生命之流3
2008-4-23 14:00:56  人工生命  生命之流 
3、过去与未来在现在相遇
张江
       为什么一定要起这样一个很“拽”的标题?原因是,要理解生命自主运动就必须对时间这个概念进行深入思考,而这一点恰恰是目前的主流复杂性科学所严重忽略的一个问题。尽管有很多复杂系统模型都是动态的,但是要理解时间模拟是远远不够的。所以,我们必须重新发现蕴藏在系统之中的时间属性。
       让我们再次从那个最一开始的问题:自主运动的小虫出发。当我们看到一只小虫按照它“自己的”意愿去觅食的时候,这意味着什么?把这个问题分解开来,应该是:
1、  小虫在它自己的内部产生了一个目的或者叫意图:觅食;
2、  在这个目的或者意图的驱使下,小虫觅到了食物把它吃掉,实现了这个目的
对,就是这个“目的”使得我们可以区分出小虫和石子。正是因为小虫的运动是有目的的,所以它的运动才是一种按照它自己的目的进行的自主行为。反过来,石子的运动则完全是无目的的,所以它的行为就是被动的、非生命的。
 
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然而,究竟什么是目的呢?我们不妨从最简单的例子开始。假如你住在北京的中关村,想到天安门广场去玩。于是你会把天安门作为你的目的地,选择一条从中关村到天安门的乘车路线。显然,由于当时路面的情况,你会动态调整不同的路径,但是,无论选择何种路径,你的最终目的地不会改变。因此,在行进的过程中,你始终会用最终目的地作为对自己的指导选择路径。一个重要的事实是,天安门这个目的始终是你没有达到的,也就是说,你的目的存在于你想象中的未来世界,但同时这个未来的事物却影响了现在的你对路径的选择,也就是说你对未来的预期“影响了”你的现在。为了更加清楚起见,我们可以用一个时间轴图进行粗略表述:

图3.1 说明目的与时间及其因果关系的示意图

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以文中的实例出发,你从中关村乘车到天安门。假设现在你已经到了西直门(途经知春路),你的最终目的地是天安门,要实现这个目的,你需要先实现到西单这个子目标。图中的实箭头表示过去影响现在的因果关系(显然,你能到达西直门是受到过去的动作,从中关村到知春路的影响)。图中红点右侧部分属于未发生的未来世界,他们都是你头脑中假想出来的。虚箭头则表示一种目的(发生在未来的事件)对现在的隐含影响(因为目的是存在于未来并未发生的事件,而且是非主体的外在观察者看不到的事件,所以因果关系是隐含的)
    非常抱歉,为了解释清楚生命的目的性,我不得不搬出诸如因果、时间等等这些形而上的哲学概念。如图3.1所示,我们看到从因果关系上看,过去和想象的未来对于现在的影响是对称的。一方面,过去的事情可以影响现在,离我们越远的事情对现在的影响越小越模糊。另一方面,未来的事情体现为行动主体的目的也会对现在造成影响,因为你要实现你的目的,你还会根据总目的规划出一些子目的来(如图3.1中的西单节点)。而且越远的事件(越大的目的)对现在的影响也越小。
       然而,这种对目的和因果的解释一定不会被物理学家所接受,原因是物理学家永远都是一个冷酷无情的纯客观的观察者,他看到了你从中关村走到了西直门,并承认这样一种过去对现在的因果关系,但是他们决不会承认未来对现在的因果关系,原因很简单,他们不是你自己,所以他们并不知道你的目的所在。
       为了解释目的,我们却遇到了一个更棘手的问题,即当我们从一个纯客观的角度来观察事物,例如活细胞的时候,我们如何知道它是有目的的呢?物理学家轻易不会承认未来决定现在这样的玄乎的因果关系,所以似乎我们的这种解释简直就是一派胡言。
 
       慢着,也许我们低估了物理学家们进行哲学思考的能力了!从牛顿到爱因斯坦,真正的物理学大师一般都是精通哲学的大师!事实上,对于这种正向因果、反向因果、目的的讨论早已经成为一些物理大师们玩儿剩下的东西了,只不过我们的教科书从来没有这样表述而已。下面,且允许我用换个角度把我们熟知的一些东西重新表达一下。
       让我们先来看一个最简单的例子,如下图:
图3.2  在一个U形轨道上滚动的小球
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       假设在一个粗糙的U形轨道上,有一个小球从侧壁滚下来。可以预料到,小球三晃两晃将会停在U字形的谷底。对这个物理现象最标准的解释应该是运用牛顿力学计算出小球每一时刻的受力,并根据上一时刻的位置和速度计算出下一时刻的位置和速度。如果从时间轴的角度看,这个过程显然遵循时间正向的因果关系。但是,这个计算过程太复杂了,物理学家发明了另一种更简单的方法。由于整个轨道位于一个重力场中,决定小球运动的也主要是重力,所以我们可以画出一条条等势线来,于是谷底也就对应了势能最小点。根本不用费力计算小球在每时刻的受力,物理学家就可以轻松地告诉你,小球一定停在最低点。这是因为,小球的运动将会使得势能最小化。当然这种表述是很客观、物理化的,我们稍微拟人、生动一点,可以把这个陈述表述为:小球运动的目的就是要最小化势能
       在物理中,用牛顿力学计算小球的运动轨迹和用最小势能来预测小球最终的位置都是同样正确的。然而这两种方法刚好用到了两种完全不同的因果律,前者是严格的正向因果,后者则是目的化的反向因果。因此,针对小球这个例子,我们可以完全对应到之前的中关村到天安门的例子上。只不过我们的教科书从来没有从目的论的角度来传授物理。
       在物理中,虽然正向因果律和反向因果律是完全等价的,但是在很多场合下,用反向因果律(把物体的运动看作是有目的的)反而更加简洁、清晰。一个最好的例子就是费马的光行最速原理。
       如图3.3,光线从A点投射到一个平面镜l上,反射到B点,问光线在哪一个点反射?这个问题很简单,按照反射定律,入射角等于反射角,我们很容易找到反射点O。然而,费马对于光的这条反射路径有一套完全不同的看法。他说,光之所以会走这样一条路径,是因为光要最小化它走过的路程。我们可以连接A点和平面镜l上的任意一点P,再连接PB,则这两条线段的总长度AP+PB当P到达位置O的时候刚好最小。而恰恰这条最短的路线就是光实际走的路线(我们不妨用初等几何验证一下)。事实上,在很多实际的复杂问题中(例如包括多个平面镜的反射,还有不同介质的折射情况),费马原理会比反射定律更容易求解。
 
图3.3 费马的光行最速原理示例
 
       停留在谷底的小球,走最短路径的光线,都向我们展示了没有生命的物体是如何寻求它们自己目的的。在日常生活中,我们还会遇到很多实际的优化问题,例如公司寻求利润最大化、个人寻求努力最小化等等,这些都是智慧生物的一种合目的行为。实际上,在数学家看来,追求目的和最优化某个数学函数问题完全就是一回事儿。原因就在于很多时候,那些能够描述清楚的目的总能够通过数学变化转换成一种优化函数。例如前面讲的从中关村到天安门的寻径问题,如果我们把地图上的任意点到天安门的距离看作目标函数的话,那么按照目的地寻找路径的问题就变成了对这个目标函数的优化问题了。
       而我们更感兴趣的是针对一个客观系统的描述,客观系统会在时间之中演化。我们如何判断这个系统是否有目的呢?按照前面所说的优化问题和目的之间的关系,我们可以把目的转变成一个目标函数,于是如果说系统的演化是有目的的,那也就意味着目标函数存在着一个最小值或者最大值,系统演化的过程也就是使得目标函数值趋于最小或者最大的过程。因此,判断系统是否有目的的问题就可以转化为找到一个随时间而趋向最大或者最小值的函数的问题,并且该函数可以描述系统的状态

图3.4 小球落入谷底例子中高度f同时间的关系

       如图3.5,用U型轨道中下落的小球为例,我们可以用小球所处位置的高度(或等价的势能)作为要找的描述系统状态的函数f,这样,小球的滚动过程被简化为f对t的曲线,而该曲线经过短时间内的震荡之后趋向于最小值了,此时小球停留在最低点。因此我们说小球的目的是要朝向这个最低点,它与最小化函数f是一样的。然而,光行最速原理的例子与这里的叙述略有不同,原因是光线经过APB的路径长度并不是系统状态和时间的函数,它是路径的函数。而且,在这里我们也看不到光线路径随时间的演化过程。对于这类有关运动路径的问题,我们将在后面进一步详细论述,这里不展开了。
       总结来说,本章想要传达的主要信息是:目的、函数优化问题其实都是一回事儿,它们都反映了时间轴上未来事件对当前事件的影响。因此,在这个层面上,我们看到了系统演化、最优化等问题中的时间问题。
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2008-4-24 6:22:07
  

虽然是个好定义,我觉得还是挺狭隘的,把一个物体有无目的性定义成是否有个优化函数掌控着物体的运动,不就是让物体去适应这个优化函数?还是适应导向的。虽然在简单的情况下,我们能预见一个优化函数,这个函数让一个外面的观察者看到了过去和未来,但实际情况下,这个优化函数是不可能写出来的,而且是随着其它物体的优化函数的变化而变化,所以无论物体和外面的观察者都不能看到未来,目的也就谈不到了。

我自己还是觉得在人以下的生命都不具备目的性,他们能做的只是对环境和伙伴的适应,但这不是消极的适应,竞争导致各个生命体不断挣扎,瞎撞,"探索"更新的niche,从而进化了,外面的观察者看到这种现象就惊讶了,哇,他们知道了前进的方向!

新古典经济学是彻底的目的论,社会学现在也越来越趋向理性选择理论(rational choice theory)。人的行为就是在多个策略下非常理性的选择的结果。当然也有不同的声音,也有人认为人是向后适应的,不是向前目的性的。我觉得人因为脑容量比较大,可以对未来预见几步,但这不是目的论,预见出的几步也是需要适应性的行为来实现,很多情况下也无法实现的。而预见出的几步一方面为将来的适应提供一个草图,也为开拓新的niche提供可能。

对我来说,讨论个体的目的性意义不是很大,个体的一辈子都是在适应整个宏观的社会结构,Durkheim曾感叹道,我们这一代人对社会做出的改变真是少之又少啊!我们只是尽量的去按照已有的规范生活,甚至我们说话的时候不会感到语言是一种规范,付钱的时候,不会感到货币是与生俱来的。当社会结构改变了,里面的人自然也改变了,这种改变可能是生理上的,也可能是文化上的,但改变只能从大的结构和整个人群的角度去考虑,而个人的目的的作用实在太小了。

但时间非常重要的一点是,它为我们提供了一个历史,这个世界上不存在一群不同的飞鸟飞到一起就涌现出一个人字型,一群细胞搅一搅就涌现出人来,一群人聚在一起就民主时代来临了。每一代人都是区适应已有的社会结构,而做出很微小的改变。所以谈到涌现这个概念,总有人会异议说,你的agent based model厉害,你能涌现出个眼睛来?当然不能,因为眼睛不是一步涌现出的,只有在时间的唯度下,才有意义。




>jake在生命之流3中写道:
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3、过去与未来在现在相遇
张江
 ......

2008-4-24 10:24:14
  

你说得很对,有无目的其实是一个很值得争论的问题。你说只有人才是有目的的,如果更进一步,不如说只有我自己是有目的的,我们没有任何手段和方法去打开别人的脑袋看别人是否真的有目的。所以,所谓的目的性我宁愿给它解释为是一种观察者看出来的“表象”。

其实在这小段文字中我想表达的观点是正向描述(即你所说的适应的结果)和反向描述(目的论)在很多情况下是处于对称地位的,我们很难说哪一个更具有优势。其实小球滚向谷底你也可以说是由地形造成的小球适应环境的结果,但我也可以争辩说,这是小球有目的的行为,这是两种观察视角,在这个例子中,没有哪个更加优越。

至于能不能写出一个函数的问题我并不是很关心,我只关心,我们所说的目的是和一个优化问题相对应就可以了,这样可以自然导出熵这个函数发明的意义所在。它实际上是我们人类观察者想要给事物赋予一定目的性(或者说非要从目的性角度来理解世界)而导致的结果。然而,这一努力能否最终成功?我希望能够在后面导出一个结论说这一努力是不能成功的。

所以,你要是让我来表达我个人的真实观点,我更倾向于无目的、有目的共存。但是我要叙述现有的研究成果就必须先暂时假定有目的。


>shiyongren在回复:生命之流3中写道:
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虽然是个好定义,我觉得还是挺狭隘的,把一个物体有无目的性定义成是否有个优化函数掌控着物体的运动,不就是让物体去适应这个优化函数?还是适应导向的。虽然在简单的情况下,我们能预见一个优化函数,这个函......

2008-4-24 17:38:41
  

1、时间序列是否是内在于因果概念的,或者说“因果倒置”是否本身就像“方的圆”一样用语错误呢?这一点我还不敢下断言。

对于每一个观察者而言,他都有一个内在的时间序列,即使他回到过去,他也不是回到自己的过去,正因为他是以现在的自己(已经有历史积淀的自己)的身份,才有可能认为自己回到了过去。也就是说,在自我认证的层面,自我不可倒流的;时序的不一致必须要经由他人认证。

2、其实从文章开始你对“目的”的说明来看,根本不必用到“反因果”这样的隐喻。因为影响当下行动的是对过去的记忆和对未来的期待(想象计划),这里影响当下的“未来”,不是那个将要实现的未来本身,而是你对未来的筹划和期待。当下的记忆与期待都是当下的意识活动,既不是过去也不是未来,它们只是指向了过去和未来。

3、光行最速原理和反射折射定律好像并不能区分为“正向”和“反向”的(或者说机械论的和目的论)。首先按照前两点的提示,机械论和目的论的区别并非因果的“正”和“反”,而在于当一种现象呈现给我们的时候,我们对其作何种解释。明确地说,是关于这个现象背后究竟有没有理智设计或意志操纵,还是说仅仅是自然而然的。实际上对于模式化的事件与偶发性的事件都可以有无意志的机械论和有意志的目的论这两种解释。对于模式化事件我们描述其发生的模式并以因果观念统摄之,使用条件、规律、必然性等等语言;但也可以说这是理智设计的产物,是某个智能主体制定和规则(注意规则和规律这两个词用法上的区别)。同样,对于偶发性事件,我们可以归结到偶然性、随机性(可以是内部或外部的,但都被解释为独立于观察者的,并且并非意志所为);也可以归结到某个自由意志的主体。

拿反射定律来说,也可以由目的论的解释,即:光主动遵守反射定律的规则。而光行最速原理如果在计算上与反射折射定律等价,那就同样可以解释为无目的性的规律。

主动性在于,遵守规则,也可以不遵守规则。如果没有自由意志主体,也就没有被迫这个词存在的必要,石头不会自己跑出来说:我是被迫的!如果它真有这种想法,那么它又是个意志主体了。

>jake在生命之流3中写道:
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3、过去与未来在现在相遇
张江
 ......

2008-4-25 2:53:19
  

看来你的目的定义的挺广的,也为熵的出现提供条件。

我现在想想,重要的是如何去定义目的性。其实人也可以理解为没有目的的,拥有适应性就足够了。我们所说的目的性,有点像企业的预测函数,但都是通过过去几十个月内的情况来预测未来,都是建立在适应的基础上的。所以有目的性的生物与无目的性的物体的能否这样区别:无目的性的物体,纯粹是就当前环境去适应环境,如碗里面的球。有目的性的生物会把历史上的信息和当下的环境信息集合起来,粗略的勾画出一个预测函数,然后按照这个函数去行为。


>jake在回复:生命之流3中写道:
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你说得很对,有无目的其实是一个很值得争论的问题。你说只有人才是有目的的,如果更进一步,不如说只有我自己是有目的的,我们没有任何手段和方法去打开别人的脑袋看别人是否真的有目的。所以,所谓的目的性我......

2008-4-25 13:01:17
  

你说的很对,我是没有太大必要非要用自己的语言体系来解释这些东西。我过分强调反因果了,而不如用目的论这种大家都接受的语言来说就完了。

今天觉得这篇写得很烂,很多东西还是没有说清楚,比如说时间。我原来的题目叫重新发现时间,写着写着又变成了对目的的讨论,之后又没有讨论清楚,再往下写熵的时候又发现很多有关时间的东西没有交代,所以今天决定重写着一章。多谢你的建议!!!


>xiaotian在回复:生命之流3中写道:
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1、时间序列是否是内在于因果概念的,或者说“因果倒置”是否本身就像“方的圆”一样用语错误呢?这一点我还不敢下断言。

对于每一个观察者而言,他都有一个内在的时间序列,即使他回到过去......

2008-4-25 13:03:20
  

我现在把目的也倾向于一种我们对事物的解释,而不是事物本身存在的特性。只不过,有一类事物如生命会把目的的倾向表现得更清楚一些,而另一类事物比如桌子虽然说也可以说有目的,但这种目的倾向并不清楚。

今天要重写着章了,现在这篇感觉很烂,呵呵~,多谢宝贵意见!


>shiyongren在回复:生命之流3中写道:
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看来你的目的定义的挺广的,也为熵的出现提供条件。

我现在想想,重要的是如何去定义目的性。其实人也可以理解为没有目的的,拥有适应性就足够了。我们所说的目的性,有点像企业的预测函数,......

2016-08-09 00:16:29
   写了一大段上传的时候被丢失了... 很心疼.

这里稍微表述了一些基于本文的评价和延展.

简要:

1.生命一定是具有自主性的

2.自主性不能反映为对目标函数的优化(尽管这个隐喻可以连接到经典物理), 但这个优化过程是物理系统本身的属性, 不能反映Agent本身存在目的.

3.自主性可以看做一种反馈/反射,即根据当下和过去的外界决定行为. 

这个行为不能是常值函数

这个行为可能是稀疏的

这个行为不能是高斯随机的

可能的模型: 激发态物理学,流体力学,非线动力学

4.自主性可能和Inference的能力有关, 一种类似广义回归方法, 神经网络, 分类器(classifer)的能力.

目前未看到将Inference的能力赋予Agent的研究

猜测:动力系统中的Inference需要基于系统是多多少少Deterministic的,相似初态导向相似结果,否则因果论将不成立.

Agent能不能不依靠因果论进行Inference?不知道

如何测量Agent进行Inference的能力?不知道
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