שלוש השאלות הגדולות במדע כיום

מה טבעי בטבע? האם יתכן שהטבע לא טבעי? האם הבעיות הגדולות במדע כיום הן רק חורים (או בורות עצומים) של ידע, שהופכים את הטבע לנס, או שהן מרמזות על צורך בשינוי פרדיגמה, וסוג חדש של הסבר מדעי, שאיננו חוקי המערכת (הטבע) אלא למידת המערכת? על ההבדל בין תמונת עולם מדעית רשתית ותיאורית (עלינו לסלק כל הסבר!), שהיא מרובה בפרטים מקריים ולכן בלתי מסתברים - לבין הסבר למידתי

מולטיוורס - הגלריה הלאומית לאמנות וושינגטון  (מקור)

מהו הדבר הגרוע ביותר שיכול לקרות למדעי המוח במאה הקרובה? הגילוי שאין "אבולוציה" במוח. שבניגוד לביולוגיה, שכל הצלחותיה הגדולות נובעות מאלגוריתם אחד, שהוא ההסבר הפשוט והמוצלח והכולל ביותר בתחום מדעי כלשהו (הרבה יותר מבפיזיקה!), נגלה שאין במוח אף אלגוריתם כולל או מרכזי שאפשר לעשות ממנו הכללה. שהמוח תלוי באינספור איזונים, אולי אפילו מתוכנתים גנטית, שקשה מאוד לשחזר, או לשפר, או אפילו להבין. בקיצור: הגילוי שהמוח לא רק מורכב, אלא מסובך ואפילו סבוך, כלומר פקעת בלתי ניתנת להתרה. כמו שהביולוגיה נראתה לפני דרווין: כהרבה מקרים קשורים, כלומר כרשת - ולא כאלגוריתם. כמערכת שפה וקיטלוג ואפיון - ולא כמערכת למידה.

ומהי התקווה הגדולה של מדעי המוח? שיופיע האיינשטיין של המוח, שיפענח עקרונות בסיסיים, מדעיים, שמסבירים היטב את פעולתו. כלומר שהמוח מונע באלגוריתם חזק ולא רק בביג-דאטה ומערכת הפעלה פרוצדורלית מפלצתית. שהוא לא תלוי בפיין-טיונינג עדין ברמת לוח האם. אחרת, גם אם נצליח ליצור בינת על, נתקשה מאוד ליצור לה את האיזונים המדויקים הנדרשים, פרי של אבולוציה איטית וארוכה בטירוף, והדרך מכאן לקטסטרופה היא קצרה. כלומר, אם לא נגלה שקיים שם אלגוריתם למידה חדש מלבד האבולוציה הישנה - הרי שמצבנו שלנו גרוע. ומי ערב לנו ש-"הלמידה העמוקה" תוכל לקדם אותנו מעבר לשלבים השטחיים ביותר של מערכת הלמידה במוח?

הבעיה הזו של הפיין-טיונינג, לעומת אלגוריתם לומד ומסתגל אפקטיבי, היא אולי הבעיה הבסיסית ביותר במדע כיום, בכל תחומי המדעים המדויקים, כולל מתמטיקה. השאלה היא איך בכלל נוצרת מורכבות עשירה? אם אנו מאמינים בקיומו של בורא או מתכנן, כמו בימי הביניים, הרי שהסברים מאוד מורכבים ועשירים לעולמנו אינם בעייתיים. אך מרגע שאנו בתחומי המדע המודרני, נתקשה לקבל מצב בו היקום מתוכנן למורכבות ברמת דיוק יוצאת דופן, מתוך אינסוף אפשרויות, וללא כל סיבה ניכרת לעין. המדע מחפש מקרה שיקרה שלא במקרה. לכן, שלוש השאלות המשמעותיות ביותר במדע כיום הן בעצם שאלה אחת:

• בפיזיקה: מדוע היקום נראה כאילו הוא מתוכנן? מדוע הוא בנוי למורכבות (ולחיים!) וכל תזוזה קטנטנה בתנאים או בקבועים היתה יוצרת יקום טריביאלי וחסר עניין? האם כמו באבולוציה נוכל למצוא אלגוריתם התפתחותי בסיסי שיצר את המורכבות ביקום, או שנצטרך בסוף להניח שיש אלוהים, מתכנן, או מזל ממוזל שהלוטו נראה לידו כמו הימור בטוח? איך ומדוע, בשם אלוהים, נוצרו חוקי טבע עם מערכות איזונים כל כך מדוייקות, כל כך הרבה ספרות אחרי הנקודה? איך יכול להיות שקיימת שם בדיוק כמות החומר האפל והאנרגיה האפלה שצריך? משהו כאן ממש מסריח - אם אנחנו חילונים. העיקרון האנתרופי לא יכול להיות תשובה לכל דבר. למעשה, הוא כנראה לא תשובה לכלום. היום היקום הולך ונראה יותר ויותר כמו השעון המלאכותי מטיעון השען הטלאולוגי לקיום האל. וקבוע המבנה העדין - פחד אלוהים.


• בביולוגיה: פרדוקס פרמי. אם האבולוציה היא אלגוריתם כללי ביקום - מדוע היא הצליחה רק אצלינו, ככל הנראה לעין (איפה העדויות לציוויליזציות מתקדמות שיכולות כבר להשפיע ברמת הכוכבים ויותר מזה? או על הסיגנלים ביקום? היקום נראה טבעי לגמרי). איך יכול להיות שרק פה נוצר רצף צירופי נסיבות שהם כנראה מאוד מאוד לא מסתברים, כלומר לא סבירים בפערים אסטרונומיים. משהו פה ממש ממש מסריח. לא יתכן שאין חייזרים אינטליגנטיים. זוהי שוב שאלת יצירת המורכבות בתנאים שנראים כאילו כוונו בידי שען.


• במתמטיקה: למה לעזאזל יש מתמטיקה, בהנחה שאיננו מאמינים בעולם האידיאות האפלטוני (ומה שמפחיד הוא שרוב המתמטיקאים כן מאמינים, כי איך יתכן שזה מה שקורה)? מאיפה באה המורכבות היפהפיה המטורפת הזאת, הלא הגיונית ממש, ועוד מתגלה שוב ושוב, בתחומיה הכי איזוטריים, כשימושית להבנת כל תופעה ביקום. מה נסגר? איך זה יכול להיות בכלל? אם היקום כוון בידי שען שוויצרי בדיוק גבוה משעון אטומי, המתמטיקה נדמית כאילו נבנתה בידי אמן גאון בעל יכולות אלוהיות, לא הגיוניות כלל. מאיפה באה לעולם תופעה כזו? מאיפה נוצרים כל מיני סדרים ממש לא צפויים ומורכבים עד אין קץ בתוך תופעות פשוטות כמו המספרים הראשוניים? זה סתם ככה, במקרה, שהם הסתדרו ככה? איך יתכן שאפשר למצוא שוב ושוב ושוב מורכבות עשירה כל כך ושומטת לסתות שנוצרת ממבנים ממש פשוטים ומופשטים בכל ענפי המתמטיקה? זה מסריח עד לירח.

שלוש האנומליות הגדולות רומזות לסדרים עמוקים שיש ביקום, ואולי לאלגוריתמי למידה והסתגלות ויצירת מורכבות עמוקים שאיננו מבינים. כפי שלא הבנו את האבולוציה - והעולם הביולוגי נראה לנו גם מקרי ומורכב נורא, אך גם מופלא בהתאמתו, וכמי שנוצר בידי מתכנן - כך ניתן לקוות שגילוי אלגוריתמי למידה אחרים יפתרו את בעיות השעון היקומיות. כן, אולי גם למתמטיקה, למדעי המוח ולפיזיקה יש מנגנוני אבולוציה ולמידה משלהם. או שיש סיבה למידתית עמוקה ליצירת המורכבות - ולקיום התנאים לה. ייתכן שנוכל, למשל, לבסס את המורכבות הפיזיקלית על זו המתמטית, או להפך, וליצור לפחות רדוקציה לבעיה (האם ביקום פיזיקלי אחר היתה מתמטיקה אחרת?). או שיתכן שנוכל להכליל את הלמידה האבולוציונית, שאיכשהו הצליחה ליצור את התנאים שמאפשרים את המשך פיתוחה כל פעם מחדש (פעם לא היתה אטמוספירת חמצן בכדור הארץ - החיים יצרו אותה!). ישנו איזשהו מרכיב חשוב בפאזל המורכבות שאיננו מובן לנו, ושאיננו "טבעי". כל תשובה שמתחילה מזכייה בלוטו איננה תשובה מדעית - אלא תיאולוגית. והרבה יותר סביר להחליף אותה באמצעות מתכנן או מפעיל סימולציה.

אך אם כן נגיע לתשובה תכנונית שכזו (והדבר אפשרי! כל תכנון משאיר עקבות) - זו תהיה מהפכה פילוסופית של ממש, ונבין שאנחנו לא כאן במקרה. במצב הידע הנוכחי, בסביבה אינטלקטואלית אחרת, האנומליות הללו היו נחשבות לראיות חזקות לקיום אלוהים מתכנן שכזה. רק האמונה שלנו בהופעת הסברים אבולוציוניים ו-"טבעיים" בהמשך, בהתאם להתפתחות עד כה בתולדות המדע, מסכלת פרשנות מתבקשת כזאת גם כיום. אך אם נגלה שהאנומליות הללו עמוקות מאוד, ואולי אף יותר רחבות מששיערנו, ולא ימצאו להן הסברים טבעיים לאורך זמן רב מאוד - המדע יוכל להשפיע על האמונה בדרך שבה לא הוא חוזה כלל, ונשוב לתמונת עולם ימי ביניימית. היקום אולי נדמה לנו עצום לאין שיעור, ולא כניסוי מעבדה על שולחנו של מישהו, אך ביחס למה אנו קובעים שהוא יקום גדול? האם יש לנו איזשהו קנה מידה אובייקטיבי? הדבר האובייקטיבי היחיד שגדול ביקום הוא מספר סדרי הגודל, אך למעשה מדובר על כמה עשרות כאלה בלבד. אולי יש אלפי סדרי גודל ביקום גדול ממנו? אולי יש אינסוף סדרי גודל? אולי היקום שלנו כולו הוא מערכת זניחה בגודלה?

היקום שלנו דווקא איננו מכיל כמויות אדירות של חומר כפי שאנו נוטים לחשוב. שהרי היקום כמעט רֶיק. כמעט הכול רִיק ביקום. הכוכבים הם זעירים ביחס לחלל הבין כוכבי ביחסים עם הרבה אפסים, ובאותו אופן החלקיקים הם קטנטנים ביחס למרחקים ביניהם, וכן הלאה. הדבר היחיד שמפעיל את היקום זה לא החומר עצמו, אלא כוחות, מטענים ושדות שממלאים את החללים הללו, והם היקום האמיתי. החומר הוא בסופו של דבר אשלייה. אנחנו ריקים לחלוטין, והסיבה היחידה שהאצבע שלי לא עוברת דרך מקשי המקלדת היא לא שהמקום מלא שם בחומר, שהרי הוא למעשה ריק לגמרי - אלא שיש כוחות דחייה שפועלים במרחקים אדירים ביחס לגודל האלקטרונים באצבעי ובמקש ה-שין, ולכן הם דוחים אחד השני בעוצמה בלתי נתפסת ביחס לגודלם. אם לא היו כוחות כאלה, הייתי נופלת מיידית מהכיסא לתוך האדמה אל ליבת כדור הארץ. וכחור שחור, כלומר כחומר מרוכז, כדור הארץ הוא דווקא ממש פיצי... כלומר - מי שיצר את היקום היה קמצן מאוד בכמות הפלסטלינה בו ביחס לגודלו, אבל נדיב מאוד ביחס להשפעת חתיכות פלסטלינה קטנטנות מרחוק אחת על השנייה. אם כן, לאחר שאנו רואים חוסר התאמה קיצוני כזה ביקום עצמו בין כמות חומר למרחב, הרי שקשה בכלל לדבר על גדול וקטן ביחס ליקום כולו: ייתכן שהיקום שלנו כולו זעיר ביחס ליקומים אחרים - או ענק. ניסוי קטן - או מפלצת בלתי נתפסת.

אותה שאלה הנוגעת למרחב נוגעת גם לזמן. אם קנה המידה האובייקטיבי למרחב ולזמן הוא היקום עצמו, הרי שאנו, הן כמין והן כיחידים, תופסים מתוכו כמות זמן גדולה בהרבה מאוד סדרי גודל מאשר מרחב. כאבולוציה, למשל, אנחנו פה מעל שליש מחיי היקום, וכחתיכת חומר כדור הארץ הוא פחות מננו-ננו-משהו מהיקום, וגם היחס שלנו כבני אדם לגודל היקום הוא דומה. אנחנו לא סתם דומים לאותם ענקים בזמן, מפסקת הסיום המרטיטה של פרוסט לבעקבות הזמן האבוד, אלא אנחנו ממש אטריות בזמן. יצורים קטנטנים במרחב שתופסים זמן עצום ביחס לגודלם. אך מי אמר שאפילו היקום עצמו יכול להיות קנה מידה אובייקטיבי? האם יכול בכלל להיות קנה מידה אובייקטיבי ליקום?

המרחקים היחידים והכמויות היחידות שהם אובייקטיביים ביקום מבחינת גודלם הם סדרי הגודל עצמם. הם אלה שמכריעים שהיקום למעשה ריק, כי יש הרבה סדרי גודל בין גודל חלקיו למרחקי השפעתם ולחללים בו. האם גבולות היקום האמיתיים שלנו, הרבה מעבר לגבולות כלשהם בזמן ובמרחב, הם למעשה גבולות סדרי הגודל שנגישים אלינו? הרי ייתכן שהתשובה למורכבות העשירה נעוצה לצערנו דווקא בסדרי גודל שאינם נגישים לנו, אם גדולים מאיתנו (המתכנן הגדול? על-יקום? מבנה אחר?), ואם קטנים בהרבה (איזה בסיס שיוצר מורכבות בכל סדרי הגודל מעליו, ואולי אף יוצר את המתמטיקה עצמה וחוקי הטבע). אך אולי המורכבות היא אשלייה? הרי יש המון סדרי גודל ביקום שבהם אין מורכבות, והמון חלקים פשוטים במתמטיקה ומשעממים וחסרי עניין. אולי המורכבות נוצרת דווקא מקיומם של המון סדרי גודל, שמאפשרים יצירת מורכבות בהדרגה?

הרי אם נאחד את האלגוריתם האבולוציוני והאלגוריתם של רשתות הנוירונים, שני אלגוריתמי הלמידה הטבעיים המוכרים לנו, נגלה שמה שיוצר את המורכבות הוא הרבה דורות אחד אחרי השני או הרבה שכבות אחת אחרי השנייה (למידה עמוקה), כשבכל דור ושכבה יש ריבוי ועודפות עצומה של סוכנים (אורגניזמים או נוירונים). כלומר, ישנה מורכבות שנוצרת מריבוד הזמן שעובר על המערכת, וישנה גם מורכבות שנוצרת מריבוד מרחבי במערכת. הריבוד הוא אבי המורכבות ולכן ההתפתחות והלמידה. האם לא סביר שתהיה גם מורכבות שנובעת מריבוד של סדרי גודל במערכת? כלומר, שבה כל סדר גודל ישקף מורכבות גדולה יותר שמתהווה מזה שמתחתיו? האם מנגנון הלמידה היקומי לא יכול להיות מנגנון למידה שבנוי על סדרי גודל, שמכליל את מנגנוני הלמידה בזמן ובמרחב?

גם המורכבות המתמטית נוצרת מאינספור שלבים שמורכבים אחד על השני, בהתאם להגדרות ההולכות ומתפתחות ולשפה הלוגית המתמטית. האם למעשה המורכבות של העולם נוצרת סתם מחישוב חוזר, או שמא דווקא ממנגנון בסיסי אף יותר מחישוב? מדוע ענפים רחוקים כל כך במתמטיקה קשורים בקשרים מפתיעים ועמוקים כל כך (הסיפור המרכזי שחוזר שוב ושוב בכל חלקי המתמטיקה המודרנית)? האם יתכן שכל המתמטיקה בנוייה לא רק כמו רשת עם קשרים עמוקים מיני ים, אלא שיש תופעה בסיסית אחת ביסודה, שקיים ים? או שישנו איזשהו תהליך גנרטיבי עמוק שיוצר את המורכבות ברחבי המתמטיקה, למשל של המספרים הראשוניים, וניתן לרדת לעומקו? האם יש אבולוציה למתמטיקה? הלוגיקה המתמטית היא אמנם תהליך גנרטיבי, אבל הוא איננו "עמוק", ואין בו הבנה של הסדר שנוצר, אלא תיאור שפתי חיצוני בלבד (ואכן היא מנותקת יחסית משאר חלקי המתמטיקה, למרות תורת המודלים, והתקדמויות אחרונות בקשר בין תורת הטיפוסים לתורת הקטגוריות). האם נגלה למידה בבסיס יסודות המתמטיקה?

שאלות אלו הן על קצה גבול התפיסה שלנו. אך יתכן שדווקא אם נאחד את אלגוריתמי הלמידה השונים שאנו מכירים, מהעולמות האבולוציוניים, המוחיים, המתמטיים והפיזיקליים, נגיע לאיזו תיאוריה אחודה ובסיסית של הלמידה ומהותה, ושל הבסיס העמוק המשותף לאלגוריתמי הלמידה השונים בעולמנו, ולכן גם של תכונותיה ומגבלותיה של הלמידה. האם יתכן שנגלה במאה ה-21 שהתיאוריה של הכול בפיזיקה (TOE), שמאחדת את שתי התורות הפיזיקאליות הגדולות של המאה ה-20 - הקוואנטים והיחסות - למסגרת אחת, מתבססת דווקא על רעיונות למידה התפתחותיים, כמו שהביולוגיה מתבססת על האבולוציה? תיאוריה כזו יכולה להיות כללית אפילו יותר מאשר "התיאוריה של הכול" הפיזיקלית - כי יתכן שנגלה שהיא כוללת את כל המדעים המדוייקים, כולל מתמטיקה וביולוגיה ומדעי המחשב ומדעי המוח - תחת מסגרת למידתית אחת. למשל, כשאלגוריתמי למידה שונים הם מקרים פרטיים של אלגוריתם בסיסי אחד.

ואם נבחר יעד צנוע יותר, הרי שכפי שתורת הרשתות היום מתחילה לספק תובנות על רשתות בכל תחומי המדע והטכנולוגיה, יתכן שבעתיד תהיה לנו תורת למידה אינטרדיסציפלינרית ויסודית, שאף תתגלה כבסיסית יותר מרעיון הרשת. בדיוק כפי שהלמידה יסודית יותר למוח מרשת הנוירונים, או יסודית יותר לאבולוציה מרשתות גנים. אנו בהחלט עשויים לדמיין מין איינשטיין של הלמידה של המאה ה-21, שיבסס אותה כתיאוריית-על, ושיגלה בה גם שלל ניבויים כמותיים (כמה מהר אפשר ללמוד? באילו תנאי סף? כמה אינפורמציה צריך וכמה נוצרת? איך מודדים "מורכבות עשירה" באמצעות למידה? וכו').

או אז, יתכן שתיאוריה כזו תמצא הסבר כללי וכולל למורכבות ביקום, ואת מנגנון הלמידה הבסיסי שמניע אותו. ואז נפסיק להבין את היקום כחישוב (חסר עומק ותובנה), או כרשת (מקרית), או כהסתברות (בלתי סבירה), ונתחיל לחשוב עליו כלמידה. איננו מכירים עוד תהליך טבעי שיוצר מורכבות עשירה, בין אם בתרבות, בין אם באדם, ובין אם באבולוציה, שאיננו למידה. אולי נגלה שהדבר נכון גם לפיזיקה ולמתמטיקה? ואולי טבעו של אלגוריתם זה יגלה לנו מדוע אנחנו האבולוציה היחידה שהתכנסה למצב אינטליגנציה, ושיתכנו כנראה יותר מדי סוגים של התפתחות מורכבות, שקרו באבולוציות אחרות, ושהובילו לכיוונים אחרים, שאיננו מבינים כיום. הרי יתכן שהאבולוציה נוטה דווקא להתכנס לאלגוריתמי למידה אחרים משלנו (האם צומח ממנה באופן טבעי דווקא חישוב דיגיטלי, למשל מהגנום, ולא מוח? מדוע בעצם זה לא סביר יותר? למה שיווצר מנגנון למידה נוסף ואנלוגי, מנותק ממנגנון הלמידה הגנטי הדיגיטלי שכבר קיים ומוכן?). ואם תיווצר תיאוריה מדעית כללית וכוללת של למידה, יתכן שאף נוכל למדוד את המורכבות ש"-סביר" שהאבולוציה תיצור, ולהבין אם אנחנו באמת מקרה קיצון, או לזהות איזושהי נקודת מפנה נדירה בדרך אלינו, שהובילה בקלות יחסית למורכבות שאחריה. ואולי, אם נפענח את אלגוריתם הלמידה הבסיסי של הטבע, נבין גם כיצד צריכה להתפתח באופן טבעי (!) בינה מלאכותית, ומהו אלגוריתם הלמידה ה-ט-ב-ע-י ביותר לאינטליגנציה ביקום. ומה שטבעי - כנראה בטוח ונכון ומותאם יותר לעולם. ולטבע. ולטבע העולם.