علوم

إعداد وترجمة د. جواد بشارة

ماذا لو كان الكون بأكمله عبارة عن شبكة عصبية حاسوبية عملاقة؟

Et si l’Univers tout entier était un gigantesque réseau de neurones informatique ?

théorie univers réseau neuronal

هذا ما يقترحه الفيزيائي وعالم الكونيات فيتالي فانكورين Vitaly Vanchurin، من جامعة مينيسوتا في دولوث l’Université du Minnesota à Duluth، في منشور وضعه على موقع arXiv. تبدو الفكرة مجنونة تمامًا، ومع ذلك، هل يمكننا رفضها بشكل قاطع؟ يعتقد فانكورين أن فرضية الشبكة العصبية يمكن أن تكون الحلقة المفقودة التي تم البحث عنها كثيرًا في التوفيق بين ميكانيكا الكموم والنسبية العامة.

في ميكانيكا الكموم، الزمن شامل ومطلق le temps est universel et absolu، بينما تقول النسبية العامة أن الزمن نسبي، مرتبط بنسيج الزمكان l’espace-temps. ومع ذلك، وفقًا لفانكورين، يمكن أن تظهر ديناميكيات التعلم للشبكة العصبية "سلوكيات تقريبية" موصوفة من قبل كل من ميكانيكا الكموم والنسبية العامة. وهذا يتطلب منا إيجاد تعريف جديد للواقع.

وهكذا، في مقالته، يستكشف الفيزيائي إمكانية أن يكون الكون المرئي بأكمله، في أبسط مستوياته، مجرد شبكة عصبية حاسوبية un réseau neuronal informatique. ويشير إلى أن معادلات ميكانيكا الكموم تصف جيدًا إلى حد ما سلوك الشبكة العصبية المكونة من عدد كبير جدًا من الخلايا العصبية، بسواء بالاقتراب من التوازن أو عند الابتعاد عنها. ومع ذلك، فإن نفس قوانين ميكانيكا الكموم تصف عمل جميع الظواهر الفيزيائية.

من ناحية أخرى، من المقبول أن ميكانيكا الكموم تعمل بشكل جيد على نطاق صغير petite échelle وأن النسبية العامة تعمل بشكل جيد على نطاق واسع وكبير grande échelle، لكن حتى الآن لم نتمكن من التوفيق بين النظريتين في إطار موحد. وهذا ما يسمى "مشكلة الجاذبية أو الثقالة الكمومية la gravité quantique «. من الواضح أن هناك شيئًا ما مفقودًا، ولا سيما الأخذ بالاعتبار وجهة نظر ومشاهدات المراقبين للظاهرة قيد النظر أو المعنية يشار إلى هذا باسم "مشكلة القياس الكمومي le problème de la mesure quantique بناءً على هذه الملاحظة، يعتقد فانكورين أنه لا توجد نظريتان، بل ثلاث نظريات لتوحيدها: ميكانيكا الكموم والنسبية العامة والمراقبين. ومع ذلك، يعتقد جميع الفيزيائيين تقريبًا أن ميكانيكا الكموم هي النموذج الرئيسي le paradigme principal، الذي يجب أن يتدفق منه كل شيء آخر نظريًا (حتى لو لم يكن أحد يعرف بالضبط كيفية إجراء الاتصال). اليوم، يطرح فانكورين إمكانية أخرى: وجود شبكة عصبية مجهرية réseau neuronal microscopique كهيكل أساسي structure fondamentale، ينبثق منها كل شيء آخر - ميكانيكا الكموم والنسبية العامة والمراقبين العيانيين.

كيف توصل الفيزيائي إلى هذه الفرضية؟ في منشور سابق، كان مهتمًا أولاً بكيفية عمل التعلم العميق l’apprentissage profond، من خلال تطبيق أساليب الميكانيكا الإحصائية على سلوك الشبكات العصبية. والحال، فقد تبين أنه ضمن حدود معينة، فإن ديناميكيات التعلم للشبكات العصبية تشبه إلى حد بعيد ديناميكيات الكموم التي لوحظت في الفيزياء. من هناك ظهرت فكرة أن العالم المادي ربما كان مجرد شبكة عصبية واحدة ضخمة.

اختيار طبيعي للبنى العصبية: Une sélection naturelle de structures neuronales

لتأسيس نظريته، اعتمد فانكورين بشكل خاص على نظرية إيفريت la théorie d’Everett (أو نظرية العوالم المتعددة) وعلى تفسير بوم Bohm (المعروف باسم نظرية الكموم مع "المتغيرات الخفية" théorie quantique à «variables cachées، أي أن المعلمات أو الإعدادات الفيزيائية الافتراضية paramètres physiques  لن تكون كذلك. أي لا تؤخذ في الاعتبار من خلال افتراضات ومسلمات ميكانيكا الكم).

في افتراضه أو مسلمته النظرية، اعتبر أن المتغيرات الخفية هي حالات الخلايا العصبية الفردية والمتغيرات القابلة للتدريب (مثل متجه التحيز ومصفوفة الوزن le vecteur de biais et la matrice de poids) لتكون متغيرات كمومية. ومع ذلك، يمكن أن تكون المتغيرات المخفية هنا غير محلية non locales (وهو ما يتعارض مع عدم مساواة أو عدم تكافؤات  بيل des inégalités de Bell): حيث يمكن توصيل كل خلية عصبية بجميع الخلايا العصبية الأخرى، لذلك لا يحتاج النظام إلى أن يكون محليًا.

هل هذه فكرة مجنونة؟ حتى الآن، لم يتم قبول أي من " نظريات كل شيء" التي تم اقتراحها بالفعل لوصف مجموعة من التفاعلات الأساسية الأربعة - الجاذبية والكهرومغناطيسية والتفاعلات النووية الضعيفة والقوية: لم يسمح أي منها لوصف التفاعل بتوافق الجاذبية مع الإطار النظري لفيزياء الجسيمات، والذي يستخدم لوصف التفاعلات الثلاثة الأخرى.

لكن فانكورين يؤكد أنه على عكس النظريات الأخرى على الإطلاق، فإن دحضه يكون أكثر صعوبة: في الواقع، علينا أن نجد ظاهرة فيزيائية لا يمكن تشكيلها modélisé باستخدام شبكة عصبية. قال إنها مهمة صعبة لأننا نعرف القليل جدًا عن سلوك الشبكات العصبية وكيف يعمل التعلم الآلي في الواقع.

وهناك تجربة أخرى تضع موضع تساؤل ومراجعة لمفهوم "الواقع" في ميكانيكا الكموم سنتطرق إليها لاحقاً.

يضيف العالم الفيزيائي فانكورين أيضًا أن نظريته يمكن أن تشرح آلية الانتقاء الطبيعي sélection naturelle على غرار مثيلتها الداروينية في علم البيالوجي. في الواقع، هناك هياكل (أو شبكات فرعية) للشبكة العصبية المجهرية أكثر استقرارًا من غيرها. هذه البنية الدقيقة ستبقى على قيد الحياة مع التطور، بينما سيتم القضاء على الأقل استقرارًا، بغض النظر عن المقياس الذي تم النظر فيه. كل ما نراه من حولنا (جسيمات، ذرات، خلايا، مراقبين، إلخ) سيكون نتيجة الانتقاء الطبيعي.

يظل معظم علماء الفيزياء وخبراء التعلم الآلي متشككين في استنتاجات زملائهم. يعترف فانكورين نفسه بأنه ربما لم يدرك بعد التعقيد الكامل للشبكات العصبية، وأنه "لم يكن لديه الوقت حتى للتفكير في الآثار الفلسفية للنتائج". فيما يتعلق بما إذا كنا نعيش جميعًا في نوع من محاكاة "نمط المصفوفة" كما في ثلاثية أفلام ماتريكس à la Matrix " المصفوفة"، يرد الفيزيائي، "لا، نحن نعيش في شبكة عصبية، لكن قد لا نرى الفرق أبدًا."

ربما تكون CERN المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، قد أكدت للتو إحدى الفرضيات التي تشرح وجود الكون:

لأول مرة على الإطلاق، لاحظ الفيزيائيون العاملون في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) اختلافات في تحلل الجسيمات والجسيمات المضادة التي تحتوي على لبنة أساسية من المادة: الكوارك الفاتن أو الساحر le quark charm. يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف في كشف لغز كبير، يتعلق بوجود المادة. بعبارة أخرى، وبالتالي، يمكنها أيضًا أن تجيب، بمعنى ما، عن سؤال طرحناه على أنفسنا مرة واحدة على الأقل: لماذا يوجد الكون؟

قال شيلدون ستون Sheldon Stone، أستاذ الفيزياء في جامعة سيراكيوز l’Université de Syracuse  (نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية)، وأحد المتعاونين الذين يعملون في مشاريع البحث الجديدة: "هذا حدث تاريخي".

يحتوي كل جسيم من المادة على جسيم مضاد له كتلة متطابقة، ولكن له شحنة كهربائية معاكسة. عندما تلتقي المادة والمادة المضادة، فإنهما يفنيان أو يبيدان بعضهما البعض. وهذه "مشكلة" فيزيائية لم يتم حلها بعد: يجب أن يكون الانفجار العظيم قد خلق كميات مكافئة من المادة والمادة المضادة، وكل هذه الجسيمات يجب أن تدمر نفسها بسرعة، تاركةً فقط طاقة خالصة l’énergie pure. ولكن بدلاً من ذلك، نجا كوارك واحد فقط من كل مليار كواركات (الكواركات هي الجسيمات الأولية التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات) من حادثة الإبادة. وهذا ما سمح بأن توجد المادة، وبالتالي الكون المرئي، ونحن.

لكن هذا يعني أيضًا أن الجسيمات والجسيمات المضادة لا يجب أن تتصرف بنفس الطريقة تمامًا، كما قال ستون لمجلة Live Science. بدلاً من ذلك، يجب أن تتحلل بمعدلات مختلفة قليلاً، مما يسمح باختلال التوازن بين المادة والمادة المضادة. يطلق الفيزيائيون على هذا الاختلاف في السلوك انتهاك تكافؤ الشحنة violation de parité de charge (انتهاك CP). تم تقديم فكرة انتهاك CP في عام 1967 من قبل الفيزيائي الروسي أندريه ساخاروف Andrei Sakharov، الذي اقترحه لشرح سبب بقاء المادة على قيد الحياة من الانفجار العظيم. قال السيد ستون معلقاً على ذلك: "إنه أحد المعايير الضرورية لوجودنا". "لذلك من المهم فهم أصل انتهاك CP."

هناك ستة أنواع من الكواركات (من عدة أنواع تسمى النكهات)، ولكل منها خصائصه الخاصة: الأسفل والأعلى، والغريب والساحر أو الفاتن، ثم الجمال ("القاع" سابقًا) والحقيقة (سابقًا "القمة" ) les quarks down et up (bas et haut), strange et charm, puis beauty (anciennement « bottom ») et truth (anciennement « top »).. في عام 1964، لاحظ الفيزيائيون لأول مرة انتهاك CP في كواركات غريبة. ثم في عام 2001، رأوا ذلك يحدث مع جسيمات تحتوي على كواركات قاع (أو جمال) bottom (ou beauty).. افترض الفيزيائيون منذ فترة طويلة أن هذا هو الحال أيضًا مع الجسيمات التي تحتوي على كواركات ساحرة، لكن لم يتمكن أحد من ملاحظتها. علاوة على ذلك، أدى هذان الاكتشافان إلى الحصول على جوائز نوبل للباحثين المعنيين. ولقد تم رصد بوزونات هيغز بعد تتفككها واضمحلالها إلى كواركات قاعية بوتوم أو جميلة.

ستون هو أحد الباحثين في تجربة Beauty LHC في CERN. المصادم LHC (مصادم الهادرون) وهو عبارة عن حلقة طولها 27 كيلومترًا تقع على الحدود الفرنسية السويسرية، والتي ترسل جسيمات دون ذرية في دائرتها من أجل تصادمها، وبالتالي تخلق دفعات من الطاقة الشديدة التي أعقبت الانفجار الكبير. فعندما تلتقي الجسيمات، فإنها تنقسم إلى أجزاء مكونة لها، والتي تنقسم بعد ذلك (في أجزاء من الثانية) إلى جسيمات أكثر استقرارًا.

LHC accélérateur particules matière noire

أطلس، في LHC (CERN). هذا هو جهاز فعال حلقي لمصادم الهادرونات الكبير، والذي يستخدم مغناطيسًا كهربيًا حلقيًا يسمح للحقل المغناطيسي بالثني داخل نفسه في الهواء.

تتعلق الملاحظات الأخيرة بتوليفات من الكواركات تسمى الميزونات mésons، وبشكل أكثر دقة الميزون D0 الميزون ("d-zero") والميزون المضاد لـ D0. يتكون الميزون D0 من كوارك ساحر وكوارك مضاد (الجسيم المضاد للكوارك العلوي). الميزون المضاد لـ D0 هو مزيج من كوارك مضاد للسحر وكوارك علوي. يتحلل هذان الميزونان بعدة طرق، ولكن ينتهي المطاف بنسبة صغيرة منهما بالتحول إلى ميزونات تسمى كاون kaons أو بيونات pions. قام الباحثون بقياس الاختلاف في معدل الاضمحلال بين الميزونين D0 والميزونات المضادة لـ D0، والتي تضمنت اتخاذ تدابير غير مباشرة للتأكد من أنها لم تكن تقيس الفرق في الإنتاج الأولي للميزونات، أو الاختلافات الناشئة عن جودة معداتهم للكشف عن الجسيمات دون الذرية المختلفة.

تظهر النتائج أن نسب الاضمحلال اختلفت بنسبة عُشر بالمائة. قال ستون: "هذا يعني أن الميزون D0 ومضاد D0 لا يتدهوران بنفس المعدل أو الوتيرة، وهذا ما نسميه انتهاك CP". أعلن الباحثون عن الاكتشاف في بث شبكي لـ CERN، ونشروا وثيقة توضح بالتفصيل النتائج على خادم arXiv قبل النشر (من بين أمور أخرى).

وهذا يجعلها ممتعة. يوضح ستون أن الاختلافات في الانحلال ربما ليست كبيرة بما يكفي لتفسير ما حدث بعد الانفجار العظيم، مما يؤدي إلى وجود الكثير من المادة يفوق المادة المضادة. ولكن حسب قوله، فإن هذه الاختلافات كبيرة بما يكفي لتكون مفاجأة. ويضيف: "حان الآن دور علماء الفيزياء النظرية لجعل هذه البيانات تتحدث".

يعتمد الفيزيائيون على ما يسمى بالنموذج القياسي أو المعياري le modèle standard لشرح كل هذه الظواهر على المقياس دون الذري. السؤال الآن هو ما إذا كانت التنبؤات التي قدمها النموذج القياسي أو المعياري يمكن أن تفسر قياس الكوارك الساحر الذي قام به الفريق للتو، أو ما إذا كان سيتطلب نوعًا من "الفيزياء الجديدة" (والتي قال ستون إنها ستكون النتيجة الأكثر إثارة). قال ستون أيضاً: "إذا كان من الممكن تفسيرها فقط من خلال فيزياء جديدة، فإن هذه الفيزياء الجديدة يمكن أن تحتوي على فكرة من أين جاء انتهاك CP".