Глава 1. Самоорганизующиеся системы

Для построения теории интеллекта допустимы два подхода. Во-первых,   возможно выполнить построение завершенной системы, не вдаваясь в проблемы ее развития. Наверное,  такую теорию можно построить. Но мы знаем, что человеческий интеллект система эволюционирующая. Ребенок рождается, возможно, не чистым листом бумаги, но и развитым интеллектом он очевидно не обладает. Человек растет интеллектуально в процессе личного развития, и это наводит на мысль, что к построению искусственного интеллекта можно подойти также, как природа подошла к созданию интеллекта человеческого. То есть предположить, что в его основе лежит небольшое количество простых принципов, позволяющих интеллекту развиваться от самой простой системы до сколь угодно сложной.
 Из сказанного следует, что нет необходимости описывать сложную завершенную систему, достаточно описать, что-то относительно простое, состоящее из некоторого количества базовых элементов, но способного развиваться и усложняться под внешним воздействием. Таковое описание, будет состоять из двух составляющих. Во-первых, потребуется понимание стартового состояния и, во-вторых, необходимо определить процесс развития.

Системы, способные развиваться от простого к сложному, существуют в природе, они называются самоорганизующимися. Собственно любой живой организм, это самоорганизующаяся система. Есть таковые, составленные из большого количества примитивных организмов. Например, муравейник или пчелиная семья, представляют собой очень  яркий пример самоорганизующихся систем, способных к росту и усложнению до определенного предела. Да и сама живая природа в целом также является примером самоорганизующейся системы.
Ясно, что самоорганизующиеся системы это не только системы интеллектуальные. Но интеллект можно представить как частный случай процесса самоорганизации и, определить его как самоорганизующуюся систему. Начнем анализ с определения заявленного базового понятия.

Вопрос определения

Очевидно, самоорганизующаяся система способна сохранять свою структуру и поддерживать жизненный процесс под внешним воздействием. Для решения такой задачи в системе должны действовать консервативные силы, компенсирующие внешние воздействия. Простейший пример самоорганизующейся системы с компенсирующей консервативной силой – это волчок. Для него, внешнее воздействие – это силы, действующие против оси вращения, а консервативную силу представляет накопленный крутящий момент. Этот пример, конечно, далек от интеллектуальной системы, но он демонстрирует принципиальную возможность поддержания собственного процесса очень простым механизмом.
Большая часть самоорганизующихся систем существуют в стабильной среде с определенным набором воздействий, поэтому вполне возможен и стабильный набор консервативных сил компенсационного характера. Понятно, что стабильность системы возможна только при равенстве консервативных сил и сил внешнего воздействия. При преобладании последних, система начинает разрушаться, при усилении консервативных сил система стабилизируется.
 
Это если говорить о системах однородных. Таковыми являются кристаллы, сообщества примитивных живых существ, обладающих элементами организации. Самые яркие примеры таковых сообществ это муравьи, термиты, пчелы.  Заметим, - большие, старые термитники могут содержать миллионы особей, но большой термитник, большой муравейник или большая пчелиная семья структурно ничем не отличается от маленькой. Независимо от количества членов есть минимальный структурный элемент – насекомое или в примере неорганического кристалла – молекула вещества, и есть общая не меняющаяся организационная схема.
Таким образом, мы приходим к важной идее самоорганизующихся развивающихся  систем. Они создаются из набора примитивных функциональных элементов, способных выстраиваться в систему, свойства которой, уже не сводятся к свойствам составляющих элементов. Ее макрофункции определяются конфигурацией, в которую соединяются элементы.

Необходимо разделить два вопроса - как функционирует самоорганизующаяся система и как выполняется ее сборка. В отношении сборки можно выделить два механизма. Первый – это сборка под воздействием внешней силы. Простейший пример - переориентация магнитных диполей под воздействием внешнего поля. В условиях отсутствия внешней силы, все сообщество диполей куска вещества находится в состоянии хаоса, что внешне выражается в отсутствии единого магнитного поля тела. Под внешним воздействием диполи ориентируются в одном направлении, внутренние  электромагнитные поля диполей больше не компенсируются и можно увидеть активное поведение вещества. Более того, сообщество сориентированных диполей получает способность поддерживать свое такое состояние.

Самоорганизацию под внешним воздействием можно наблюдать в любом сообществе состоящим из однородных элементов, способных на типовую реакцию. При этом функциональная сложность элементов не играет существенной роли, важна только способность реагировать одинаковым образом. Такое поведение демонстрирует достаточно большое человеческое сообщество, что кстати, позволяет создавать эффективные психологические технологии управления социумом.
Еще один важный аспект сборки – это наследственность. Самоорганизующаяся система не возникает одномоментно, изначально она может быть достаточно примитивной, если мы говорим о системах не созданных искусственно, затем она проходит путь индивидуальной  эволюции. Вопрос заключается в том, где находится программа этой эволюции. Источников два. Если система имеет родителя (в самом широком смысле этого слова), то механизм с некоторыми исходными данными может быть передан от родителя. И источник может быть внешним, система, находясь под внешним воздействием, может адаптироваться к существованию в среде. Эту способность самоорганизующихся систем будем называть обучаемостью. Пример самообучающихся систем созданных искусственно уже известен, это нейросети, которые пока представляют собой достаточно сложную программную реализацию, но возможно придет время и качественно новой аппаратной реализации. Вопрос только в технологических возможностях.

Главный вопрос устройства любых, а не только интеллектуальных самоорганизующихся систем заключается в том, каким образом множество  упорядоченных элементов может формировать сложную реакцию, качественно отличную от функционала примитивных образующих элементов. Второй  вопрос о том, каким образом качественный рост функционала приводит к возможности интеллектуальной реакции или точнее к интеллектуальному поведению.
Определение интеллектуального поведения было дано во введении к книге, которое можно рассматривать как постановку задачи, но это проблема всей книги. И прежде чем к ней приступать, необходимо ответить на первый вопрос – что создает возможность изменения качества функционала, не сводимого к сумме составляющих.
Но и этот вопрос нуждается в подготовке. Прежде чем переходить к рассмотрению возможностей качественного роста требуется дать анализ проблемы устойчивости самоорганизующейся системы. Ясно, что и устойчивость и рост имеют общий корень – это устройство функционального элемента и принципы их объединения в общую систему. А сейчас дадим  более строгое определение самоорганизующейся системы.

Определение. Самоорганизующаяся система – это совокупность взаимодействующих функционально одинаковых устройств (элементов) способных создавать устойчивую структуру и поддерживать присущей этой системе «жизненный процесс»

Под структурой далее будем понимать способность элементов системы обмениваться энергией и информацией не хаотично, а в определенном заданном порядке, и совместно реагировать на внешние воздействия. Под «жизненным процессом» будем понимать любые устойчивые энергетические процессы идущие в пределах системы.

Механизм самоорганизации

Для описания механизма делающего систему самоорганизующейся, определим ее формальную модель. Главное, определяющее ее качество, состоит в том, что такая система представляет собой совокупность функционально одинаковых устройств, которые мы далее, для краткости будем называть «муравьями».
Отдельно взятый муравей способен выполнять простой набор действий (или даже одно действие), которые мы пока будем сводить изменению энергетического состояния внешней среды, или другого муравья. Разумеется,  муравей способен воспринимать энергетический сигнал, изменяющий его собственное состояние. Собственное состояние будем определять двумя параметрами. Это, во-первых, энергетический потенциал, который муравей может использовать в своем действии и, во-вторых, выбор точки для  действия.

Эти достаточно простые свойства муравья, позволяют организовываться в группы для  коллективного воздействия на общую точку приложения энергии. Выше было уже сказано, что муравей может энергетически воздействовать на другого муравья. Поэтому достаточно положить, что энергетическое взаимодействие двух муравьев способно выравнивать их внутреннее состояние, то есть поднимать энергетический потенциал и направлять его на общую внешнюю точку.
Так мы получаем механизм создания консервативного усилия, стремящегося сохранить внутренний «жизненный процесс». Внешнее воздействие активирует группу «муравьев» и если внешний потенциал достаточно велик, то он приводит к активации все большего и большего количества муравьев, синхронизируя их внутреннее состояние и направляя на противодействие внешнему источнику, до его полной компенсации. Так любое внешнее воздействие на самоорганизующуюся систему порождает ответную реакцию, такой механизм называется обратной связью.    

Можно выделить два механизма, такой примитивной обратной связи. Первый механизм предполагает  активацию «муравьев» на очередное воздействие, которое распространяясь по системе, активирует все большее и большее противодействие. Если внешнее воздействие исчезает по какой-то причине, то падает внутренняя энергетика и спадает активность «муравьев» до исходного состояния.
Можно предположить существование более сложного механизма, заключающегося в том, что внешнее воздействие достигнув некоторого порогового состояния, порождает в определенной части самоорганизующееся системы постоянный процесс самовозбуждения. В результате появляется группа «муравьев» со своего специализацией на внешнее воздействие определенной природы. Такие группы начинают создавать в однородной среде «муравьев» сложную структуру и этот эффект может запустить процесс качественного усложнения системы.

Кстати такого рода эффекты мы можем наблюдать у коллективных насекомых. Например, у термитов и видимо у настоящих муравьев есть специализация: рабочий, воин. У пчел помимо общей массы сборщиков нектара есть специализированные разведчики. Интересен в этом тот факт, что воины, разведчики, рабочие – это большие группы насекомых и видимо они сразу образуются именно как большие группы, то есть как общая реакция системы насекомых на постоянную потребность. Но еще более интересно проследить механизм «творчества» системы в ходе которого могут появиться новые более сложные функции.

Эволюция самоорганизующейся системы

Для дальнейшего анализа, выделим два типа систем: система с целью и система без цели. Начнем рассуждения с более простой ситуации – система без цели. Ее основа «муравьи» обладающие минимальной энергетикой и  способные направлять свою энергию на внешние раздражители. Разумеется, энергетическое воздействие выражается в последовательности реакций, природа реакций определяется природой муравья. Если мы говорим о реальном муравье или другом коллективном насекомом, то эта последовательность является последовательностью двигательных действий. Если это сообщество нейронов головного мозга, то речь идет о передаче электрических импульсов и т.д. Но всегда подразумевается, что элементарный «муравей» из множества которых собирается система, способен на ряд простых действий, из которых формируется реакция на воздействие.
В самом примитивном варианте можно допустить муравья, реагирующего только на один раздражитель, запускающий типовую всегда одинаковую ответную реакцию. Но даже в очень простых природных самоорганизующийся системах создаваемых живыми  существами можно увидеть более сложное поведение. Их муравьи способны на целый ряд элементарных действий, из которых они собирают сложные реакции на внешние раздражители. Разумно предположить, что набор простых действий и алгоритмы сборки их последовательности есть генетически передаваемая информация.   Как именно передается данная информация вопрос технической реализации, мы пока примем механизм передачи как данный, не вдаваясь в детали. Теперь, с учетом сказанного о генетической информации попробуем дать пояснение, как работает механизм самоорганизации в системе без цели.   

Термин «Самоорганизующаяся система без цели» означает следующее. Воздействие на такую систему порождает ответную реакцию, которая нарастает по мере того, как нарастает внешнее воздействие. Воздействие на группу «муравьев» порождает рефлекторную ответную реакцию. И, во-вторых, сами муравьи испытывают возбуждение, например в виде замкнутого на группе муравьев  энергетического процесса,  характерного для этого возбуждения. Муравей, попавший под внешнее воздействие, становится вторичным источником возбуждения такого рода. Таким образом, внешнее возбуждение порождает своего рода вторичную волну, подключающую к ответу все новых муравьев.
Разумеется, такой простой механизм за ограниченное время приведет к полному вовлечению к ответу все множество муравьев, Это в свою очередь означает невозможность многофункциональной системы способной к ответу на различные воздействия. Для того, чтобы избавится от этого недостатка необходимо обеспечить угасание сигнала. Следуя парадигме максимальной простоты любого решения можно предложить следующий локальный механизм.

Затухание сигнала можно обеспечить следующими условиями. Первое – каждый муравей порождает сигнал с энергетикой ниже полученного сигнала. Второе – муравей получивший возбуждающий сигнал закрывает свой вход и уже не может работать на вход. Это гарантирует отсутствие циклов самоусиления сигнала. Третье – муравей способен воспринимать сигнал только уровня выше некоторого порогового значения.   
Три указанных выше свойства самоорганизующейся системы создают конструкцию способную отвечать на внешний раздражитель, вовлекая необходимое количество элементарных элементов и в случае их достаточности у системы может остаться ресурс для реакции на раздражитель другого типа. Заметим, что сейчас речь не идет о реакции которую мы могли бы назвать полезной. Описанный механизм реагирует без цели. Или точнее реакция, способность к ней и есть цель. Если же говорить о полезной реакции, то для начала необходимо определить, что такое полезная для системы цель и как эта цель может быть заложена в конструкцию самой системы без относительно того, как системе была передана генетически или внешним воздействием.

Самоорганизация с целью   

Необходимо сделать существенное уточнение структуры системы. В рассуждениях выше, мы не предполагали какого-либо самостоятельного функционирования системы, считая, что ответ на внешнюю реакцию это ее единственная функция. В такой конструкции, цели быть не может, так как цель это всегда достижение некоторого желаемого состояния (активная цель) или поддержание собственного внутреннего процесса (консервативная цель).
Активная и консервативная цель – предполагают принципиально различные конструкции. Хотя можно предположить, что все самоорганизующиеся системы, или по крайней мере из живого мира, возникают как активные, способные к эволюции. Такие системы достигнув некоего идеала, теряют возможность эволюционировать и становятся консервативными. Ведь ясно, что сообщества насекомых, и мой любимый пример – муравейник, не возникли в современном виде. Очевидно, что был период эволюционного развития, который прекратился с достижением предела развития. Несколько слов об идеале или точнее о пределе развития, что это такое и как он возникает.

Заметим, что консервативная сила, как компенсация и ограничение эволюции есть всегда. Но в какой то момент она становится подавляющей. Простейший механизм реакции, описанный выше дает ключик к тому как это происходит. Если самоорганизующаяся система длительное время находится в стабильных внешних условиях, то множество реакций на внешние раздражители становится доминантным, закрепляется генетически и система стабилизируется. Таким образом, идеал – это своего рода набор реакций, достаточный для поддержания жизнеспособности системы. Ключевое понятие здесь жизнеспособность, то способность поддержания некоторых внутренних процессов.   

Введем понятие замкнутого энергетического процесса, как процесса не выходящего за пределы самоорганизующейся системы. Будет считать поддержание такого процесса целью системы, и остается понять, хотя бы  в общих чертах механизм его поддержки. А эта задача, по сути уже решена. И решение заключается в формировании  консервативной реакции компенсации внешних раздражителей разрушающих целевой процесс.   

Появление цели ее эволюция

Главная, базовая идея всего построения интеллектуальной системы – простота исходных процессов. В применении к идее цели - это ведет к заключению о невозможности сложной исходной цели. Иначе говоря, речь идет о невозможности не эволюционного возникновения сложной энергетической структуры.
Но тогда остается одна возможность возникновение простой структуры и ее эволюция. Здесь введем еще одно понятие – интервал консервативной устойчивости, то есть интервал изменений, или интервал возможных структур, в пределах которого, система сохраняет устойчивость.

Вспомним второе начало термодинамики. Любые энергетические процессы в замкнутой системе идут с неубываением энтропии (меры хаоса). Это на самом деле довольно оптимистичное определение. Более приближенное к реальности утверждение будет звучать так – любые энергетические процессы идут с нарастанием хаоса. Именно поэтому живучесть самоорганизующихся систем обеспечивается компенсирующим консервативным воздействием. Заметим, что физика материи не занимается такого рода системами, поэтому самоорганизация это и есть ресурс позволяющий выйти из ограничений второго начала.

Таким образом, самоорганизация и энтропия своего Инь и Янь эволюции самоорганизующихся систем. Любой замкнутый энергетический процесс стремится выйти за пределы своих рамок с естественной потерей энергии, и как следствие с угрозой гибели системы, механизм компенсации позволяет преодолеть допустимый уровень разбалансировки, но изменение энергетического процесса сопровождается изменением структуры системы, что уже можно назвать эволюционным изменением.
Еще один существенный момент. Изменение структуры системы это и есть изменение цели, так как эти два термина – структура и цель выше были обозначены как синонимы. И, наконец, изменение структуры означает и изменение консервативных механизмов компенсации, что создает возможность для следующего изменения системы.

В заключение   

Текст главы имел своей главной целью показать, что идеи положенные в структуру самоорганизующейся системы достаточны для запуска процесса эволюции и построение все более и более сложных систем. Это в свою очередь означает, что самоорганизующаяся система возможно достаточная структура для развития интеллекта.