Сборник - Эта книга сделает вас умнее. Новые научные концепции эффективности мышления

Простейшая искусственная нервная сеть не содержит скрытых уровней, и сигналы на выходе прямо зависят от сигналов на входе. Такой двухуровневый «перцептрон» имеет очевидные ограничения. Например, с его помощью невозможно подсчитать количество черных кругов на белом фоне. Лишь в 1980-х стало ясно, что введение одного-двух скрытых уровней значительно увеличивает способности нейронной сети. Сегодня такие многоуровневые сети используют, например, для определения закономерностей взрывов частиц при их соударении в Большом адронном коллайдере – результат получается весьма точным и быстрым.

Дэвид Хьюбел и Торстен Визель в 1981 году были удостоены Нобелевской премии за описание работы нейронов зрительной коры. Они показали, что последовательные скрытые слои нервных клеток сначала извлекают информацию, позволяющую понять смысл видимой сцены (например, резкие изменения яркости или цвета, указывающие на границы объектов) и затем составляют из нее единое целое (объекты).

Наш мозг постоянно преобразует сигналы, возникающие при непрерывных ударах фотонов о сетчатку (двумерную поверхность), создавая образ упорядоченного трехмерного привычного нам мира. Это не требует никаких сознательных усилий, так что мы воспринимаем этот процесс как нечто само собой разумеющееся. Но когда инженеры попробовали воспроизвести зрительный процесс, создав зрячего робота, их ждало разочарование. Зрение роботов остается, по человеческим меркам, примитивным. Хьюбел и Визель продемонстрировали архитектуру природного решения. И оно заключается в использовании скрытых уровней.

Скрытые уровни демонстрируют довольно расплывчатую и абстрактную идею эмерджентных свойств. Каждый нейрон скрытого уровня имеет определенный рабочий шаблон. Он активируется и посылает собственные сигналы на следующий уровень, только когда получаемая им информация соответствует (в определенной мере) этому шаблону. Таким образом, каждый нейрон определяет (и создает) новую эмер-джентную закономерность.

Думая о скрытых уровнях, важно различать эффективность работы уже имеющейся сети и сложность ее образования. Это то же самое, что и разница между игрой на пианино (или плаванием, или ездой на велосипеде), когда вы это уже умеете, и обучением, которое намного сложнее. Вопрос появления новых скрытых уровней в нейронных сетях остается одной из загадок науки. Полагаю, это одна из самых больших нерешенных проблем.

Если отойти от нейронных сетей, концепция скрытых уровней становится удобной метафорой, позволяющей многое объяснить. Например, в физике (моей области) я много раз замечал, насколько важно придумать феномену название. Когда Мюррей Геллман придумал «кварки», он лишь дал название парадоксальному набору фактов. Когда феномен был определен, физикам оставалось довести его до чего-то математически точного и логически выдержанного, но критически важным шагом в решении проблемы является ее определение. Сходным образом, когда я ввел термин «анионы» для описания воображаемых частиц, существующих лишь в двух измерениях, я понимал, что речь идет о наборе характеристик, но не думал, как эти идеи разовьются и получат связь с реальностью. В подобных случаях названия создают новые узлы в скрытых уровнях наших мыслей.

Я убежден, что концепция скрытых уровней отражает глубокие закономерности работы разума – человеческого, животного, инопланетного, прошлого, настоящего или будущего. Создавая полезные концепции, разум облекает их в совершенно определенную форму, а именно в шаблоны, распознаваемые скрытыми уровнями. И разве это не прекрасно, что сами эти «скрытые уровни» – одна из наиболее полезных ментальных концепций?

ЛАЙЗА РЭНДАЛЛ

Физик, Гарвардский университет; автор книги Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe's Hidden Dimensions («Искривленные дороги: разгадка тайны скрытых размеров Вселенной»)

Слово «наука» само по себе является лучшим ответом на вопрос Edge.org этого года. Идея систематического изучения определенных аспектов мира и создания на основе накопленных знаний неких прогнозов, даже при всем понимании ограничений своих знаний глубочайшим образом влияет на наше мышление. Термины, отражающие природу науки («причина и следствие», «прогнозы», «эксперименты»), а также определяющие вероятность результатов («среднее значение», «медиана», «стандартное отклонение», «вероятность»), помогают лучше понять, что мы подразумеваем под понятием «наука» и как с научной точки зрения интерпретировать мир.

«Эффективная теория» – одно из самых важных понятий как для науки, так и для остальных сфер жизни. Идея заключается в том, чтобы понять, что нам реально измерить, и с учетом точности измерительных инструментов найти подходящую теорию. Рабочая теория не обязана быть окончательной истиной, но она должна приближаться к ней в той степени, в которой вам это требуется. Она также ограничена тем, что вы можете в любое время подтвердить эмпирически. То, что лежит за пределами эффективной теории, может вызывать споры, но в пределах того, что мы проверили экспериментом и подтвердили, теория считается проверенной.

Примером могут служить ньютоновские законы движения, которые прекрасно описывают поведение брошенного мяча. Хотя сегодня мы знаем, что существует еще и квантовая механика, она не оказывает заметного влияния на траекторию мяча. Законы Ньютона являются частью эффективной теории, которая входит в квантовую механику. И в определенных пределах законы Ньютона остаются практичными и истинными. То же касается логики, которую вы используете, рассматривая карту. Вы выбираете масштаб, подходящий к вашим целям, – собираетесь ли путешествовать по стране, подниматься в горы или ищете ближайший супермаркет.

Термины, относящиеся к определенным научным результатам, могут быть эффективными, но могут и вводить в заблуждение, если их вырвать из контекста или не подтвердить научными фактами. Надежными способами получения знаний всегда остаются научные методы поиска, проверки и постановки вопросов – а также осознания ограничений. Понимание надежности и ограничений научных концепций, а также статистических прогнозов поможет всем и каждому принимать правильные решения.

МАРСЕЛЬ КИНСБОРН

Нейролог и нейробиолог, Новая школа; соавтор (с Паулой Каплан) книги Children's Learning and Attention Problems («Проблемы обучения и внимания у детей»)

Характерным социальным феноменом нашего времени является все более широкое распространение по планете не только информации, но и народонаселения. При этом культуры гомогенизируются, и в результате падает покров таинственности с культурных различий. Смешанные браки становятся обычным делом – и между представителями разных этнических групп в пределах одной страны, и между представителями разных стран по всему миру. Это оказывает положительное влияние на когнитивные способности по двум причинам, и эти причины можно называть эффектами «расширения группы своих» и «гетерозиса».