují tvrzení odvozená z axiomů, o nichž nelze rozhodnout, zda jsou pravdivá nebo nepravdivá.

Podle druhé interpretace existuje velký počet vesmírů a náš vesmír je jedním z těch, v němž jsou podmínky vhodné pro vznik a vývoj života. Existují tři variace této interpretace mnoha vesmírů. Podle první z nich existuje mnoho paralelních vesmírů, které jsou na sobě zcela nezávislé. Podle druhé z nich existuje mnoho sekvenčních, tedy po sobě jdoucích vesmírů. Podle této hypotézy cyklického vesmíru Johna Archibalda Wheelera každým velkým třeskem je náhodně vybrán nový soubor fyzikálních zákonů a nový soubor fundamentálních fyzikálních konstant. Podle třetí variace existuje mnoho domén v jednom supervesmíru, přičemž fundamentální fyzikální konstanty jsou v každé doméně různé. Jiné domény našeho supervesmíru nejsme schopni detekovat, protože jsou od nás vzdáleny více než 14 miliard světelných let, což je největší vzdálenost, jíž světlo mohlo proletět od Velkého třesku.

Někteří teoretikové, kteří zastávají představu mnoha vesmírů, interpretují silný anthropický princip následovně. Existuje mnoho vesmírů s různými typy fyzikálních zákonů a různými hodnotami fyzikálních konstant (nelze hovořit o tom, který vesmír vznikl dříve nebo později, protože mezi nimi neexistuje žádný časový vztah). Téměř všechny tyto vesmíry neumožňují vznik života. Pouze několik z nich má vhodné podmínky. Pouze ty vesmíry, v nichž vznikly inteligentní bytostí, které mohou přemýšlet o záhadě své vlastní existence, skutečně existují. Vesmíry, v nichž nevznikly inteligentní bytosti, ve skutečnosti neexistují, protože není nikdo, kdo by jejich existenci rozpoznal. Stoupenci tohoto argumentu jsou atheisté, proto zde nevystupuje žádný Bůh, který by existenci všech vesmírů rozpoznal. Protože inteligentní bytosti ve vesmíru vznikly z hmoty v něm obsažené, jsou jeho nedílnou součástí. Proto poznávání vesmíru jeho inteligentními bytostmi odpovídá sebepoznání vesmíru. Jako bychom zde slyšeli ozvěnu známého Descartova výroku: “Cogito ergo sum. Myslím, tudíž jsem.”

Někteří vědci jsou ochotni přijmout existenci velkého počtu vesmírů více než existenci Boha, protože chtějí jít co nejdále, aniž by “hypotézu Boha” potřebovali. Může být hypotéza mnoha vesmírů pevným základem atheismu? Podle Charlese Hartshornea Bůh takto může podrobně prozkoumat možnosti vesmíru nebo vesmírů. Lze namítnout, že Bůh, který stvořil velký počet vesmírů, z nichž jen několik obývají inteligentními bytostmi, není příliš mocný. Na druhé straně není Bůh mocnější, když stvořil mnoho vesmírů než kdyby stvořil pouze jediný? Dále lze namítnout, že stvoření mnoha vesmírů pro získání několika obyvatelných vesmírů je marnivostí. Nebylo by však větší marnivostí to, že Bůh má schopnosti, jichž nikdy nevyužil? Při rozhodování mezi Božím záměrem a hypotézou mnoha vesmírů lze použít kritéria Occamovy břitvy. Podle tohoto kritéria je nejjednodušší vysvětlení slučitelné s pozorovanými fakty tím nejlepším vysvětlením. Autor článku je přesvědčen, že vševědoucí Bůh je jednodušším vysvětlením než hypotéza velkého počtu vesmíru. S tím ovšem nelze z vědeckého hlediska souhlasit. Karl Popper požaduje, aby každou vědeckou hypotézu přírodních věd bylo možno vyvrátit nebo logicky dokázat vědeckými fakty, tedy měřením, pozorováním nebo experimentem. Occamova břitva má tedy smysl při výběru mezi ověřitelnými hypotézami. Nemá však reálný smysl při výběru mezi několika hypotézami, z nichž žádnou nelze ani dokázat ani vyvrátit.

Uvažujme nyní třetí interpretaci, podle níž fundamentální fyzikální konstanty jsou provázány dosud neznámými fyzikálními zákony tak, že dávají pozorované hodnoty. Autor článku tvrdí, že jde o spekulaci, protože jsme dosud žádné takové vztahy neobjevili. Je však zvláštní, že totéž netvrdí o své hypotéze vševědoucího Boha v pozadí fyzikálních zákonů. Podle jeho názoru některé fundamentální konstanty mohou být nějak provázány, avšak je nepravděpodobné, že budou provázány všechny.

Steven Weinberg ve své knize uvádí následující úvahu o vysvětlení velikosti fyzikálních konstant. Představme si, že existuje planeta Země 2, která je zcela identická se Zemí až na to, že její obyvatelé vyvinuli fyziku bez jakýchkoliv znalostí o astronomii (můžeme si představit, že planeta je trvale zakryta oblačností). Jako naši studenti, mají i studenti Země 2 ve svých učebnicích tabulku fundamentálních fyzikálních konstant. Jednou z těchto konstant je konstanta velikosti energie dopadající na povrch Země 2 z neznámého zdroje. Na naší Zemi tuto konstantu nazýváme solární konstanta, protože víme, že energii dodává Slunce. Na Zemi 2 ale nikdo nemá ponětí, odkud tato energie přichází a proč má právě hodnotu 8,09 J.cm-2.min-1. Někteří fyzikové na Zemi 2 poznamenávají, že hodnota této konstanty je mimořádně příznivá pro vznik života. Pokud by Země 2 dostávala energie podstatně více, pak by se voda v oceánech vypařila. Pokud by naopak bylo energie podstatně méně, voda v oceánech by se změnila v led. Tito fyzikové pochopitelně mohou dojít k závěru, že hodnota této konstanty byla stanovena promyšleně Bohem ku prospěchu lidstva. Skeptičtější fyzikové na Zemi 2 by soudili, že hodnota této konstanty bude nakonec vysvětlena finální teorií a její velikost příznivá pro vznik života je jen náhodná souhra okolností. Přesně vzato, obě strany se mýlí. Až obyvatelé Země 2 jednou vyvinou astronomii, zjistí, že jejich planeta dostává 8,09 J.cm-2.min-1 právě proto, že Země 2 je ve vzdálenosti 149,5 miliónu kilometrů od Slunce a zářivý výkon Slunce je 3,8268.1026 Wattů. Dověděli by se také, že existují jiné planety, na nichž život vzniknout nemohl, protože jsou buď moc blízko nebo moc daleko od Slunce. Důvod, proč žijí na planetě, která dostává 8,09 J.cm-2.min-1 je pouze v tom, že jinde žít prostě nemohou.

Teoretikové, kteří zastávají hypotézu mnoha paralelních vesmírů, vycházejí z hypotetické existence hyperprostoročasového kontinua, v němž kvantově mechanické zákony řídí vznik mnoha vesmírů. Kvantová mechanika je použitelná uvnitř prostoročasového kontinua našeho vesmíru. Lze oprávněně pochybovat, zda nějaké hyperprostoročasové kontinuum vůbec existuje a zda lze do něj extrapolovat kvantovou mechaniku. Teoretikové, kteří popisují tuto třetí interpretaci, nutně předpokládají existenci nějakých fundamentálních přírodních zákonů. Autor článku se ptá, zda tyto přírodní zákony mohou nahradit Boha. Kdo stanovil jejich rovnice? Navíc pouhá existence takových rovnic neurčuje existenci vesmíru, který je dodržuje. Stephen Hawkinkg se ve své slavné knize “Stručná historie času” ptá, kdo vdechl život těmto rovnicím?

Podle autora článku je zajímavé, že po kopernikovské revoluci je význam lidských bytostí ve vesmíru stále menší. Nejprve Země byla svržena ze svého trůnu ve středu vesmíru. Pak se zjistilo, že Slunce je průměrnou hvězdou na okraji Mléčné dráhy (Galaxie), která obsahuje milióny jiných hvězd. Galaxie je pouze jednou z mnoha miliard galaxií ve vesmíru, o němž se dnes domníváme, že by mohl být nekonečně velký. Jak naše schopnosti pozorování vesmíru postupně rostly, význam člověka ve vesmíru se vytrácel. Autor článku tvrdí, že anthropický princip existenci člověka náhle navrátil do centra dění. Pokud přijmeme hypotézu velkého počtu paralelních vesmírů, pak inteligentní pozorovatelé (v našem případě lidé) vesmíru, v němž žijí, dávají reálnou existenci tím, že ho pozorují. Pokud přijmeme hypotézu vševědoucího Boha, pak tento Bůh navrhl a vytvořil takový vesmír, aby v něm mohly vzniknout a vyvíjet se inteligentní bytosti.

Objev, že fundamentální fyzikální konstanty jsou přesně vyladěny tak, aby umožnily vznik a vývoj života, podle autora článku nejsou důkazem ve prospěch existence Boha. Avšak umožňuje diskusi o Bohu na hlubší úrovni a ukazuje, že existence člověka ve vesmíru je významná. Podle mého názoru si však anthropickým principem příliš fandíme. Je skutečně možné, že pokud by fundamentální fyzikální konstanty měly jiné hodnoty, jemné koincidence mezi nimi by možná vedly k jiné mikroskopické a makroskopické struktuře hmoty a to, co nazýváme životem a inteligencí by možná vypadalo zcela jinak. Biologové dnes dokazují, že primitivní jednobuněčný život může existovat ve velmi (pro nás) extrémních podmínkách. Mohl proto také vzniknout ve velmi odlišném fyzikálním prostředí, než poskytuje Země. Naopak vznik mnohobuněčných organismů zřejmě byl velkým štěstím v souhře fyzikálních a biochemických podmínek a inteligentní život je zřejmě velmi výjimečný.


Jemné vyladění vesmíru pro život

Duben 16, 2008

Jemné vyladění vesmíru pro život – Taeil Albert Bai

Albert Einstein kdysi uvedl, že by ho skutečně zajímalo, zda Bůh měl nějakou možnost při stvoření světa. Tuto otázku považoval za skutečně zásadní. Ve srovnání s touto otázkou všechny ostatní vypadají triviálně. Autor článku tvrdí, že Bůh jistě měl mnoho možností, pokud by chtěl vytvořit vesmír bez života. Pokud však měl v úmyslu vytvořit vesmír, v němž by mohl existovat také život, měl velmi omezené možnosti. Podle nedávných zjištění hodnoty fundamentálních fyzikálních konstant musely být přesně nastaveny, aby ve vesmíru vůbec mohl vzniknout život, jaký známe. O této skutečnosti se zmínil Brandon Carter a následně byla popularizována v několika knihách.

Existuje řada fyzikálních konstant, jako je rychlost světla c, gravitační konstanta G, Planckova konstanta h, Boltzmannova konstanta k. Hmotnost elektronu, hmotnost protonu a konstanty určující velikosti elektromagnetické, silné a slabé jaderné interakce, jsou také fundamentálními konstantami. Dosud nevíme, proč tyto konstanty mají právě takové hodnoty, jaké mají.

Ve snaze přiblížit teorii relativity a kvantovou mechaniku George Gamow napsal populárně vědeckou knihu “Pan Tompkins v říši divů” (Mr. Tompkins in Wonderland, London, Cambridge University Press, 1940). Relativistické a kvantové jevy zvýraznil v běžném životě říše divů změnou základních fyzikálních konstant. Výrazně zmenšil hodnotu světla a výrazně zvětšil hodnotu gravitační konstanty a Planckovy konstanty. Ve skutečnosti se však ukazuje, že pokud by se hodnoty fundamentálních fyzikálních konstant změnily pouze nepatrně, vesmír by vypadal naprosto jinak a život ve formě, v jaké ho známe, by vůbec nemohl vzniknout. V některých případech, pokud by život přesto vznikl, by nemohl vzniknout inteligentní život.

Veškeré životní formy na Zemi závisejí na sloučeninách uhlíku. Dvojmocný a čtyřmocný uhlík vytváří společně s vodíkem, kyslíkem, dusíkem, sírou, fosforem a dalšími stopovými prvky (vápník, sodík, draslík, železo, hořčík atd.) jednoduché až velmi složité organické sloučeniny, jako jsou proteiny (bílkoviny), oligosacharidy (cukry), lipidy (tuky) a nukleové kyseliny, které jsou stavebním a energetickým základem života. Všechny živé organismy závisejí přímo nebo nepřímo na fotosyntéze. Nedávno byly objeveny organismy na dně oceánů, kam neproniká žádné sluneční světlo. Tyto organismy získávají energii ze sloučenin síry, které vyvěrají z hydrotermálních zřídel. Avšak někteří vědci se domnívají, že tyto organismy požírají mršiny větších organismů, které nepřímo závisejí na fotosyntéze. Pro fotosyntézu, která probíhá díky chlorofylu, je nutné viditelné světlo. Fotony infračerveného světla mají příliš nízkou energii a fotony ultrafialového světla příliš vysokou energii. Životní formy na jiných planetách ve vesmíru mohou využívat jiné biochemické reakce složitých molekul, avšak energetické úrovně těchto reakcí budou podobné kvůli velikosti elektromagnetické interakce. Proto lze očekávat, že organismy na jiných planetách budou také závislé na viditelném světle.

Mohou také jiné hvězdy než Slunce umožňovat existenci života? Intenzita světelného záření tělesa závisí podle Planckova zákona na vlnové délce záření. Závislost intenzity záření na jeho vlnové délce popisuje spektrum záření. Toto spektrum závisí na povrchové teplotě hvězdy, která souvisí s rychlostí termonukleárních reakcí v jádru hvězdy a s intenzitou proudění fotonů z jádra na povrch. Ve spojitém spektru záření se vyskytují emisní nebo absorpční spektrální čáry způsobené buď emisí nebo absorpcí určitých vlnových délek světla chemickými prvky a sloučeninami. Spektrální čáry jsou pro každý chemický prvek nebo sloučeninu charakteristické a zhruba souvisejí s přeskoky elektronů mezi hladinami energie v atomech. Rychlost termonukleárních reakcí a intenzita proudění fotonů na povrch je určena hodnotami řady fyzikálních konstant, jako jsou velikosti gravitační, silné a elektromagnetické interakce, hmotnost elektronu a protonu a rychlost světla ve vakuu.

Spektra hvězd se odlišují počtem a výrazností spektrálních čar (emisních a absorpčních). Jednotlivé typy hvězdných spekter byly srovnány do spektrálních tříd, které byly rozděleny do deseti skupin. Závislost absolutní svítivosti hvězd na jejich spektrální třídě je zaznamenávána do Hertzsprungova-Russelova diagramu. Na vodorovné ose tohoto diagramu se uvádí spektrální třída (nebo logaritmus absolutní teploty) a na svislé ose se nanáší absolutní vizuální magnituda (případně logaritmus zářivého výkonu hvězdy). Hvězdy v tomto diagramu zaujímají určité pozice, které vytvářejí skupiny označované jménem. Nejvíce hvězd leží ve skupině označované jako hlavní posloupnost.

Hvězdy hlavní posloupnosti, k níž náleží také Slunce, lze rozdělit do několika podskupin, z nichž nejpočetnější jsou modří obři a červení trpaslíci. Modří obři jsou hmotné hvězdy, jejichž energie z jádra se šíří zejména zářením fotonů na povrch. Tyto hvězdy převážně vyzařují ultrafialové záření. Naopak červení trpaslíci jsou málo hmotné hvězdy, jejichž energie z jádra se šíří převážně prouděním látky. Tyto hvězdy převážně vyzařují infračervené záření. Hvězdy podobné Slunci se nacházejí někde mezi modrými obry a červenými trpaslíky. Jejich energie se z jádra na povrch šíří jak zářením tak prouděním látky. Kromě ultrafialového a infračerveného záření vyzařují zejména viditelné světlo, které je využíváno fotosyntézou. Protože mnoho hvězd se nachází na této hranici, nepatrná změna fundamentálních fyzikálních konstant by způsobila, že by byly buď modrými obry nebo červenými trpaslíky. Aby existovaly hvězdy podobné Slunci, musely být hodnoty fundamentálních konstant přesně vyladěny.

Uvažujme nejprve důsledky změny velikosti silné jaderné interakce. Pokud by velikost silné interakce byla nepatrně vyšší než nyní, termonukleární fúze uvnitř jader hvězd by probíhala rychleji než nyní. Hvězdy by měly vyšší teplotu jádra a větší průměr. Přesné změny struktury hvězd lze zkoumat numerickými simulacemi. Kvůli rychlejším termonukleárním reakcím by doba života hvězd byla kratší. Ve vesmíru je nejvíce vodíku a hélia a poté uhlíku, dusíku, kyslíku a dalších prvků. Pokud by však velikost silné interakce byla nepatrně větší než nyní, uhlíku, dusíku a kyslíku by bylo ve vesmíru méně, protože by se jadernými reakcemi snadněji přeměňovaly v těžší prvky. Nedostatek uhlíku by však neumožňoval vznik života, jak ho známe.

Pokud by velikost silné jaderné interakce byla větší pouze o 2 procenta, dva protony by mohly tvořit jádra právě se dvěma protony. Tento proces řízený silnou jadernou interakcí by probíhal rychleji než proces vzniku jader deuteria (jeden proton a jeden neutron), který je řízen slabou jadernou interakcí. V tomto případě by se všechen vodík přeměnil na hélium již během nukleosyntézy krátce po velkém třesku. Bez vodíku by však hvězdy obsahující hélium zářily jen několik miliónů let, než by se jádra atomů hélia přeměnila na jádra atomů uhlíku. Tato doba života hvězd je však příliš krátká na to, aby vůbec vznikl život se svými nejjednoduššími organismy. Navíc bez vodíku by neexistovala voda, která má výjimečné chemické a fyzikální vlastnosti.

Ve vesmíru existuje 92 přirozených chemických prvků. Velikosti silné jaderné interakce a elektromagnetické interakce vytváří strukturu atomového jádra. Jejich relativní velikosti určují počet chemických prvků. Silná jaderná interakce působí jako přitažlivá síla mezi nukleony (protony a neutrony) na krátkou vzdálenost menší než 10-15 metru. Elektromagnetická interakce působí jako síla dlouhého dosahu s intenzitou nepřímo úměrnou druhé mocnině vzdálenosti elektrických nábojů. Kladně nabitý proton v jádře je elektromagnetickou interakcí odpuzován od všech ostatních protonů, avšak silnou jadernou interakcí je přitahován pouze okolními protony a neutrony. S velikostí atomového jádra proto postupně převažuje odpudivá elektromagnetická interakce nad přitažlivou silnou jadernou interakcí. Velikost atomového jádra proto nemůže být neomezená.

Velmi těžké chemické prvky se samovolně rozpadají. Takové prvky nazýváme radioaktivní. Pokud by velikost silné jaderné interakce byla nepatrně menší než nyní, počet stabilních chemických prvků by byl menší a železo by mohlo být radioaktivní. Železo je však aktivní součástí červeného krevního barviva hemoglobinu, který přenáší kyslík do buněk. Není jasné, které chemické prvky by mohly železo v hemoglobinu nahradit. Navíc bez těžkých chemických prvků, jako je vápník, by nemohly existovat větší živočichové s pevnou kostrou, která udržuje tvar těla. Pokud by silná jaderná interakce byla dostatečně silná, pak by uhlík, dusík a kyslík byly radioaktivními prvky a život ve formě, v níž ho známe, by byl zcela vyloučen.

K dramatické změně by došlo v případě, že by silná jaderná interakce byla slabší o 5 procent. Proton a neutron by nemohly vytvořit deuteron, jádro deuteria. Vznik deuteronů je prvním krokem jaderné syntézy chemických prvků. Bez deuteronů by nemohly v jádrech hvězd vzniknout žádné těžší chemické prvky a život by byl zcela vyloučen.

Uvažujme nyní důsledky změny velikosti slabé jaderné interakce. Pokud železné jádro hmotných hvězd překročí 1,4 násobek hmotnosti Slunce, dochází k náhlému kolapsu hvězdy za mohutné emise neutrin, která způsobí následnou erupci obalu hvězdy za vzniku supernovy, jejíž absolutní svítivost může po určitou dobu dosáhnout absolutní svítivosti Galaxie. Reakce neutrin v obalu hvězdy je určena slabou jadernou interakcí. Pokud by velikost slabé jaderné interakce byla nepatrně menší než nyní, erupce supernov by vůbec nebyly možné. Erupce supernov jsou však jediným zdrojem těžkých prvků v mezihvězdném prostoru. Tyto těžké prvky vznikají v jádrech hmotných hvězd. Bez erupcí supernov by nemohly vzniknout planety s těžkými chemickými prvky, jako jsou uhlík, dusík, kyslík, síra a fosfor, které jsou základní součástí živé hmoty, jak ji známe. Nevznikl by hořčík, který je aktivním prvkem zeleného barviva chlorofylu, železo, které je aktivním prvkem červeného krevního barviva hemoglobinu, nebo vápník, který je stavebním prvkem vápenitých schránek a kostí. Velikost slabé jaderné interakce je tedy pro existenci života podstatná.

Pokud by gravitační konstanta, která určuje velikost gravitační interakce, byla větší než nyní, v jádrech hvězd by byl větší hydrostatický tlak a teplota jader by byla vyšší. Proto by také vzrostla rychlost jaderných reakcí. Vyšší teplota jádra a větší množství vznikající energie by způsobily větší teplotu povrchu hvězd. Silnější gravitace by povrch hvězd zmenšila. Protože by se vyzařovalo více energie menší plochou, většina energie by se vyzařovala ve formě ultrafialového záření. Hvězdy s hmotností blízkou Slunci by byly spíše modrými obry. Naopak hvězdy s nižší hmotností než Slunce by vyzařovaly ve viditelném světle. Avšak doba života těchto hvězd by byla kratší než hvězd podobných Slunci. Tyto hvězdy dříve opouštějí hlavní posloupnost a doba setrvání na hlavní posloupnosti by nebyla dostatečná pro evoluci života ve formě, v jaké ho známe.

Podobně malé změny velikosti elektromagnetické interakce, rychlosti světla, Planckovy konstanty, Boltzmannovy konstanty hmotnosti protonu a elektronu by měly závažné důsledky pro existenci života. Na druhé straně by odlišné hodnoty těchto konstant zřejmě vedly k novým jemným koincidencím (souvislostem), které si vůbec nedokážeme představit ani odhadnout, a samoorganizace by vedla ke strukturám, které nepozorujeme. Život by mohl mít zcela odlišné formy nebo by mohl mít zcela jiný význam. Dokud se nám nepodaří objevit život někde ve vesmíru, nebudeme schopni si představit jeho jiné formy.


Alain Aspect a dezinformace o holografii

Březen 22, 2008

Alain Aspect a dezinformace o holografii – Luboš Motl

Tým Alaina Aspecta vůbec neobjevil žádný nový jev, který by jakkoliv měnil fundamentální poznatky fyziky, nýbrž experimentálně potvrdil (přesně v souladu s očekáváním vědců) kvantovou mechaniku v pokusu, který do té doby existoval jen jako myšlený. Tento pokus ukázal, že se Einstein spolu se svými spolupracovníky Rosenem a Podolskym opravdu mýlil a kvantová mechanika je správná. Jejich pokus ukázal, že Bellovy nerovnosti jsou v přírodě opravdu narušeny. Bellovy nerovnosti jsou vztahy, které říkají, že korelace mezi jistými veličiny ve světě ovládaném v podstatě klasickou fyzikou jsou vždy menší než jistá mez. Jakýkoliv pokus oklamat kvantovou mechaniku a nahradit ji jistou formou klasické fyziky – snahy o teorii, o níž v historii usiloval nejen Louis de Broglie (teorie řídící vlny), David Bohm (teorie skrytých proměnných), ale nakonec i sám Erwin Schrödinger nebo v poslední době nositel Nobelovy ceny z roku 1999 Gerard ‘t Hooft a další – jsou tedy chybné, protože nemohou vysvětlit občas velmi vysokou míru korelace, kterou předpovídá kvantová mechanika a potvrzují i pokusy.

Kvantová mechanika předpovídá pro velké množství pokusů korelace, převyšující maximální možné korelace, které by mohla vysvětlit teorie klasické povahy. Tyto předpovědi kvantové mechaniky byly potvrzeny experimenty, z nichž nejpůsobivější byly provedeny v týmu Alaina Aspecta. Dnes chápeme kvantovou mechaniku, která má pro svět zásadní význam, moderním způsobem. Ten se ovšem v důsledcích shoduje s tím, jak kvantovou mechaniku chápala již kodaňská škola (Niels Bohr a jeho přátelé) na konci 20. let 20. století. Byl to Einstein, který se mýlil, nikoliv kvantová mechanika. Předpovědi kvantové mechaniky – nebo ekvivalentně experimentální výsledky Alaina Aspecta – v žádném případě nenarušují Einsteinovu zásadu, že se informace šíří nejvýše rychlostí světla. Výsledky dvou pokusů mohou být korelovány, ale to v žádném případě neznamená, že výsledek jednoho z nich je důsledkem výsledku druhého, který byl na dálku zaručen nadsvětelnou rychlostí.

I v klasickém světě je zcela normální, že měření dvou událostí mohou být korelována, ačkoliv jde o události vzdálené (jejich příčiny působily na sebe navzájem v minulosti, ale měření probíhá v době, kdy již působení pominulo). Tak například pokud zabetonujeme náhodně manžela a manželku do dvou betonových bloků a pošleme je na opačné strany Galaxie, měření za milióny let ukáže, že objekty v obou blocích mají opačné pohlaví, aniž bychom byli nuceni tvrdit, že přítomnost mužského pohlaví v jednom bloku nastala jako důsledek toho, že v druhém bloku jsme objevili pohlaví ženské. Kvantová mechanika se liší od klasické v tom, že umožňuje korelaci i v různých fyzikálních veličinách, které podle klasické fyziky nemohou být korelovány současně.

Tak například v tradičním EPR pokusu jsou oba odlétající fotony levotočivé nebo oba pravotočivé, aby měly nulový celkový moment hybnosti a dodržovaly tak jeho zákon zachováni. Pokud ale měříme lineární polarizaci (polarizace x/y jsou lineární kombinací pravotočivě nebo levotočivě kruhově polarizovaného světla), žádnou korelaci podle klasické fyziky nenaměříme, kombinace xx, xy, yx, yy všechny proběhnou s pravděpodobností 25%. Podle kvantové mechaniky je tomu jinak, mohou proběhnout jen výsledky xy a yx s pravděpodobnostmi 50%. Kvantová mechanika tak dovoluje větší korelace než klasická. Korelace narušují Bellovy nerovnosti a proto experimentální důkaz narušení Bellových nerovností (od Alaina Aspecta) znamenal více méně definitivní důkaz pravdivosti (pro naši intuici) podivných principů kvantové mechaniky a vyvrácení všech kliček, jimiž se těmto paradigmatům lidé chtěli vyhnout.

Ještě jednou důležitý bod: jevy, které dokázal Alain Aspect a druzí, nelze v žádném případě použít k šíření jakékoliv reálné informace nadsvětelnou rychlostí – právě proto, že svět funguje pravděpodobnostně. Konkrétní výsledek pokusu je opravdu dílem náhody, jíž nelze přímo ovládat (Bůh hází v kostky, abychom tak řekli), a proto nelze na dálku ovlivnit výsledek vzdáleného pokusu (nadsvětelnou rychlostí), protože nelze přesně ovládat ani výsledek našeho vlastního pokusu. Pravděpodobnosti různých výsledků pokusu na druhé straně Galaxie jsou předem jasně dány a nejsou vůbec ovlivněny ničím, co děláme se svým pokusem na naší straně Galaxie. 

Všimněte si, že pozorované jevy (vysoké korelace) jsou konzistentní s teorií relativity jen proto, že kvantová mechanika opravdu funguje pravděpodobnostně a náhodné výsledky pokusu opravdu nejsou (ani v principu) důsledkem nějakých složitých deterministických jevů. Kdyby tomu tak bylo, relativita by byla opravdu narušena, protože by skutečně šlo šířit informace nadsvětelnou rychlostí. Člověk musí chvíli přemýšlet, aby sám pochopil, proč korelace ještě neimplikuje okamžité působení na dálku.

Pokusy Alaina Aspecta ukazují, že se David Bohm mýlil a jeho teorie skrytých proměnných jsou chybné (pokud jsou alespoň trochu lokální, což je pro splnění požadavku teorie relativity nakonec také nezbytné). Proto je poněkud nelogické, když je pro autora nejcennějším komentářem právě ten od Bohma. Bohm, jehož ideje se zhroutily, se uchýlil k zoufalým výrokům o tom, že vesmír je jen přelud. Vesmír nefunguje tak, jak si Bohm myslel. Bohm v něj ztratil jakoukoliv důvěru a vesmír se pro něj stal pouhým přeludem. Bohm je ale tím, kdo prohrál, zvítězila kvantová mechanika.

Autorovy technické zmínky o hologramu jsou poměrně v pořádku, byť jistě existují lepší úvody do holografie. Filosofické důsledky jsou ale chybné. Západní věda vždy analyzovala věci tak, že je krájela na části. Pokud je podstata něčeho holografická, krájení na části nemá doslovný geometrický smysl, ale pořád platí, že k pochopení, jak věci fungují, je třeba je rozdělit na jisté ideové části. V uvedeném článku je jinak hodně výroků, které lze interpretovat jistým způsobem, aby byly pravdivé. Celkově je ale třeba říci, že text je chybný. Moderní kvantová gravitace či teorie strun opravdu projevuje mnoho nelokálního chování. Nic se ale nesmí změnit na experimentálním faktu, že běžné jevy při dostatečně nízkém gravitačním poli a nízkých energiích – například prozaické Aspectovy pokusy – musí mít stále interpretaci v řeči relativistické a lokální kvantové teorie pole.

Určité jevy kvantové gravitace – například záhada informace v objektu, vypařujícího se z černé díry – mají nelokální podstatu, ale tento druh nelokality nezodpovídá za zdánlivou nelokalitu, kterou Bohm vidí v Aspectových pokusech. Je třeba říci, že za posledních několik let fyzika udělala velké kroky k chápání počtu stupňů volnosti a podobných záhad, které přesně ukazují, v čem měl autor intuici dobrou a v čem se mýlil. Tak například jeho analogie s akváriem. Pokud se dvě ryby pohybují určitým korelovaným způsobem a musí tomu tak být vždy, znamená to, že počet stupňů volnosti je menší, než se zdá na první pohled. Pokud si představíme svět – nebo počítač – jako krychlovou síť rozřezanou na buňky o velikosti krychlového nanometru, víme zcela jistě, že každá kostička může být nezávisle na ostatních v jakémkoliv stavu. Při běžných jevech vypadá svět jako systém extenzivní v objemu, v němž jsou jednotlivé geometricky oddělené části nezávislé. Entropie – střední hodnota informace, kterou lze zakódovat – je pro dané těleso fakticky úměrná objemu.

V říši kvantové gravitace je tomu jinak. Ukazuje se, že pokud se snažíme někam nahustit příliš mnoho informace, musíme tam dát i příliš mnoho hmoty, čímž vytvoříme černou díru. Ale entropie černé díry je úměrná jejímu povrchu (vydělenému čtyřnásobkem Newtonovy gravitační konstanty). Přesnější tvrzení tedy říká, že daná oblast prostoru se může nacházet jen v exp(S) stavech, kde S je povrch této oblasti vydělený čtyřnásobkem Newtonovy konstanty (v jednotkách c = \hbar = 1). Tohle je přesný smysl holografie, jediné holografické omezení na množství nezávislé informace ve vesmíru. Je nasnadě, jak posoudíme, zda to či ono Bohmovo tvrzení je správné či chybné. Pokud souhlasí s tím, co říkám já, je správné, pokud nesouhlasí (například říká, že jsou věci více spojené, než požaduje kvantová gravitace), je chybné – protože protiřečí entropii černé díry. Není třeba psát složité filosofické eseje, stačí pochopit základy kvantové gravitace a teorie strun. Odpovědi na většinu kladených smysluplných otázek jsou již známy.


Vesmír jako hologram

Březen 22, 2008

Vesmír jako hologram – Alain Aspect

V roce 1982 došlo k významné vědecké události. Na univerzitě v Paříži vědecký tým vedený fyzikem Alainem Aspectem provedl jeden z významných fyzikálních experimentů. Aspect a jeho tým objevili, že za určitých podmínek subatomární částice, jako jsou elektrony, jsou schopny spolu okamžitě vzájemně “komunikovat” nezávisle na vzdálenosti, která je odděluje. Nezáleží na tom, zda jde o centimetry nebo o miliardy kilometrů. Každá taková částice vždy určitým způsobem má informaci o chování druhé částice. Problémem této hypotézy je porušování Einsteinova postulátu, který tvrdí, že žádná informace se nemůže šířit rychleji než je rychlost světla ve vakuu. Protože rychlost pohybu, která je vyšší než rychlost světla ve vakuu, vede k porušení časové kauzality, tato nepříjemná skutečnost vede některé fyziky k tomu, aby se pokoušeli prokázat neplatnost Aspectových objevů. Tyto objevy však současně vedli jiné fyziky k ještě radikálnějším závěrům.

Fyzik David Bohm z Londýnské královské univerzity například věří, že Aspectovy objevy dokazují neexistenci objektivní reality a že navzdory hmotné podstatě vesmíru je jeho skutečnou podstatou obrovský a dokonale detailní hologram. Abychom pochopili, proč Bohm vyslovil tento tak překvapivý názor, musíme nejprve porozumět podstatě hologramu. Hologram je trojrozměrná fotografie vytvořená pomocí laseru. Pokud chceme vytvořit hologram, musí být fotografovaný objekt umístěn tak, aby první svazek paprsků laseru dopadal přímo na objekt a druhý svazek paprsků vznikl odrazem paprsků prvního svazku od zrcadla. Výsledkem jsou interferenční obrazce, které se zachycují na fotografické desce. Když se fotografická deska vyvolá, obsahuje světlé a tmavé interferenční pruhy. Pokud je však vyvolaná deska ozářena paprskem laseru, v prostoru se objeví obraz původního objektu. Trojrozměrnost takových obrazů však není jedinou významnou vlastností hologramů. Pokud je například hologram růže roztržen na dvě části a jedna část je ozářena laserem, zobrazí se prostorový obraz celé růže. Když je část hologramu znovu rozdělena, každý jeho kousek filmu je schopen zobrazit stejný obraz, jako původní hologram. Na rozdíl od normální fotografie, každá část hologramu obsahuje úplnou informaci o celém obrazu.

Podstata hologramu, kdy je “celek uložen v každé části”, nám předkládá zcela nové chápání organizace a řádu. Západní věda v celé své historii při snaze pochopit reálný svět vždy studovala jednotlivé části celku, aby pak pochopila celek. Ať už vědci zkoumali žábu nebo atom, vždy studovali jednotlivé části a na základě těchto znalostí usuzovali na vlastnosti celku. Princip hologramu nás poučil, že některé skutečnosti ve vesmíru nelze pochopit uvedeným postupem. Pokud se pokusíme studovat celek, který je vytvořen holograficky, pak jeho dělením nezískáme jeho části, ale pouze menší celky.

Tento princip motivoval Davida Bohma k jinému chápání Aspectova objevu. Bohm věří, že příčina vzájemného kontaktu subatomárních částic není v nějaké výměně signálů, ale tkví v tom, že jejich oddělenost je pouhá iluze. Argumentuje tím, že na hlubší úrovni reality nejsou takové částice jednotlivé objekty, ale jsou jen určitým rozšířením stejného fundamentálního základu. Aby Bohm svoji myšlenku přiblížil ostatním, vymyslel následující přirovnání. Představme si akvárium s rybičkami. Představme si dále, že nejsme schopni se dívat na akvárium přímo, ale naše znalosti o něm jsou zprostředkovány dvěma televizními kamerami, jedné umístěné vpředu a druhé umístěné na jeho boku. Pokud sledujeme dva televizní monitory, můžeme předpokládat, že rybičky na každém monitoru jsou samostatné objekty. Protože kamery jsou postaveny v různých úhlech, každý obraz akvária je jiný. Pokud však budeme dostatečně dlouho sledovat na každém monitoru jednu rybu, můžeme za čas zjistit, že mezi nimi je určitý vztah. Když se jedna z nich pohne, druhá udělá poněkud jiný ale odpovídající pohyb. Když jednu vidíme zepředu, druhou uvidíme z boku. Pokud nemáme možnost celkového obrazu situace, můžeme si dokonce představovat, že obě ryby spolu musí trvale a nepřetržitě komunikovat, ale nebudeme vědět jak. A právě to, říká David Bohm, je přesně stejná situace u subatomárních částic v Aspectově experimentu.

Podle Bohma, domnělé nadsvětelné spojení mezi částicemi nám ve skutečnosti jen říká, že existuje hlubší úroveň reality, která je před námi utajena, komplexnější rozměr za naším, jako je v naší analogii akvárium. Vnímáme objekty, jako jsou subatomární částice, vzájemně oddělené, protože vidíme jen část jejich reality. Takové částice však nejsou oddělenými částmi, ale jen obrazy hlubší a níže ležící reality, která je vlastně hologramem a je nedělitelná jako náš hologram s růží. A proto všechno, co existuje ve fyzikální realitě je uloženo na nižším “základě” a vesmír sám je jen obrazem, hologramem tohoto základu.

Pokud tuto hypotézu dále rozvineme, pak vesmír má mnohem více překvapivých vlastností. Jestliže jsou jednotlivé subatomární částice jen iluzí, pak to znamená, že na hlubší úrovni reality jsou všechny věci ve vesmíru navzájem nelokálně propojeny. Elektrony atomu uhlíku v lidském mozku jsou spojeny se subatomárními částmi kterékoliv hmotné částice ve vesmíru. Všechno souvisí se vším, a ačkoliv lidská povaha se snaží svět dělit do kategorií a skupin, různé vlastnosti vesmíru jsou jen synchronními projevy jedné společné podstaty vesmíru. V holografickém vesmíru se dokonce nelze dívat na čas a prostor jako na jeho základ. Žádné místo není odděleno od žádného jiného, proto čas a prostor jsou jen projekcí nižší úrovně. Na takové hlubší úrovni reality existuje posloupnost superhologramů, ve kterých je minulost, přítomnost a budoucnost současně. To vede k myšlence, že pokud vytvoříme vhodné nástroje, tak jednou budeme schopni proniknout na tuto úroveň a budeme se pohybovat v čase všemi směry. Co všechno takový “superhologram” obsahuje, zůstává otevřenou otázkou. Lze si například představit, že takový superhologram je matricí, jíž je dán vznik všemu v našem vesmíru, tedy určuje, čím každá subatomární částice kdy bude – každé seskupení hmoty a energie, které je potřebné, od sněhových vloček po kvasary. Lze se na tyto hologramy dívat jako na kosmické muzeum “všeho, co je”.

Ačkoliv Bohm připouští, že nemusí existovat žádný způsob jak zjistit, co leží ukryto v superhologramu, odvažuje se tvrdit, že není žádný důvod, aby neobsahoval více skutečností. Je možné, že superholografická úroveň reality je jen jedním stupněm, za ním leží “nekonečnost dalšího vývoje”. David Bohm není jediný vědec, který předpokládá, že vesmír je hologram. Neurofyziolog Standfordské univerzity Karl Harry Pribram, jehož rodina mimo jiné pochází z Příbrami, se zabývá výzkumem lidského mozku a je také přesvědčen o holografické podstatě reality. Karl H. Pribram vytvořil holografický model, který objasňuje, jak jsou paměťové informace v mozku uloženy. Po dlouhém období výzkumů došel k přesvědčení, že lidské vzpomínky nejsou uloženy na určitém místě v mozku, ale jsou rozprostřeny v celém mozku.

Vědec Karl Lashley skupinou experimentů v roce 1920 zjistil, že nezávisle na tom, která část mozku krysy byla odstraněna, krysa nezapomněla, jak vykonat řadu úkolů, které se naučila před operací. Tehdy nikdo nebyl ochoten přijmout mechanismus, že podstata paměti je založena na kuriózní představě “celek v každé části”.

V roce 1960 přišel Pribram se svojí holografickou hypotézou a vyhledal výsledky řady vědců, aby svoji hypotézu potvrdil. Pribram věří, že vzpomínky nejsou uloženy v neuronech nebo ve skupinách neuronů, ale v obrazcích nervových impulsů, které probíhají celým mozkem stejným způsobem, jako světlo laseru interferuje celou oblastí kousku filmu, na němž je holografický obraz. Jinými slovy, Pribram věří, že mozek je sám o sobě hologram. Pribramova teorie také vysvětluje, jak může lidský mozek uchovávat tolik vzpomínek na tak malém prostoru. Odhaduje se, že lidský mozek má kapacitu pamatovat si přibližně 10 miliard bitů informace během průměrného lidského života (což je přibližně stejné množství informace jako v pěti svazcích Encyklopedie Britannica). Bylo zjištěno, že hologram může podobné množství informace uchovat jednoduchou změnou úhlu, pod kterým dopadají dva laserové paprsky na fotografický film. Je možné tak uložit různé obrazy na stejném fotografickém povrchu. Lze ukázat, že na jednom krychlovém centimetru filmu lze udržovat více než 10 miliard bitů informace.

Naše neobvyklá schopnost rychle si vybavit informaci, kterou potřebujeme z obrovského množství vzpomínek, je pochopitelná, pokud si představíme, že mozek pracuje podobně jako hologram. Pokud se vás přítel zeptá, co se vám vybaví na slovo “zebra”, není třeba procházet setříděný obrovský datový soubor v mozku a hledat odpověď. Asociace jako “pruhovaný”, “podobný koni” nebo “zvíře žijící v Africe” se vám vybaví téměř okamžitě. Vskutku, jednou z nejzáhadnějších věcí na procesu lidského myšlení je, že každá část informace se zdá být spojena s mnoha jinými souvisejícími informacemi, tedy další vlastnost hologramu. Protože každá část hologramu je nekonečně spojena s každou jeho jinou částí, může být tím vysvětlena podstata takového uspořádání informací v mozku. Ukládání informací v mozku tedy není jen neurofyziologickou skládačkou, která se jeví pochopitelnější ve světle Pribramova holografického modelu mozku. Pribramův model umožňuje vysvětlit, jak je mozek schopen přeložit posloupnost frekvencí, které přijímá smysly (světelné frekvence, zvukové atd.), do konkrétních slov našeho vnímání. Kódování a dekódování frekvencí je přesně to, co hologram dělá nejlépe. Funkce hologramu jsou zajištěny skupinou optických čoček, které převádějí význam frekvencí a bodů na obraz. Pribram věří, že mozek je složen také s určitých “čoček” a používá holografické principy pro matematickou konverzi frekvencí, které přijímá pomocí smyslů z vnějšího světa. Podstatou Pribramovy teorie je tedy myšlenka, že mozek používá holografické principy pro provádění svých operací. Pribramova teorie dnes získává mezi neurofyziology stále větší podporu.

Argentinsko-italský vědec Hugo Zucarelli rozšířil holografický model na svět akustiky. Objasnil fakt, že člověk je schopen určit zdroj zvuku aniž by pohnul hlavou a to dokonce i v případě, že slyší jen na jedno ucho. Zucarreli uvažoval, že holografické principy by takové schopnosti snadno vysvětlily. Zucarelli také vyvinul technologii holofonního zvuku, záznamovou techniku, která je schopna reprodukovat akustickou situaci tak, jak ji vnímáme reálně. Pribramova hypotéza, že náš mozek matematicky konstruuje “tvrdou” realitu v závislosti na vstupních frekvencích, získala tak určitou experimentální podporu. Zjistilo se, že každý z našich smyslů je citlivý na mnohem větší oblast frekvencí, než se původně čekalo. Vědci například objevili, že náš zrakový systém je citlivý na zvukové frekvence, že náš čich je částečně závislý na tom, co se nazývá “osmické frekvence” a že dokonce buňky našeho těla jsou citlivé na určitý rozsah frekvencí. Tyto objevy nás přesvědčují, že existuje jediný holografický systém vnímání, který takové frekvence třídí a rozděluje je mezi jednotlivé smysly.

Zajímavé závěry získáme, pokud Pribramův holografický model mozku spojíme s Bohmovou teorií. Pokud je náš reálný svět jen jakousi sekundární realitou, a všechno co je “zde” je jen holografickou směsí frekvencí a pokud mozek je také hologram, který vybírá jen určité frekvence z této směsi a matematicky je transformuje na naše smyslové vnímání, co je vlastně objektivní realita? Jak tvrdí náboženství Východu, materiální svět je jen iluze a ačkoliv si myslíme, že jsme fyzické bytí pohybující se fyzickým světem, nejde o nic, než o naši představu. Jsme jen “přijímači” obrovského oceánu frekvencí, a to, co z něj vybíráme a převádíme na svoji fyzikální realitu, je pouze jediným kanálem z mnoha, které lze ze superhologramu získat. Toto vytvoření nového pohledu na realitu, syntéza Bohmova Pribramova pohledu, se nazývá “holografické paradigma”. Ačkoliv mnoho vědců má vůči této hypotéze vážné výhrady, jiné vědce tato hypotéza motivuje. Malá ale stále rostoucí skupina vědců věří, že tato hypotéza může být nejpřesnější model reality, který věda může získat. Někteří věří, že může vysvětlit některá mystéria, která by jinak byla nevysvětlitelná vědou, jako jsou paranormální jevy a jejich podstata. Někteří vědci, včetně Bohma a Pribrama věří, že většině parapsychologických jevů lze porozumět ve světle holografického paradigmatu. Ve vesmíru, v němž jsou jednotlivé mozky neviditelnými částmi většího hologramu a vše je nekonečně propojeno, je telepatie jen projevem holografické úrovně.

Lze mnohem snáze porozumět, jak informace mohou cestovat z mysli jednoho člověka do mysli druhého člověka na velkou vzdálenost a lze vyřešit mnoho dnes stále ještě neřešitelných problémů psychologie. Grof předpokládá, že holografické paradigma dává model pro chápání mnoha zmatených reakcí, které lidé pociťují při změně stavu svého vědomí. V roce 1950, během provádění výzkumů pomocí halucinogenu LSD jako psychoterapeutického nástroje, Grof měl jednu pacientku, která náhle měla pocit, že se stala samicí jistého druhu prehistorického plaza. Během trvání halucinace nejenže přesně popisovala všechny pocity, jako by skutečně byla plazem, ale dokonce popisovala části samčí anatomie. Popsala, že hlava samce byla pokryta barevnými skvrnami. Jak Grof zjistil, ačkoliv žena nikdy neměla předchozí znalosti o těchto věcech, pozdější konzultace se zoology potvrdila, že určité druhy plazů měly barevné skvrny na hlavě, které měly důležitou roli při sexuálních hrách těchto tvorů. Zkušenosti ženy nebyly ojedinělé. Během svého výzkumu Grof zjistil, že jeho pacienti se identifikovali s různými druhy evolučního žebříčku. Většinou se zjistilo, že tyto zkušenosti obsahovali velmi podrobné zoologické detaily, které byly značně přesné. Regrese do zvířecí podoby nebyla jediným objevem, které Grof učinil. U některých pacientů pozoroval přeměnu do individua neobvyklé skupiny nebo rasy. Pacienti, které měli nízké nebo žádné vzdělání, náhle popisovali třeba praktiky pohřbívání Indiánů nebo scény z hinduistické mytologie. V některých jiných případech pacienti podnikali cesty mimo své tělo nebo měli předtuchy z budoucnosti nebo se reinkarnovali. V pozdějším výzkumu Grof zjistil stejné jevy, které se projevovaly při terapii bez použití halucinogenu. Společným článkem těchto zkušeností pacientů byl přenos vědomí pacienta do jiného vědomí jednotlivce bez omezení času a prostoru. Grof proto tyto projevy nazval jako “transpersonální zkušenosti” a koncem 60. let 20. století vznikla oblast psychologie – “transpersonální psychologie”, která pokračovala v jeho výzkumech.

Ačkoliv před několika lety založená Asociace transpersonální psychologie je rychle rostoucí skupinou stejně smýšlejících odborníků a stala se uznávanou oblastí psychologie, v době, kdy Grof a někteří jeho kolegové prováděli své první výzkumy nebyl znám mechanismus těchto zvláštních duševních projevů. Dnes se tyto projevy vysvětlují právě pomocí holografického paradigmatu. Jak Grof uvedl, pokud je naše vědomí součástí kontinua, pak nejenže existuje cesta mezi jednotlivými vědomími lidí, ale dokonce existuje spojení mezi každým atomem, každým organismem nebo každou oblastí samotného prostoru a času a toto spojení občas vede k transpersonálním projevům, které se dosud jevily jako nepochopitelné. Holografické paradigma má své důsledky i v exaktních vědách, jakou je biologie. Keith Floyd, psycholog z koleje Virginia Intermont, tvrdí, že pokud je realita jen holografickou iluzí, nelze dále tvrdit, že mozek vytváří vědomí. Naopak, je to právě vědomí, co umožňuje výskyt mozku, stejně jako tělo a všechno kolem interpretujeme jako to, co je fyzické. Někteří odborníci tvrdí, že medicíně a jejím léčebným procesům lze porozumět na základě holografického paradigmatu. Pokud je fyzická struktura našeho těla jen holografickou projekcí vědomí, pak je jasné, že každý z nás má v sobě takové schopnosti zajistit si zdraví, které medicína sotva poskytne. Na choroby se lze dívat jako na změny v našem vědomí, které se odrážejí v hologramu našeho těla.

Různé rozporuplné léčebné postupy jako je vnímání nemocných orgánů dotykem ruky, pak lze snadno vysvětlit, pokud přijmeme názor, že holografický obraz mysli je stejně reálný jako naše realita. Dokonce některé neobvyklé projevy “neobyčejné” reality lze vysvětlit pomocí holografického paradigmatu. Ve své knize “Gifts of Unknown Things” (Dary neznámých věcí) biolog Lyall Watson popisuje své zkušenosti s indonéskou šamanskou ženou, která provedením rituálního tance byla schopna nechat zmizet celou skupinu stromů. Watson pozoroval celý jev s několika dalšími pozorovateli a viděl skupinu stromů jak zmizet tak objevit se a to dokonce několikrát za sebou. Ačkoliv běžné vědecké chápání není schopno objasnit takovéto události, události podobné výše uvedené nás stále více ubezpečují, že skutečná realita je pouze holografickou projekcí. Zřejmě se shodneme na tom, co je “zde” nebo “není zde”, protože to, co nazývám realitou je vytvářeno na úrovni lidského vědomí, ve kterém jsou všechny lidské mysli vzájemně propojeny. Je-li to pravda, pak je to nejhlubší důsledek holografického paradigmatu ze všech. Znamená to, že takové zkušenosti jaké získal Watson, nemají společný základ v naprogramování našich myslí. V holografickém vesmíru nejsou žádná omezení rozsahu, v jakém můžeme měnit strukturu reality. Všechno, co si představujeme jako realitu, je pouze plátno čekající až na něj nakreslíme obraz, jaký chceme. Cokoliv je možné, od ohýbání lžic silou vůle až po neuvěřitelné události pozorované Castanedou během jeho setkání s Yagui don Juanem. Není to o nic více zázračné, než naše schopnost vypočítat realitu když se nám zdají sny.

Většina našich základních představ o realitě se stane nedokonalá, pokud přijmeme hypotézu holografického vesmíru. Dokonce náhodné události lze vysvětlit na holografických principech a pak je lze určit. Objeví se náhle určité nové souvislosti a většinu nevysvětlitelných událostí lze popsat nějakou symetrií. Ať už věda přijme nebo odmítne Bohmovo a Pribramovo holografické paradigma, je jisté, že tato hypotéza již nyní natrvalo ovlivnila myšlení mnoha vědců. I kdyby se ukázalo, že holografický model nedává nejlepší vysvětlení pro vzájemnou komunikaci subatomárních částic, tento model znamená, že se musíme připravit na radikálně nové pohledy na realitu.


Follow

Get every new post delivered to your Inbox.