Cos'è naturale nella natura? È possibile che la natura non sia naturale? I grandi problemi della scienza oggi sono solo lacune (o enormi vuoti) di conoscenza, che trasformano la natura in un miracolo, o suggeriscono la necessità di un cambio di paradigma, e un nuovo tipo di spiegazione scientifica, che non sia basata sulle leggi del sistema (natura) ma sull'apprendimento del sistema? Sulla differenza tra una visione scientifica del mondo reticolare e descrittiva (dobbiamo eliminare ogni spiegazione!), che è piena di dettagli casuali e quindi improbabili - e una spiegazione basata sull'apprendimento
Qual è la cosa peggiore che potrebbe accadere alle neuroscienze nel prossimo secolo? La scoperta che non c'è "evoluzione" nel cervello. Che contrariamente alla biologia, i cui grandi successi derivano da un unico algoritmo, che è la spiegazione più semplice, riuscita e completa in qualsiasi campo scientifico (molto più che in fisica!), scopriremo che nel cervello non c'è alcun algoritmo generale o centrale da cui si possa fare una generalizzazione. Che il cervello dipende da innumerevoli equilibri, forse persino programmati geneticamente, molto difficili da replicare, migliorare o anche solo capire. In breve: la scoperta che il cervello non è solo complesso, ma complicato e persino intricato, cioè un groviglio impossibile da districare. Come appariva la biologia prima di Darwin: come tanti casi correlati, cioè come una rete - e non come un algoritmo. Come un sistema di linguaggio, catalogazione e caratterizzazione - e non come un sistema di apprendimento.
E qual è la grande speranza delle neuroscienze? Che appaia l'Einstein del cervello, che decifri i principi basilari, scientifici, che spiegano bene il suo funzionamento. Cioè che il cervello sia guidato da un algoritmo potente e non solo da big-data e un sistema operativo procedurale mostruoso. Che non dipenda da una fine regolazione a livello di scheda madre. Altrimenti, anche se riuscissimo a creare un'intelligenza artificiale superiore, faremmo molta fatica a creare gli equilibri precisi necessari, frutto di un'evoluzione lenta e incredibilmente lunga, e da qui alla catastrofe il passo è breve. In altre parole, se non scopriremo che esiste un nuovo algoritmo di apprendimento oltre alla vecchia evoluzione - la nostra situazione è grave. E chi ci garantisce che il "deep learning" potrà farci progredire oltre gli stadi più superficiali del sistema di apprendimento nel cervello?
Questo problema della regolazione fine, rispetto a un algoritmo di apprendimento e adattamento efficace, è forse il problema più fondamentale nella scienza oggi, in tutti i campi delle scienze esatte, inclusa la matematica. La domanda è come si crea in generale una complessità ricca? Se crediamo nell'esistenza di un creatore o progettista, come nel Medioevo, allora spiegazioni molto complesse e ricche del nostro mondo non sono problematiche. Ma dal momento in cui siamo nel campo della scienza moderna, faremo fatica ad accettare una situazione in cui l'universo è progettato per la complessità con un livello di precisione eccezionale, tra infinite possibilità, e senza alcuna ragione apparente. La scienza cerca un caso che accada non per caso. Quindi, le tre domande più significative nella scienza oggi sono in realtà una sola domanda:
- In fisica: perché l'universo sembra come se fosse progettato? Perché è costruito per la complessità (e la vita!) e ogni minimo spostamento nelle condizioni o nelle costanti avrebbe creato un universo triviale e privo di interesse? Come nell'evoluzione, potremo trovare un algoritmo evolutivo di base che ha creato la complessità nell'universo, o dovremo alla fine assumere che ci sia un dio, un progettista, o una fortuna così fortunata che la lotteria al confronto sembra una scommessa sicura? Come e perché, in nome di Dio, si sono create leggi naturali con sistemi di equilibrio così precisi, così tante cifre dopo la virgola? Come può essere che esista esattamente la quantità di materia oscura ed energia oscura necessaria? Qualcosa qui puzza davvero - se siamo laici. Il principio antropico non può essere la risposta a tutto. In effetti, probabilmente non è la risposta a niente. Oggi l'universo appare sempre più come l'orologio artificiale dell'argomento teleologico dell'orologiaio per l'esistenza di Dio. E la costante di struttura fine - che Dio ci aiuti.
- In biologia: il paradosso di Fermi. Se l'evoluzione è un algoritmo universale nell'universo - perché ha avuto successo solo da noi, per quanto possiamo vedere (dove sono le prove di civiltà avanzate che possono già influenzare a livello stellare e oltre? O sui segnali nell'universo? L'universo appare completamente naturale). Come può essere che solo qui si sia creata una sequenza di circostanze che sono probabilmente molto molto improbabili, cioè non plausibili con differenze astronomiche. Qualcosa qui puzza davvero davvero. Non è possibile che non ci siano alieni intelligenti. Questa è di nuovo la questione della creazione della complessità in condizioni che sembrano essere state regolate da un orologiaio.
- In matematica: perché diavolo esiste la matematica, assumendo che non crediamo nel mondo delle idee platoniche (e quello che spaventa è che la maggior parte dei matematici ci crede, perché come può essere che questo è ciò che accade)? Da dove viene questa complessità bellissima pazzesca, proprio irragionevole, e si rivela ancora e ancora, nei suoi campi più esoterici, come utile per comprendere ogni fenomeno nell'universo. Che succede? Come può essere questo in generale? Se l'universo è stato regolato da un orologiaio svizzero con precisione superiore a un orologio atomico, la matematica sembra essere stata costruita da un artista geniale con capacità divine, per nulla logiche. Da dove è venuto al mondo un tale fenomeno? Da dove nascono tutti questi ordini davvero inaspettati e infinitamente complessi all'interno di fenomeni semplici come i numeri primi? È così, per caso, che si sono organizzati così? Come è possibile trovare ancora e ancora e ancora una complessità così ricca e sbalorditiva che nasce da strutture davvero semplici e astratte in tutti i rami della matematica? Questo puzza fino alla luna.
Le tre grandi anomalie suggeriscono ordini profondi che esistono nell'universo, e forse algoritmi profondi di apprendimento, adattamento e creazione di complessità che non comprendiamo. Come non capivamo l'evoluzione - e il mondo biologico ci sembrava sia casuale e terribilmente complesso, sia meraviglioso nel suo adattamento, e come creato da un progettista - così si può sperare che la scoperta di altri algoritmi di apprendimento risolverà i problemi dell'orologio cosmico. Sì, forse anche la matematica, le neuroscienze e la fisica hanno i loro meccanismi di evoluzione e apprendimento. O c'è una ragione profonda di apprendimento per la creazione della complessità - e per l'esistenza delle condizioni per essa. Potremmo, per esempio, basare la complessità fisica su quella matematica, o viceversa, e creare almeno una riduzione al problema (in un universo fisico diverso ci sarebbe stata una matematica diversa?). O forse potremmo generalizzare l'apprendimento evolutivo, che in qualche modo è riuscito a creare le condizioni che permettono il suo continuo sviluppo ogni volta di nuovo (una volta non c'era atmosfera di ossigeno sulla Terra - la vita l'ha creata!). C'è qualche componente importante nel puzzle della complessità che non capiamo, e che non è "naturale". Qualsiasi risposta che inizia con una vincita alla lotteria non è una risposta scientifica - ma teologica. Ed è molto più probabile sostituirla con un progettista o un operatore di simulazione.
Ma se arriveremo a una tale risposta progettuale (ed è possibile! Ogni progettazione lascia tracce) - questa sarà una vera rivoluzione filosofica, e capiremo che non siamo qui per caso. Nello stato attuale della conoscenza, in un altro ambiente intellettuale, queste anomalie sarebbero considerate prove forti dell'esistenza di un tale dio progettista. Solo la nostra fede nell'apparizione di spiegazioni evolutive e "naturali" in seguito, in accordo con lo sviluppo finora nella storia della scienza, impedisce una tale interpretazione ovvia anche oggi. Ma se scopriremo che queste anomalie sono molto profonde, e forse anche più ampie di quanto pensavamo, e non si troveranno loro spiegazioni naturali per un tempo molto lungo - la scienza potrebbe influenzare la fede in un modo che non prevede affatto, e torneremo a una visione del mondo medievale. L'universo forse ci sembra immensamente vasto, e non come un esperimento di laboratorio sul tavolo di qualcuno, ma rispetto a cosa determiniamo che è un universo grande? Abbiamo qualche scala oggettiva? L'unica cosa oggettivamente grande nell'universo è il numero di ordini di grandezza, ma in realtà si tratta solo di alcune decine di questi. Forse ci sono migliaia di ordini di grandezza in un universo più grande? Forse ci sono infiniti ordini di grandezza? Forse il nostro intero universo è un sistema trascurabile nelle sue dimensioni?
Il nostro universo in realtà non contiene quantità enormi di materia come tendiamo a pensare. Perché l'universo è quasi vuoto. Quasi tutto è vuoto nell'universo. Le stelle sono minuscole rispetto allo spazio interstellare in rapporti con molti zeri, e allo stesso modo le particelle sono minuscole rispetto alle distanze tra loro, e così via. L'unica cosa che fa funzionare l'universo non è la materia stessa, ma forze, cariche e campi che riempiono questi spazi, e questi sono il vero universo. La materia è alla fine un'illusione. Siamo completamente vuoti, e l'unica ragione per cui il mio dito non passa attraverso i tasti della tastiera non è che lo spazio è pieno di materia lì, poiché è in realtà completamente vuoto - ma ci sono forze repulsive che agiscono a distanze enormi rispetto alla dimensione degli elettroni nel mio dito e nel tasto shin, e quindi si respingono l'un l'altro con una forza inconcepibile rispetto alla loro dimensione. Se non ci fossero tali forze, cadrei immediatamente dalla sedia nel terreno fino al nucleo della Terra. E come buco nero, cioè come materia concentrata, la Terra è in realtà molto piccola... Cioè - chi ha creato l'universo era molto avaro nella quantità di plastilina in esso rispetto alla sua dimensione, ma molto generoso rispetto all'influenza di piccoli pezzi di plastilina da lontano l'uno sull'altro. Quindi, dopo che vediamo una tale discrepanza estrema nell'universo stesso tra quantità di materia e spazio, è difficile parlare di grande e piccolo in relazione all'intero universo: è possibile che il nostro intero universo sia minuscolo rispetto ad altri universi - o gigantesco. Un piccolo esperimento - o un mostro inconcepibile.
La stessa domanda che riguarda lo spazio riguarda anche il tempo. Se la scala oggettiva per lo spazio e il tempo è l'universo stesso, allora noi, sia come specie che come individui, ne occupiamo una quantità di tempo molto più grande in molti ordini di grandezza rispetto allo spazio. Come evoluzione, per esempio, siamo qui per più di un terzo della vita dell'universo, e come pezzo di materia la Terra è meno di un nano-nano-qualcosa dell'universo, e anche il nostro rapporto come esseri umani con la dimensione dell'universo è simile. Non siamo solo simili a quei giganti nel tempo, dal commovente paragrafo finale di Proust in Alla ricerca del tempo perduto, ma siamo davvero spaghetti nel tempo. Creature minuscole nello spazio che occupano un tempo enorme rispetto alla loro dimensione. Ma chi ha detto che anche l'universo stesso può essere una scala oggettiva? Può esistere in generale una scala oggettiva per l'universo?
Le uniche distanze e quantità che sono oggettive nell'universo in termini di dimensione sono gli ordini di grandezza stessi. Sono questi che determinano che l'universo è in realtà vuoto, perché ci sono molti ordini di grandezza tra la dimensione delle sue parti e le distanze della loro influenza e gli spazi in esso. I veri confini del nostro universo, molto oltre qualsiasi confine nel tempo e nello spazio, sono forse in realtà i confini degli ordini di grandezza che ci sono accessibili? È possibile che la risposta alla ricca complessità si trovi purtroppo proprio in ordini di grandezza che non ci sono accessibili, sia più grandi di noi (il grande progettista? super-universo? altra struttura?), sia molto più piccoli (qualche base che crea complessità in tutti gli ordini di grandezza sopra di essa, e forse crea anche la matematica stessa e le leggi della natura). Ma forse la complessità è un'illusione? Dopotutto ci sono molti ordini di grandezza nell'universo in cui non c'è complessità, e molte parti semplici in matematica e noiose e prive di interesse. Forse la complessità nasce proprio dall'esistenza di molti ordini di grandezza, che permettono la creazione graduale di complessità?
Dopotutto se unifichiamo l'algoritmo evolutivo e l'algoritmo delle reti neurali, i due algoritmi di apprendimento naturali che conosciamo, scopriremo che ciò che crea la complessità sono molte generazioni una dopo l'altra o molti strati uno dopo l'altro (apprendimento profondo), dove in ogni generazione e strato c'è una moltiplicazione e ridondanza enorme di agenti (organismi o neuroni). Cioè, c'è una complessità che nasce dalla stratificazione del tempo che passa sul sistema, e c'è anche una complessità che nasce dalla stratificazione spaziale nel sistema. La stratificazione è il padre della complessità e quindi dello sviluppo e dell'apprendimento. Non è ragionevole che ci sia anche una complessità che deriva dalla stratificazione degli ordini di grandezza nel sistema? Cioè, dove ogni ordine di grandezza riflette una complessità maggiore che emerge da quello sotto di esso? Il meccanismo di apprendimento cosmico non potrebbe essere un meccanismo di apprendimento basato su ordini di grandezza, che generalizza i meccanismi di apprendimento nel tempo e nello spazio?
Anche la complessità matematica nasce da innumerevoli stadi che si sovrappongono l'uno sull'altro, secondo le definizioni in evoluzione e il linguaggio logico matematico. Forse in realtà la complessità del mondo nasce solo dal calcolo ripetuto, o forse proprio da un meccanismo ancora più basilare del calcolo? Perché rami così distanti in matematica sono collegati da connessioni sorprendenti e così profonde (la storia centrale che si ripete ancora e ancora in tutte le parti della matematica moderna)? È possibile che tutta la matematica sia costruita non solo come una rete con connessioni profonde da mare a mare, ma che ci sia un fenomeno basilare alla sua base, che esiste il mare? O che ci sia qualche processo generativo profondo che crea la complessità in tutta la matematica, per esempio dei numeri primi, e si può andare in profondità? La logica matematica è certamente un processo generativo, ma non è "profondo", e non c'è in esso comprensione dell'ordine che si crea, ma solo una descrizione linguistica esterna (e infatti è relativamente disconnessa dal resto della matematica, nonostante la teoria dei modelli, e recenti progressi nel collegamento tra teoria dei tipi e teoria delle categorie). Scopriremo l'apprendimento alla base dei fondamenti della matematica?
Queste domande sono al limite estremo della nostra percezione. Ma forse proprio se unifichiamo i diversi algoritmi di apprendimento che conosciamo, dai mondi evolutivi, cerebrali, matematici e fisici, arriveremo a qualche teoria unificata e fondamentale dell'apprendimento e della sua essenza, e della base profonda comune ai diversi algoritmi di apprendimento nel nostro mondo, e quindi anche delle caratteristiche e dei limiti dell'apprendimento. È possibile che scopriremo nel XXI secolo che la teoria del tutto in fisica (TOE), che unifica le due grandi teorie fisiche del XX secolo - i quanti e la relatività - in un unico quadro, si basa proprio su idee di apprendimento evolutivo, come la biologia si basa sull'evoluzione? Una tale teoria può essere ancora più generale della "teoria del tutto" fisica - perché potremmo scoprire che include tutte le scienze esatte, incluse matematica e biologia e informatica e neuroscienze - sotto un unico quadro di apprendimento. Per esempio, quando diversi algoritmi di apprendimento sono casi particolari di un algoritmo fondamentale.
E se scegliamo un obiettivo più modesto, proprio come la teoria delle reti oggi inizia a fornire intuizioni sulle reti in tutti i campi della scienza e della tecnologia, forse in futuro avremo una teoria dell'apprendimento interdisciplinare e fondamentale, che si rivelerà anche più basilare dell'idea di rete. Proprio come l'apprendimento è più fondamentale per il cervello della rete neurale, o più fondamentale per l'evoluzione delle reti geniche. Possiamo certamente immaginare una specie di Einstein dell'apprendimento del XXI secolo, che lo stabilirà come super-teoria, e che scoprirà in esso anche una moltitudine di previsioni quantitative (quanto velocemente si può imparare? In quali condizioni di soglia? Quanta informazione serve e quanta viene creata? Come si misura la "complessità ricca" attraverso l'apprendimento? ecc.).
Allora, forse una tale teoria troverà una spiegazione generale e completa per la complessità nell'universo, e il meccanismo di apprendimento basilare che lo guida. E allora smetteremo di capire l'universo come calcolo (privo di profondità e intuizione), o come rete (casuale), o come probabilità (improbabile), e inizieremo a pensarlo come apprendimento. Non conosciamo altro processo naturale che crea complessità ricca, sia nella cultura, sia nell'uomo, sia nell'evoluzione, che non sia apprendimento. Forse scopriremo che questo è vero anche per la fisica e la matematica? E forse la natura di questo algoritmo ci rivelerà perché siamo l'unica evoluzione che è convergita allo stato di intelligenza, e che probabilmente ci possono essere troppi tipi di sviluppo della complessità, che sono accaduti in altre evoluzioni, e che hanno portato in altre direzioni, che non comprendiamo oggi. Dopotutto è possibile che l'evoluzione tenda proprio a convergere ad altri algoritmi di apprendimento diversi dai nostri (emerge naturalmente da essa proprio il calcolo digitale, per esempio dal genoma, e non il cervello? Perché in effetti questo non è più probabile? Perché dovrebbe crearsi un meccanismo di apprendimento aggiuntivo e analogico, disconnesso dal meccanismo di apprendimento genetico digitale che già esiste ed è pronto?). E se si creerà una teoria scientifica generale e completa dell'apprendimento, forse potremo anche misurare la complessità che è "probabile" che l'evoluzione crei, e capire se siamo davvero un caso estremo, o identificare qualche punto di svolta raro sulla strada verso di noi, che ha portato relativamente facilmente alla complessità che ne è seguita. E forse, se decifreremo l'algoritmo di apprendimento basilare della natura, capiremo anche come dovrebbe svilupparsi naturalmente (!) l'intelligenza artificiale, e qual è l'algoritmo di apprendimento più n-a-t-u-r-a-l-e per l'intelligenza nell'universo. E ciò che è naturale - probabilmente è più sicuro e giusto e adatto al mondo. E alla natura. E alla natura del mondo.