Fizyka i Metafizyka
Fizyka i Metafizyka
R
wiadomoS
ci
R
wiadomoS
ci
Włodzisław Duch
Włodzisław Duch
Katedra Metod Komputerowych
Katedra Metod Komputerowych
Uniwersytet Mikołaja Kopernika,
Uniwersytet Mikołaja Kopernika,
ul. Grudziądzka 5, 87-100 Toruń, Poland.
ul. Grudziądzka 5, 87-100 Toruń, Poland.
duch @ phys.uni.torun.pl
duch @ phys.uni.torun.pl
Strona WWW http://class1.phys.uni.torun.pl
Strona WWW http://class1.phys.uni.torun.pl
Archiwum FTP:
Archiwum FTP:
class1.phys.uni.torun.pl/pub/papers/kmk
class1.phys.uni.torun.pl/pub/papers/kmk
Plan
Plan
1. Nauki o poznaniu - czy można zrozumieć umysł?
1. Nauki o poznaniu - czy można zrozumieć umysł?
2. Badania nad S
wiadomoS
ciÄ…. Czym jest
2. Badania nad S
wiadomoS
ciÄ…. Czym jest
S
wiadomoS
ć?
S
wiadomoS
ć?
3. Mózg dla modelarzy.
3. Mózg dla modelarzy.
4. Percepcja i recepcja.
4. Percepcja i recepcja.
5. Empiryczna teoria S
wiadomoS
ci.
5. Empiryczna teoria S
wiadomoS
ci.
6. Implikacje filozoficzne.
6. Implikacje filozoficzne.
2 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
2 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
1. Nauki o poznaniu:
1. Nauki o poznaniu:
czy można zrozumieć umysł?
czy można zrozumieć umysł?
Nauki kognitywne lub nauki o poznaniu (cognitive sciences):
Nauki kognitywne lub nauki o poznaniu (cognitive sciences)
filozofia kognitywna (filozofia umysłu), neuronauki kognitywne,
psychologia poznawcza, psycholingwistyka, lingwistyka komputerowa,
sztuczna inteligencja, sztuczne życie, sieci neuronowe, komputerowa
analiza obrazu, algorytmy ewolucyjne ...
Problemy leżące u podstaw nauk kognitywnych:
nauk kognitywnych
1. Problem ciała i umysłu: jaki jest stosunek materii do S
wiata ducha?
2. Centralny Paradoks Poznania: w jaki sposób symbole, idee, znaczenie,
cały S
wiat umysłu wyłonić się może z procesów obliczeniowych
wykonywanych przez mózg ?
3. Problem  jakoS
ci wrażeń: kolor czerwony i zielony są czymS
innym, nie
tylko inną długoS
ciÄ… fali S
wietlnej.
4. Problem nabierania znaczenia przez symbole w systemach
formalnych: symbole definiowane sÄ… przez inne symbole, skÄ…d siÄ™
bierze prawdziwe rozumienie?
5. Czym jest S
wiadomoS
ć? Jak ją zdefiniować?
6. W mózgu nie ma okreS
lonego miejsca, które można uznać za siedlisko
umysłu, S
wiadoma percepcja jest jednak spójna (the binding
problem).
7. TrudnoS
ci techniczne: klasyczne modele rozumowania w sztucznej
inteligencji operują symbolami, nie mają nic wspólnego z neurobiologią
i nie nadają się do rozpoznawania wzorców (np. obrazów), asocjacji,
generalizacji wiedzy. Sieci neuronowe trudno natomiast zmusić do
logicznego działania.
Czy teoria umysłu jest możliwa ?
Czy teoria umysłu jest możliwa ?
3 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
3 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
Empiryczna Teoria Umysłu powinna wyjaS
nić:
Empiryczna Teoria Umysłu powinna wyjaS
nić:
Fakty dotyczące percepcji, np. widzenie stereoskopowe, zależnoS
ci
percepcji
psychofizyczne; dynamiczne złudzenia optyczne
dynamiczne złudzenia optyczne: maskowanie
bodx
ców, metakontrast, interferencję Stroop'a ...
TysiÄ…ce obserwacji z psychologii poznawczej
psychologii poznawczej, np. dotyczÄ…cych
pisania na maszynie czy praw uczenia siÄ™.
Różne rodzaje pamięci: krótkotrwałą, semantyczną, epizodyczną ...
pamięci
Stadia rozwoju
Stadia rozwoju, od niemowlęcego do dorosłego: nauka chodzenia,
podstawowych kategorii i struktur wiedzy.
Stany S
wiadomoS
ci: sen, marzenia na jawie, stan hipnotyczny i inne
Stany S
wiadomoS
ci:
stany umysłu
Postrzeganie S
wiadome i nieS
wiadoma recepcja, ewolucyjne zalety
Postrzeganie S
wiadome i nieS
wiadoma recepcja
S
wiadomego postrzegania, jak się to wiąże z procesami w mózgu;
znaczenie symboli, jakoS
ć wrażeń, subiektywnoS
ć S
wiadomoS
ci.
Powstanie ego, osobowoS
ci, rozczepienie jax
ni.
Powstanie ego
Intuicja i zachowania impulsywne.
Intuicja
ZdolnoS
ci lingwistyczne,
ZdolnoS
ci lingwistyczne, myS
lenie i rozumowanie.
Czym jest humor?
humor
Zjawiska psychiatryczne
Zjawiska psychiatryczne: od dysleksji, stanów lękowych, S
lepoty
histerycznej, do schizofrenii.
Zagadnienie  wolnej woli percepcji estetycznej
wolnej woli , percepcji estetycznej muzyki i sztuki.
WyjÄ…tkowe zdolnoS
ci,
WyjÄ…tkowe zdolnoS
ci, np:  idiot savants ; zdolnoS
ci parapsychiczne ?
Niewiele było dotychczas ambitnych projektów
Niewiele było dotychczas ambitnych projektów
A. Newell
A. Newell - zunifikowana teoria poznania (SOAR)
G. Edelman - Teoria Selekcji Grup Neuronalnych (TNGS)
G. Edelman
4 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
4 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
2. Badania nad S
wiadomoS
ciÄ….
2. Badania nad S
wiadomoS
ciÄ….
Interdyscyplinarna konferencja w Tucson (Az), 4/94
Interdyscyplinarna konferencja w Tucson (Az), 4/94
 Toward A Scientific Basis for Consciousness
 Toward A Scientific Basis for Consciousness
Academy of Consciousness, Princeton (6-7/94)
Academy of Consciousness, Princeton (6-7/94)
World Congress on Neural Networks, San Diego (6/94)
World Congress on Neural Networks, San Diego (6/94)
 Mind, Brain and Consciousness
 Mind, Brain and Consciousness
Crick, F. & Koch, C. Towards a neurobiological theory of
Crick, F. & Koch, C. Towards a neurobiological theory of
consciousness. Seminars in the Neurosciences, 2 (1991) 263-275.
consciousness. Seminars in the Neurosciences, 2 (1991) 263-275.
Daniel Dennett, Consciousness Explained. (Little Brown, Boston 1991)
Daniel Dennett, Consciousness Explained. (Little Brown, Boston 1991)
Owen Flanagan, Consciousness Reconsidered. (Cambridge, MIT Press
Owen Flanagan, Consciousness Reconsidered. (Cambridge, MIT Press
1992)
1992)
Francis Crick, The Astonishing Hypothesis (C. Scribner's Sons, NY
Francis Crick, The Astonishing Hypothesis (C. Scribner's Sons, NY
1994)
1994)
Seria książek  Advances in Consciousness Research (John
Seria książek  Advances in Consciousness Research (John
Benjamins)
Benjamins)
Pisma: Psyche, Psycoloquy, Consciousness And Cognition, Journal Of
Pisma: Psyche, Psycoloquy, Consciousness And Cognition, Journal Of
Consciousness Studies, Behavioral And Brain Sciences ...
Consciousness Studies, Behavioral And Brain Sciences ...
5 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
5 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
Czym jest S
wiadomoS
ć?
Czym jest S
wiadomoS
ć?
Kiedy mamy poczucie, że rozumiemy?
Kiedy mamy poczucie, że rozumiemy?
Fizyka klasyczna - tak. Pojęcia czasu, przestrzeni, cząstki, masy, siły.
Fizyka kwantowa - nie. Pojęcia funkcji falowej, amplitudy prawdopodob,
pozwala na przewidywania, ale nie daje poczucia zrozumienia.
Umysł, S
wiadomoS
ć refleksyjna: zewnętrzny opis nie wystarczy.
Umysł, S
wiadomoS
ć refleksyjna
Równanie S
wiadomoS
ci niczego nam nie wyjaS
ni. Poczucie zrozumienia
wymaga osobistego doS
wiadczenia.
R
wiadomoS
ć = doS
wiadczenie, stan ciała i umysłu.
R
wiadomoS
ć = doS
wiadczenie, stan ciała i umysłu.
6 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
6 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
3. Mózg dla modelarzy
3. Mózg dla modelarzy
Computation is the essence of brain function.
Computation is the essence of brain function.
(Knudsen et.al, Ann. Rev. of Neuroscience 1987)
(Knudsen et.al, Ann. Rev. of Neuroscience 1987)
Skala: od molekularnej ~10-10m do makroskopowej ~1m
Skala
ZłożonoS
ć: 1010-1011 neuronów, 1014-1015 synaps, ~103 -105 Tflops
ZłożonoS
ć
Struktury: kilkaset anatomicznie odróżnialnych struktur
Struktury
Mapy topograficzne
Mapy topograficzne: tonotopiczne, wizualne, motoryczne ...
Połączenia
Połączenia zwykle dwukierunkowe, pętle sprzężenia zwrotnego.
Brak centralnej kontroli ale są neurony integrujące różne wrażenia
centralnej kontroli
zmysłowe
Aktywacja neuronów: lokalnie pobudzająca, dalej hamująca, jeszcze
dalej pobudzajÄ…ca.
Grupy neuronów
Grupy neuronów (NCA), wprowadzone przez D. Hebb'a (1949),
transkorowe TNCA
SzeS
ć warstw kory mózgu 2-4 mm gruboS
ci.
SzeS
ć warstw kory mózgu
Mikrokolumny: około 0.1-1 mm2, 103-105 neuronów, kilka % połączeń,
Mikrokolumny
komunikacja pomiędzy kolumnami ~8 mm
Oscylacje ~2-40 Hz widoczzne w EEG, synchronizacja NCA prowadzi
Oscylacje
do połączenia grup neuronów w  supergrupy TNCA.
Techniki eksperymentalne
Techniki eksperymentalne badania TNCA: korelacje zapisu EEG w
żywych mózgach i wycinkach tkanki mózgowej, zapis sygnałów z
pojedynczych neuronów lub z kilku jednoczeS
nie.
7 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
7 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
4. Percepcja i recepcja.
4. Percepcja i recepcja.
Przetwarzanie sygnałów sensorycznych: mapy topograficzne
Przetwarzanie sygnałów sensorycznych
Wizualne: orientacja linii, oko lewe-prawe, kierunek ruchu, kolor
Wizualne
Słuchowe: względne opóx
nienie, różnica intensywnoS
ci, widmo częstoS
ci
SÅ‚uchowe
i amplitudy.
Motoryczne: kierunek ruchu oczu, głowy, ciała
Motoryczne
Somatotopowe: skóra ciała.
Somatotopowe
Struktura map topograficznych: częS
ciowo uwarunkowana genetycznie
Pamięć krótkotrwała: około 7 sekund, zawartoS
ć do 7ą2 jednostek.
Percepcja jest procesem dynamicznym - globalne struktury wzbudzeń
transkorowych grup neuronów (TNCAs) można modelować jako
atraktory w układach dynamicznych.
Od mózgu do umysłu
Od mózgu do umysłu
Procesy w mózgu - modelowane przy pomocy układów dynamicznych.
Uproszczony opis układów dynamicznych - symboliczny
symboliczny (np. HMM).
Zamiast dynamiki TNCA w przestrzeni fazowej o wielkiej liczbie wymiarów
atraktory (stabilne stany) tej dynamiki reprezentowane sÄ… w
przestrzeń cech reprezentacji (prrzestrzeni umysłu).
Formalizm matematyczny do modelowania umysłu - przestrzenie
przestrzenie
umysłu (mind spaces)
umysłu (mind spaces).
8 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
8 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
5. Empiryczna teoria S
wiadomoS
ci.
5. Empiryczna teoria S
wiadomoS
ci.
Umysł
Umysł nie jest redukowalny do pracy mózgu lecz jest odbiciem S
wiata.
Na początku umysłu było słowo, czyli dyskretna kategoria, obiekt w
przestrzeni umysłu. Umysł kontroluje ciało.
Intuicja opiera się na topografii przestrzeni umysłu.
Intuicja
Pamięć
Pamięć długotrwała pozwala odtworzyć stany mózgu i umysłu, jest
 zamrożoną terax
niejszoS
ciÄ… .
R
wiadomoS
ć
R
wiadomoS
ć nie jest rzeczą lecz doS
wiadczeniem.
DoS
wiadczenie jest okreS
lonym stanem umysłu/mózgu/ciała.
DoS
wiadczenie
SubtelnoS
ć reakcji organizmu wzrastała w procesie ewolucji
ewolucji wraz ze
wzrostem stopnia komplikacji mózgów stwarzając większe możliwoS
ci
adaptacji.
Procesy S
wiadome wymagajÄ… globalnej metastabilnej dynamiki
globalnej metastabilnej dynamiki
mózgu (TNCA) i są treS
cią pamięci krótkotrwałej, wszystkie
pozostałe procesy są nieS
wiadome.
SamoS
wiadomoS
ć
SamoS
wiadomoS
ć - wymaga złożonego mózgu zdolnego do
reprezentacji  ja , z którą związane są silne wrażenia emocjonalne.
Przetwarzanie informacji nie zachodzi w sposób S
wiadomy, decyzje
podjęte przez mózg prowadzą do reakcji organizmu okreS
lanej jako
S
wiadoma. Czas potrzebny na wywołanie tej reakcji wynosi 0.5 sek.
JakoS
ci wrażeń
JakoS
ci wrażeń: wyobrax
my sobie szczura, którego nauczono
kojarzenia koloru czerwonego z bólem a zielonego z przyjemnoS
ciÄ….
Stabilne stany dynamiki jego mózgu w układzie (ból-przyjemnoS
ć,
kolor, inne parametry) przedstawić można na rysunku. WartoS
ci na
osi ból-przyjemnoS
ć zdefiniowane są przez S
rednie pobudzenia
struktur układu limbicznego. JakoS
ć wrażenia koloru jest wyrax
nie
widoczna a jej przejawem jest silna reakcja emocjonalna. U człowieka
przy naturalnej dynamice mózgu jakoS
ci wrażeń zależą od przebytych
doS
wiadczeń i skojarzeń.
9 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
9 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
Pamięć krótkotrwała R
wiadomoS
ć
Pamięć krótkotrwała R
wiadomoS
ć
OsobowoS
ć
OsobowoS
ć
Umysł
Umysł
Ego
Ego
Pamięć semantyczna i epizodyczna
Pamięć semantyczna i epizodyczna
Kora mózgu
Kora mózgu
Hipokamp
Hipokamp
Mapy
Mapy
Mózg
Mózg
topograficzne
topograficzne
Wzgórze
Wzgórze
Układ
Układ
limbiczny
limbiczny
Zmysły
Zmysły
R
wiat...
R
wiat...
10 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
10 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
Eksperymenty neurofizjologiczne B. Libet'a
Eksperymenty neurofizjologiczne B. Libet'a
Stymulacja skóry ręki wymaga 0.2 sec by sygnał dotarł do kory mózgu.
Jednoczesna bezpoS
rednia stymulacja kory sensorycznej impulsem
elektrycznym do 0.5 sek. wywołuje S
wiadome wrażenie
wywołuje S
wiadome wrażenie subiektywnie
odbierane jako póx
niejsze!
Elektryczne impulsy
Elektryczne impulsy 0.2 msec. o częstoS
ci ½=8 do 240 Hz, do 60
impulsów w ciągu sekundy, w obszarze kory sensorycznej,
, Minimalny
2
prÄ…d zauważalny jako wrażenie dotykowe I<"1/"½; I2 ½ <" moc=const
R
wiadome wrażenie dostatecznej energii by wzbudzić
R
wiadome wrażenie wymaga dostatecznej energii
grupę neuronów (TNCA) i dostatecznej energii by podtrzymać jej
działanie.
Czas potrzebny na wzbudzenie TNCA - zależny od struktury wzbudzeń
sygnału; naturalne sygnały - krótki czas, sztuczne - długi.
Jeden
minimalny prÄ…d podtrzymujÄ…cy S
wiadome
impuls
wrażenie
6
4
30 imp/sek
2
60 imp/sek
2 3 sek
0.5 1
11 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
11 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
V
S1
I
S2
Przestrzeń psychologiczna, obiekty
umysłu dla dwóch cech.
Dynamika TNCA - atraktory w S1, S2 - S
rednie sygnały dochodzące do
grupy neuronów wzbudzające ją w sposób opisywany przez trajektorie w
przestrzeni fazowej. p-ni fazowej ~104 wymiarów.
12 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
12 Fizyka i metafizyka S
wiadomoS
ci
6. Implikacje Filozoficzne
6. Implikacje Filozoficzne
D. Hume (1740): umysł to nic innego jak różne percepcje związane z
sobą przez pewne relacje. Umysł to system kontroli, materialny
aspekt jest tu wtórny, najważniejsza jest informacja i relacje. Dużo
wczeS
niej - Abhidharma, szkoły Mahajany w Indiach i Chinach.
Naturalna realizacja umysłu = modularne sieci
Naturalna realizacja umysłu = modularne sieci
neuronowe.
neuronowe.
Problem ciała i umysłu
Problem ciała i umysłu powstaje wtedy, gdy obiekty umysłu rozbija
siÄ™ sztucznie na nazwy i inne cechy.
Stany umysłu
Stany umysłu prowadzą do intencjonalnych działań ponieważ obiekty
umysłu są ze sobą powiązane (entrainment).
(entrainment
Znaczenie:
Znaczenie: stany umysłu nabierają znaczeń poprzez sensoro
-motoryczne schematy działań. Umysł związany jest z ciałem i w
sposób twórczy reprezentuje rzeczywistoS
ć mu dostępną.
DoS
wiadczenia subiektywne
DoS
wiadczenia subiektywne: stany umysłu są związane z
odczuciami rzeczywistoS
ci, gdyż obiekty umysłu są pewną całoS
ciÄ…
złożoną z wielu cech reprezentacji wewnętrznych.
Obiekty umysłu można zaktywizować podając kilka cech
Obiekty umysłu
charakterystycznych. JakoS
ci wrażeń obserwowalne
JakoS
ci wrażeń mają obserwowalne
konsekwencje gdyż prawdopodobieństwo kolejnych zdarzeń zależy od
tych jakoS
ci.
Słowa są szczególnie efektywne przy aktywizacji obiektów umysłu
SÅ‚owa
gdyż definiują je zwykle jednoznacznie.
Umysł
Umysł rozwija się w wyniku kontaktów z otoczeniem, jego
nie-algorytmiczna
nie-algorytmiczna natura jest odbiciem natury S
rodowiska.
Sztuczna inteligencja jest jedynie cieniem
Sztuczna inteligencja jest jedynie cieniem
sztucznego umysłu.
sztucznego umysłu.