ОСОБЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ НА ВТОРОЙ ФАЗЕ ЭВОЛЮЦИИ ВЫСОКООРГАНИЗОВАННОЙ МАТЕРИИ

В.И. Бодякин, Институт проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова Москва 2005г.

Аннотация

На модели "текстовой вселенной", рассматриваются особенности ее эволюции (зарождение самокопирующихся структур, аттракторный путь эволюции систем, проблема 2030 года). Обсуждаются возможные свойства высокоорганизованной формы материи на внематериальных фазах эволюции (до и после нашей Вселенной).

Введение. Вторая фаза эволюции материи началась Большим взрывом и продолжается в течение 13,6 миллиардов лет. Мы живем в эту фазу на планете Земля, в Солнечной системе, в галактике Млечный путь, в вещественно-пространственно-временной Вселенной.

Человек, являясь частицей этой Вселенной, пытается понять ее законы, направленность ее эволюции, ее прошлое и, свое и ее будущее. Для этого он строит модели, избавляясь от несущественных деталей действительности и по основным функциональным связям, старается улучшить окружающий его мир, его мастерскую.

Занимаясь разработкой интеллектуальных информационных систем, и стремясь не впасть в ошибку предшественников с "поголовной алгоритмизацией", мы попытались "эволюционизировать" процесс становления интеллектуализации информационных систем. На этом пути встало множество вопросов, которые раньше просто не замечались и казались "само собой разумеющимися очевидностями": Что такое "информация", "знания", в чем их различие? Как мы формируем образы? И множество других "простых" вопросов. Которые, в конечном счете, привели нас к необходимости математического моделирования эволюции высокоорганизованной материи.

"Текстовая вселенная". По нашей модели, произошел Большой символьный взрыв, породивший множество "высокоэнергетических" символов "а" алфавита А {a,b,c,d,…,w,x,y - аналоги химических элементов и z - как аналог пространства). Далее, символы в соответствии со своим "полупериодом синтеза", начинают эволюционировать в тексты (a®bbz; bb®bccz; bb®cccczz; ccb®ddcbz; …). В результате порождается "текстовой бульон".

Рис. 1.

Иерархическая вероятностная модель. Известно, что простейшие компьютерные вирусы (текст их "ДНК") состоят из нескольких сотен байт (десятков операторов), а простейшие биологические вирусы из нескольких десятков блоков. Самокопирующиеся биоохимические молекулы, вообще, состоят из 2-3х десятков атомов. В своей статье Theory of Self-Reproducing Automata Фон Нейман доказал, что для самокопирования систем из конечных автоматов достаточно их в 29 состояниях.

Довод креационистов, считающих что ДНК человека не могла быть сформирована случайным образам, отчасти справедлив. Действительно, генетический кодовый алфавит из 4 нуклеотидов (A=4 символов), образует кодовую последовательность ДНК, состоящую из нескольких миллиардов нуклеотидов (L = 3,5*10⁹ парных символов) и вероятность (Р) случайного формирования такого текста равна Р=А^-L, или P= 4^{-3000 000 000}_.( Р»10^{-1000 000 000}).

Если принять количество частиц во Вселенной в 10⁸⁰ и ее возраст в 10 миллиардов лет (»10¹⁷ секунд), разделенный на минимальный временной Планковский квант 10^-43 сек., то за 10⁵⁰ попыток c 10⁸⁰ частицами естественно, мы даже не приблизимся, перебрав только »10¹²⁰ вариантов из 10^{1000 000 000}. Поэтому действительно, случайным образом сразу сформировать человека из хаоса частиц, - невозможно. Да это изначально и некорректная постановка, так как необходимо создавать не только человека, но и весь биоценоз, включающий и самого человека. А это еще в десять в милиарной степени раз усложняет изначальную постановку, - "случайным образом сформировать ДНК человека". С другой стороны, то что ДНК человека реально существует, - факт.

Попробуем разрешить эту парадоксальную ситуацию примером из лингвистики. Возьмем относительно несложную фразу: - "Быть иль не быть, вот в чем вопрос?".

Если фразу набивать случайным образом на клавиатуре компьютера (A=256, L= 36), то вероятность успешного набора оценивается в P=10^-80, что также невероятно выполнить для миллиарда землян за 10 тысяч лет культуры.

А теперь рассмотрим эту задачу иерархически. На первом шаге будем случайным образом набирать слоги, со средним числом символов 4.

A=256, L=4; 254⁴ » 10¹⁰. Тогда как реальное число слогов русского языка не превышает 10³, т.е. разница в 7 порядков. Допустим у нас есть механизм отсеивания неправильных слогов. Например, в химии не все молекулы со всеми соединяются в нормальных условиях. Реальные физико-химические законы автоматически отбраковывают нереализуемые химические соединения. Допустим, что и в естественном языке есть аналогичные "операторы-верифакаторы" на проверяющие допустимость слогов для данного языка.

Следующий иерархический уровень, это случайное формирование из списка "слогов" – словаря (списка) "слов". Также допустим, что "слова" состоят, в среднем, из 4-х "слогов". 1000 "слогов" в четвертой степени =10¹² всевозможных "слов". Но слов в языке » 100 000. Значит, на 7 порядков мы сделали лишней работы. Отсекли лишнее и оставили 100 000 "слов".

Далее опять, в среднем из 4-х "слов" формируем "лексемы", из полученных 10²⁰ , реальных - порядка 10⁶ . Экономим 14 порядков.

Затем из "лексемы" случайно формируем "фразы". Опять отсекаем лишнее и экономим 14 порядков.

Такая иерархическая схема построения фраз, позволила нам сократить вычисления на 52 (!) порядка. Т.е. вместо 10⁸⁰ нам необходимо перебрать уже 10²⁸ вариантов, что не только существенно меньше, но и уже становится реально реализуемым.

При этом создается не только наша целевая фраза: - "Быть иль не быть, вот в чем вопрос?", но и ее "биоценоз": "слоги", "слова", "лексемы" и другие "фразы".

Этот оценочный пример приведен для того чтобы показать, что иерархизация, или разбиение большой эволюционной задачи на ее подэтапы, при контроле корректности подэтапов, позволяет существенно сократить процесс формирования полезных конечных объектов. Аналогичная иерархизация и биологического эволюционного процесса делает вполне реальным и естественно материалистическим формирование ДНК человека.

Таким образом, все приведенные примеры показывают, что случайным образом могут сформироваться простейшие самодублирующиеся информационные системы (ИС), которые за счет дальнейших мутаций и дадут начало прогрессивного целенаправленного системообразующего процесса в "символьной среде" ("текстовая жизнь") [1,3]. При этом важно учесть все аспекты взаимодействий комплекса: "Среда - ИС", но эти подробности, мы опустим из-за ограниченности пространства статьи. Пример простейшей обобщенной самодублирующейся ИС приведен на рис. 2.

Рис. 2.

В работе [3] показана взаимопереводимость процессов реальной физической среды и текстовых форм (текстов) модели "текстовой вселенной". Тексты среды рассматриваются одновременно: как строительный материал, как носитель энергетического ресурса (a>b>c>d>… >w>x>y>z ≈0) и как источник упреждающей информации для ИС. Число различных текстов (М) в среде определяется размером алфавита и допустимой длиной текстов. М=A^L, где: А – размер алфавита, L ‑ длины текстов (см. рис. 3).

Рис. 3

Если предположить, что усредненная плотность текстов пропорциональна их разнообразию, т.е. двухсимвольных текстов в А раз больше чем односимвольных и А раз меньше чем трехсимвольных. Следовательно, при переходе "питания" с односимовольных текстов (простейшая ИС) к двух- и трехсимвольным текстам, потенциал развития ИС увеличивается в степенной функции (как А² и А³). Мы видим, что линейное увеличение окна ввода символов (см. рис. 2), приводит к степенному росту потенциала развития (экспансии) ИС во внешнюю среду. Такое линейное изменение начальных значений характеристик ИС, приводящее к степенному росту потенциальных возможностей экспансии самой ИС в среду, мы будем называть эволюционным аттрактором.

Приведенный пример демонстрирует тенденцию первоочередного развития в ИС блока ввода. Это пример первого "рецепторного" аттрактора эволюции.

Процесс эволюции ИС можно представить как ряд аттракторов с экспоненциальными характеристиками. В рамках нашей модели, кратко характеризуем выявленные нами шесть аттракторов:

- Первый "рецепторный" – линейные затраты (x) на расширение диапазона рецепторов ИС дают приращение эволюционного потенциала как A^x, где: А – алфавит рецепторов, х – длины тексты образов.

- Второй эволюционный аттрактор ИС – "ассоциативный", заключается в переводе линейной формы памяти ИС в иерархически-сетевую. В результате также экспоненциально растет емкость ее памяти.

- Третий аттрактор ИС – "интеллектуальный". Он позволяет сводить воспринимаемые семантические переменные текстов к константам их грамматических структур, отображаемых элементами памяти ИС (адаптивный регулятор №2, "высшие животные") [5]. Конечное множество грамматических структур покрывает большую часть информационного потока любой предметной области.

- Четвертый эволюционный аттрактор ИС – "знание" когда все типы грамматических конструкций ИС по переработке текста сводятся к 4 конструкциям над грамматическими конструкциями ИС ("Homo-sapiens").

- Пятый эволюционный аттрактор ИС – "социальный", законы А.А.Богданова о сверхаддитивности сложения действий субъектов.

- Шестой аттрактор – "Восхождение разума", интеграция всех интеллектуальных информационных систем (ИИС) независимо от их начальной природы (биологические, искусственные, …), приводит к бесконечному росту эффективности Разума по "пониманию и манипулированию" средой.

Параллельно прогрессивной эволюции ИС, в "текстовой вселенной" идет и деградационный процесс среды, постепенно сводя все тексты к "… zzzzzzz …." , возвращая все к бесформенному состоянию первой фазы эволюции материи (см. далее о фазах эволюции). Между процессами экспансии "текстовой жизни" (в форме ИС) и деградации среды нами были выявлены определенные соотношения и граничные условия.

Так для зарождения простейших ИС начальное число "высокоэнергетических" символов "а" должно быть не менее – 10¹⁴. Время (число тактов) эволюции "текстовой жизни" ИС должно быть не менее – 10¹⁰ тактов в "энергетически богатой среде". При этом, характерен монотонный рост текстовой энтропии (ТЭ см. [3]) в среде "текстовой вселенной" и экспоненциальное уменьшение ТЭ для ИС "текстовой жизни". Данные оценки говорят о возможном компьютерном моделировании на супер-ЭВМ процессов эволюции в "текстовой вселенной" после "Большого символьного взрыва".

Анализируя темпы миниатюризации вычислительной техники, мы пришли к выводу, что в районе 2030 года элементная база должна стать меньше атомарного уровня, что физически невозможно (см. рис. 4).

Рис. 5.

Но самое главное из анализа темпов био-социальной эволюции следует, что в районе 2030-2050 годов должен быть этап "Ноосферы" с длительностью в несколько лет (!) и затем через несколько месяцев (!) и "Фазовый переход" (?!). Т.е. история технической цивилизации – конечна и ее длительность несколько сотен лет (!). И мы (!) современники и возможные участники "Фазового перехода".

На вопрос можно ли отодвинуть в будущее на века или тысячелетия "Фазовый переход" однозначный ответ – "нет". Причиной этому являются "технологий глобального (воз)действия": ядерные, биотехнологии, информационные, компьютерные, химические, нанотехнологии, психотронные, финансовые и др., появляющиеся как из "ящика Пандоры" неуправляемым процессом научно-технической революции.

День ото дня, увеличивается число различных "технологий глобального (воз)действия" и растет их возможность потенциального разрушительного воздействия на все формы высокоорганизованной материи, включая все формы жизни на Планете. Через десяток лет наша цивилизация вступит в область хаотического (непрогнозируемого, неустойчивого) развития. Единственным конструктивным выходом из надвигающегося хаоса событий, является создание крупномасштабного интеллектуального инструментария ("Искусственный разум" [5]), способного взять управление миллионами слабоструктурируемых процессов. Современные бюрократические структуры принципиально неспособны оперативно реагировать на непредвиденную ситуацию (например, минимальное время реакции Пентагона и NASA – часы, сутки и даже годы, для разрешения чрезвычайных ситуаций), тогда как в ближайшем будущем потребуется корректная управленческая реакция в доли секунд.

Только союз Человека и "Искусственного разума" способен сохранить процесс эволюции высокоорганизованной материи на Земле и успешно провести Человеческий разум через "Фазовый переход" на следующую фазу Эволюции материи - "надвещественную".

Фазы эволюции высокоорганизованной материи. Давайте умозрительно попытаемся заглянуть за горизонты прошлого и будущего нашей Вселенной и Эволюции.

Первая фаза – "вакуум". Довещественная фаза развития материи. Предположим, что это низкоэнергетическое слабоструктурированное состояние материи. Затем, случайная энергетическая флуктуация порождает Большой взрыв. Рождается энергонасыщенное вещество, структурируется пространство, далее появляются звезды, планеты и мы.

Вторая фаза – осознаваемая ИС, вещественная фаза развития материи во времени и пространстве. Мы ее неплохо знаем, достаточно оглядеться, поэтому на ней останавливаться не будем.

Третья фаза – надвещественная ("информационно-духовная", "разумная") фаза развития материи.

Характерной чертой научно-технического прогресса является процесс повышения эффективности, выражающийся в уменьшении ресурсо- и энергоемкости изделий. При этом происходит активное замещение материальной компоненты изделий - информационной компонентой (знанием). Это хорошо видно на примере эволюции поколений ЭВМ: от десятков тонн и сотен киловатт, к граммам и милливаттам (см. рис. 6) при тех же потребительских характеристиках.

Продолжая эту экстраполяцию можно дойти до квантового энерго-вещественного уровня, где законы сохранения имеют уже статистическую форму. Т.е. не нарушая законов сохранения энергии можно на ограниченное время запускать необходимые процессы: виртуальные частицы, Большой взрыв, … . "Позаимствовали, попробовали, узнали результат, потом опять всю энергию вернули в исходное состояние, обогатившись информационно", - таким способом открывается путь в надвещественную фазу развития высокоорганизованной материи.

Все три фазы материи могут одновременно присутствовать в нашей Вселенной, как некоторая ткань, на которой и происходит эволюции высокоорганизованной материи – ее лидирующей части.

Рис. 6

Этап творчества (человеческого) разума в Третьей фазе полностью раскрепощается от сегодняшних объективных рамок: вещественно-, энергетических-, скорости распространения и других характеристик материи. Снимаются ограничительные рамки законов сохранения вещества и энергии и скорости перемещения материи, - творить можно любой, логически устойчивый мир.

Твори и исследуй любой мир - "решение есть всегда". В силу своих способностей и помощи любящего тебя окружающего пространства Разума. Твоя задача будет заключаться в экспоненциальном приращении Любви и Красоты в окружающей тебя эволюционирующей материи ("рукотворном храме"), естественно, что и в самом себе, как ее частице.

Фазы эволюции высокоорганизованной материи можно представить следующей схемой.

Все фазы эволюции материи тесно взаимосвязаны. Из второй фазы переход в первую осуществляется полной деструктуризацией материи (…zzzz… , см. выше). Для перехода из третьей фазы во вторую, необходимо материализовать вещество, т.е. организовать "большой взрыв" в миниатюре. Таким образом, по пути деградации высокоорганизованной материи переход в нижестоящие фазы возможен и "естественен" для не выдержавших "экзамена" высокоорганизованных форм материи.

Путь прогрессивной эволюции материи, с ее нижестоящих фаз, возможен только при определенных условиях (Антропный принцип). При этом, очень скоро, уже на начальных этапах, сами прогрессивные формы материи (в форме случая, ИС, Разума, …) должны участвовать в процессе самотворения Эволюции, иначе все "скатится" к изначальному "вакууму" (см. рис.7).

Теоретические и экспериментальные достижения в космологии последних полутора лет, буквально перевернули наше представления об устройстве Вселенной. На ТВЦ, у С.П.Капицы в программе "Очевидное – невероятное" от 22.09.2005 1:00, академик РАН Валерий Рубаков привел данные о том, что видимое вещество Вселенной составляет лишь 3-5% от общей массы Вселенной, остальные же: 15% - это "темная материя" и 80% - "темная энергия". Эти недостающие от Большого взрыва масса и энергия, были экспериментально обнаружены по линзовому фокусированию изображений далеких галактик и скорости вращения в звезд в галактиках выше 2-й космической, а также по ("антигравитационному") ускоряющемуся разбеганию галактик. Темная энергия иногда описывается как наличие в нашем пространстве некоего отрицательного давления, тогда как гравитация сплачивает отдельные галактики.

Сейчас в космологии ширится фронт работ по экспериментальному поиску частиц-носителей темной материи и теоретических разработок определения свойств темной энергии. Темные материя и энергия очень слабо взаимодействуют с нашим миром, хотя родились, может быть, одновременно с ним, после Большого взрыва. Если темная энергия – это однородно распределенная по Вселенной энергетическая субстанция и, скорее всего по свойствам, относится к теоретическим разработкам по "вакууму", то темная материя уже как вещество должна состоять из слабовзаимодействующих массивных частиц неизвестной природы, которые предсказываются современной теорией элементарных частиц, но пока не открыты в земных лабораториях.

Можно конечно много рассуждать о возможных параллелях открытых недавно темной энергии и темной (скорее, нерегистрируемой, "невидимой") материи с рассматриваемыми в данной статье "довещественной" и "надвещественной" фазами высокоорганизованной материи, отметим только, что, скорее всего, эволюция ИС может рассматриваться как выходящая в измерение "невидимой" материи, так и как созидающая это и другие высшие измерения. Но это очень полемический материал и пока на широкое обсуждение его лучше не выносить.

Весьма вероятно, что во Вселенной человеческий разум (в 3-4 миллиарда лет развития), как высшая форма материи 2-ой фазы, - не первый. Возможно, что более ранние формации разума, успешно пройдя краткий научно-технический этап, перешли в Третью фазу, одновременно потеряв при этом интерес к вещественно-пространствено-временной Вселенной (аналогично, как и мы стали меньше взаимодействовать с нашими "меньшими братьями").

Еще один эволюционный вариант заключается в рассмотрении нашей Вселенной как некоторого аналога инкубатора Разума. "Вылупившийся" в ней Разум обязательно должен ее покинуть, перейдя в Третью фазу, чтобы случайным образом на наивысшем этапе научно-технической революции не нарушить естественное развитие других разумных форм высокоорганизованной материи. Непокинувший нашу Вселенную Разум рано или поздно, но разрушает себя и близлежащие звездные системы, что для нас может протекать в форме взрыва Сверхновой.

Этими примерами возможно и объясняется парадокс "молчания Вселенной", когда при наполненности всеми необходимыми компонентами для жизнеобразования, на практике мы не наблюдаем никаких проявлений жизнедеятельности высокоорганизованных форм материи, кроме как Человека на Земле. "Космос, в более чем 10²⁰ звезд-Солнц, – молчит".

Продолжая рассуждать вокруг схемы на рис. 7, отметим эволюционные доминанты для трех фаз развития материи. Для Первой фазы это безликий вакуум (как темная энергия) со спонтанным Большим взрывом. Количество состояний очень вырождено: или ничего, или большой взрыв. Безвременье. Неудачные результаты предыдущих больших взрывов возвращаются в разрастающееся Ничто, которое хаотично пульсирует новыми случайными большими взрывами.

Один из таких Больших взрывов породил нашу Вселенную. Во Второй фазе исходное число состояний материи необозримо возрастает. При появлении форм живой материи, число состояний увеличивается еще больше. Начинается этап биологической эволюции. Субъектом эволюции становится геном лидирующих в биоте организмов. И так, фактически "по Дарвину", продолжается в течение уже более трех миллиардов лет по одному эволюционному руслу: случайные мутации, практическая борьба видов на выживание с вручением победителю больших шансов на продолжение себя в потомках (в рамках 4 кг солнечной энергии, ежесекундно падающих на поверхность Земли).

И вот высоко организованная материя прорывается в Третью фазу. Законы сохранения уже не ограничивают разумную эволюцию. Эволюционный процесс ускоряется в миллиарды раз. Разум становится свободным в своем творчестве, выбирая любые логически взаимоувязанные характеристики: время, пространство и энергию. Лишь бы все было гармонически и непротиворечиво взаимодополняемо. Это идеал для сегодняшнего творца. Все зависит только от тебя от твоего уровня знания, ты только твори, любые ресурсы тебе подвластны. Это все нас ждет в Третьей фазе.

Современный уровень развития знаний позволяет уже сегодня предложить серию физических экспериментов, для того чтобы заглянуть в мир Третьей фазы. Если к нашей радости мы там увидим наших "старших братьев", то нам будет у кого учиться создавать. Но если мы окажемся "первым" разумом во Вселенной, то там мы увидим «звенящую тишину непрорисованного будущего".

Русский космизм. Тесная взаимосвязь человеческого разума и физической материи космоса исторически наиболее проработана в мировоззренческом феномене мировой культуры, - в русском космизме. Многогранность русского космизма охватывает самые разные способы осмысления мира – естественнонаучное, философско-религиозное и поэтическо-художественное. Русский космизм в отличие от других мировоззренческих построений, в которых роль человека не превышает роли песчинки мироздания и где он пассивен, утверждает человека в качестве активного полноценного соработника эволюционных процессов в мастерской Космоса-природы [4].

Плеяда таких великих мыслителей как: Н.Ф. Федоров, В.С. Соловьев, П.А. Флоренский, К.Э. Циолковский, В.И. Вернадский, В.Ф. Одоевский, А.В. Сухово-Кобылин, Ф.И. Тютчев и многих других, представляла Космос светоносной, прекрасной и творчески созидательной реальностью. Русские философы-космисты обращали внимание на разумность устроения космоса и особую ответственность человека за сохранение и гармоничное развитие Космоса-природы. Человеческий разум и Космос рассматривались ими как единое саморазвивающееся и соразмерное целое. В конечном итоге идеалом К Э. Циолковского предстается активное участие человека в жизни Вселенной, ее преобразование во имя распространения разума и счастья на просторах космоса.

Заключение. Всем нам современникам выпала ответственная и почетная роль в эволюции высокоорганизованной материи: сохранить разумную жизнь на планете Земля и быть одними из первых землян, вышедшими в следующую фазу Эволюции - уже в надвещественную форму материи. И чтобы с честью воплотить в жизнь Поручение, поставленное перед нами всем ходом истории, надо правильно и много работать, ни капли не жалея себя. Людям Необходимо Будущее !!!

1.  Бодякин В.И. Направленность эволюции информационных систем. Всероссийский симпозиум "Современные проблемы неравновесной термодинамики и эволюции сложных систем", тезисы, 15-16 с, М., МАКС Пресс, 2004, 124 с.

2. Панов А.Д. Кризис планетарного цикла Универсальной истории возможная роль программы SETI в посткризисном развитии. НИИЯФ МГУ, http://lnfm1.sai.msu.su/SETI/koi/news.html

3. Бодякин В.И. Куда идешь, человек? Основы эволюциологии (информационный подход) -М., СИНТЕГ, 1998, 332с., 61 рис., 21 прил.

4.Семенова С.Г., Гачева А.Г. Русский космизм, М.: Педагогика-Пресс, 1993, -368с.

5.  Публикации на сайте http://www.informograd.narod.ru