Budowanie modeli umysłu to bardzo trudna sprawa – bo sam umysł jest tak trudno definiowalnym, wręcz nieuchwytnym pojęciem. Jednym z większych problemów jest kwestia budulca umysłu: czy występują tam jakieś izolowane obiekty? Czy też umysł stanowi organiczną całość? Lingwiści i kognitywiści do tej pory nie znaleźli na to zadowalającej odpowiedzi.

Czy kiedy słyszymy słowo „drzewo”, automatycznie zaczynamy jednocześnie myśleć o „zieleni”, „drewnie”, „liściach” i „korzeniach”? Raczej tak: szczególnie w zdaniach widać, że słowa mają skłonność do automatycznego przywoływania innych słów. Ludzka zdolność znajdowania asocjacji pomiędzy słowami i inferowania z nich znaczeń wyjaśnia, w jaki sposób potrafimy komunikować złożone pojęcia przy wykorzystaniu ograniczonej liczby słów.

Wygląda zatem na to, że słowa są utrzymywane w naszej pamięci nie jako izolowane obiekty, lecz jako sieci powiązanych słów. Kontakt umysłu ze słowem wyzwala wspomnienia słów z nim powiązanych dzięki wcześniejszym doświadczeniom. Czym są jednak te powiązania i jak się one przenoszą? Takie pytania postawili sobie badacze z Queensland University of Technology (QUT) w Australii i University of South Florida w Stanach Zjednoczonych. W wyniku ich pracy powstała mapa – mentalny leksykon, który pokazuje jak słowa są ze sobą połączone poprzez inne słowa.

Korelacje kwantowe i korelacje klasyczne

Umysł ma naturę kwantową. To popularne w rozmaitych new age’owych teoriach ujęcie znalazło nieoczekiwanie nowego znaczenia. Kwantowy, czyli dyskretny, zdolny do natychmiastowego oddziaływania na odległość. Tą ostatnią własność badacze przypisali powiązaniom umysłowym: według nich asocjacje między słowami nie rozprowadzają się jak fala poprzez sztywną sieć, słabnąc wraz z odległością, ale przeskakują natychmiastowo od słowa do słowa, budząc jednocześnie wszystkie powiązane słowa.

Jak wyjaśnić naturę korelacji klasycznych i kwantowych? Przede wszystkim w korelacji kwantowej nie występują żadne ukryte zmienne lub wspólne przyczyny. Jeśli ktoś napisze na dwóch kartkach papieru tę samą liczbę i wyśle je na dwa krańce świata, to odbiorcy obu kartek znajdą na nich te same liczby – i nikogo to nie zdziwi. Korelacja ta wynika po prostu z zaistnienia wspólnej przyczyny.

Odpowiednik kwantowy takiego scenariusza jest już dla nas bardziej dziwaczny. Na jednym końcu świata ktoś pisze liczbę na pustej kartce papieru, a na drugim końcu ktoś inny odkrywa, że ta sama liczba jest zapisana na innej kartce papieru. Fizycy nazywają taki efekt kwantową nielokalnością i często obserwują w swoich eksperymentach z cząstkami elementarnymi.

Czy jednak efekty kwantowe mogą zachodzić dla niefizycznych obiektów? Dr Peter Bruza z QUT uważa, że kwantowe splątanie to tylko przejaw czegoś bardziej ogólnego, co nazywa „nieoddzielalnością”. „Postrzegamy teorię kwantową jako abstrakcyjne rusztowanie, na którym budujemy modele nieoddzielalności w rozmaitych dziedzinach, włącznie z kognitywistyką. Jednak wcale nie twierdzimy, że nieoddzielalność w ludzkim umyśle ma cokolwiek wspólnego z fizyczną manifestacją kwantowego splątania w mózgu” – stwierdził naukowiec.

W modelu splątania słów stworzonych przez badaczy, każde słowo może być albo przywołane, albo nie przywołane. Stan splątany zachodzi, gdy dwa słowa między którymi istnieje asocjacja (np. „Ziemia” i „kosmos”) są jednocześnie albo przywołane albo nie przywołane w odniesieniu do wejściowego słowa (np. „planeta”). Ma to sens – kiedy wizualizujemy Ziemię, trudno jednocześnie nie zwizualizować dookoła niej przestrzeni kosmicznej. W tym przykładzie Ziemia i kosmos są nieoddzielalną encją.

Skąd przychodzą słowa?

Dotychczasowe modele zakładają, że słowa są oddzielnymi obiektami w ludzkiej pamięci. W nowym modelu tak już nie jest. Prawdopodobieństwo przywołania każdego słowa zależy od siły wzajemnych powiązań pomiędzy nimi. „Ziemia” i „kosmos” są powiązane w kontekście „planety”, ale „Ziemia” i „gazowy gigant” już nie są splątane. Słowa, które są splątane z wieloma innymi słowami cechują się większym prawdopodobieństwem bycia przywołanymi, podczas gdy słowa splątane jedynie z kilkoma innymi słowami mają to prawdopodobieństwo znacznie mniejsze. Może koncepcja splątania słów brzmi dziwacznie, ale Bruza wyjaśnia, że dziwność pochodzi skądś indziej:

„Myślimy że dziwne jest, że w ogóle zachodzą splątania. Fenomen ten dowodzi, że świat nie jest zatomizowanym, redukowalnym miejscem, za jakie długo uchodził. Jeśli splątanie da się zaobserwować w innych, niefizykalnych systemach, to sugeruje to, że formalizm kwantowy przedstawia nieoddzielalność jako taką – i może być wykorzystywany do badania wszelkich złożonych systemów”.

Taki model jest oczywiście bardzo uproszczony – i trudno go urealistycznić ze względu na rozmiar ludzkiego mentalnego leksykonu. Jednak da się mimo to na jego podstawie budować już jakieś empiryczne przewidywania. Obecnie na Florydzie prowadzone są badania o nazwie „Free Association Norms”, w których budowana jest baza asocjacji słów. Zawiera ona już 750 000 tysięcy słów, powiązanych na podstawie danych zebranych od ponad 6000 uczestników reagujących na 5019 słów kluczowych. Te modele będą w przyszłości zastosowane do budowy technologii semantycznych.

„Współczesne technologie informatyczne są bardzo wydajne w przetwarzaniu symboli, ale zupełnie nie radzą sobie z ich znaczeniami. My stoimy na stanowisku, że aby lepiej dostosować się do ludzi, technologia musi zacząć przetwarzać znaczenia, podobnie jak my to robimy. W miarę jak nasze środowisko informacyjne staje się coraz bardziej zlożone, potrzebujemy technologii, które znajdą zależne od kontekstu asocjacje, których my sami nie potrafimy znaleźć ze względu na brak odpowiednich zasobów umysłowych” – powiedział Bruza.

Badacze opublikowali swoje teorie w artykule Extracting Spooky-activation-at-a-distance from Considerations of Entanglement. Zostanie on opublikowany w biuletynie Proceedings of the Third Quantum Interaction Symposium, Lecture Notes in Artificial Intelligence, vol 5494, Springer, 2009 i jest dostępny tutaj: arXiv:0901.4375v1.

Źródło: PhysOrg.com

Brak powiązanych artykułów.

Jak wiadomo, magnes ma dwa bieguny, północny i południowy. Przecięcie magnesu na pół powoduje powstanie dwóch mniejszych dwubiegunowych magnesów. Jednobiegunowe magnesy to pomysł rodem z powieści Sci-Fi i gdyby potrafiono je wytwarzać – mogłyby urzeczywistnić np. techniki lewitacji magnetycznej i bezoporowego ruchu. Jednak na samym początku wykładów z elektryczności i magnetyzmu podkreśla się, że jednobiegunowy magnes – monopol – istnieje co najwyżej tylko w teoriach. Dzięki pracy chińskiego fizyka Shou-Cheng Zhanga nasza wiedza w tej dziedzinie może ulec zmianie.

W 29. numerze pisma Science Express, Zhang i jego współpracownik Xiao-Liang Qi przewidzieli istnienie materiału, który będzie działał niczym magiczne lustro – w którym magnetyczny monopol pojawi się jako obraz zwykłego elektronu. Jeśli przewidywania te potwierdzą się eksperymentalnie, trzeba będzie poprawiać podręczniki elektromagnetyzmu.

Zhang specjalizuje się w teorii ciała stałego i pracuje w stanfordzkim Instytucie Nauki o Materii i Energii (SIMES). Najbardziej interesują go ciała stałe wykazujące osobliwe własności elektromagnetyczne i kwantowe – uczony bada możliwości wykorzystania ich jako nośników informacji. Jednak na sprawę potrafi patrzeć z szerszej perspektywy. Dlatego dostrzegł, że materiał nad którym pracuje, może być tym, o czym spekulują pisarze Sci-Fi – izolowanym północnym lub południowym biegunem magnetycznym.

Z punktu widzenia elektromagnetyzmu biegun magnetyczny jest bliskim krewnym ładunku elektrycznego – jednak w przeciwieństwie do elektronu czy protonu, zawsze występuje w parze, zwanej dipolem. Normalnie monopol w świecie się nie zdarza. Nawet jeśli przetniemy magnes na pół, to uzyskamy w efekcie dwa dipole, a nie oddzielne monopole. Jednak teoretycy wierzący w symetrię uważają, że powinien istnieć magnetyczny odpowiednik ładunku elektrycznego. Na tym bazują teorie unifikacji oddziaływań i teoria strun – a gdyby było inaczej, to równania Maxwella rządzące zachowaniem elektryczności i magnetyzmu, nie wyglądałyby tak jak wyglądają. Poza tym jak wykazał Paul Dirac, istnienie choćby jednego magnetycznego monopolu we wszechświecie wyjaśnia inną tajemnicę mechaniki kwantowej – dlaczego to ładunek elektryczny jest skwantowany, czyli jest całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego, za który uznaje się ładunek elektronu.

To czemu zatem nie obserwujemy nigdzie jednobiegunowych ładunków magnetycznych? Zhang uważa, że szukamy ich w niewłaściwych miejscach. Niektórzy fizycy liczą, że coś tak dziwnego mogłoby im dosłownie spaść z nieba – że trafią na magnetyczny monopol w deszczu egzotycznych cząsteczek powstających w kosmicznych katastrofach, w którym kąpie się nasza planeta. Czekają jednak już na to ponad trzydzieści lat, oczywiście bezskutecznie.

Inni z kolei fizycy uważają, że magnetyczny monopol można by stworzyć w ogromnym akceleratorze – bo jest on aż tak ciężką cząstką. Ukończony w 2008 roku Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) wciąż byłby nie dość duży, by taką cząstkę wytworzyć.

Zhang pyta: „A gdyby tak spojrzeć na drugą stronę lustra?” Oczywiście nie jest to zwykłe lustro, lecz zbudowane ze specjalnego stopu. Chiński fizyk wyjaśnia, że aby zrozumieć, jak materiał może stać się magnetycznym monopolem, należy przypatrzeć się zachowaniu metalu, do którego powierzchni zbliża się ładunek elektryczny – na przykład elektron.

Jako że ładunki tego samego rodzaju odpychają się, elektrony na powierzchni metalu przesuwają się w głąb, odsłaniając uprzednio neutralną powierzchnię dodatnio naładowaną. Powstałe w wyniku tego procesu pole elektryczne wygląda dokładnie tak samo jak pole cząstki o dodatnim ładunku, która znajduje się w tej samej odległości od powierzchni. Z punktu widzenia obserwatora taki obraz to dodatnie lustrzane odbicie elektronu – nie ma żadnej możliwości, by je od siebie odróżnić.

Tutaj pojawia się „magiczne lustro” Zhanga. Rozpatrywany przez niego stop należy do rodziny dziwnych substancji, które otrzymały nazwe topologicznych dielektryków – w nich to prawa elektrodynamiki ulegają głębokim zmianom. Jeśli elektron zbliży się do powierzchni topologicznego dielektryku, to zamiast zwykłego, dodatniego ładunku elektrycznego, jako jego obraz pojawi się coś, co wygląda na magnetyczny monopol.

Myśląc o topologii, myślimy normalnie o obiektach, które nie mogą być po prostu w ciągły sposób przekształcone w siebie – np. gumowej pętli i pętli Möbiusa. Metaliczna powierzchnia topologicznego dielektryka tym się różni od zwykłej powierzchni, że jej metaliczna natura jest chroniona przez pewne niezmienniki symetrii – nie można jej przekształcić w normalny dielektryk. Rysunki poniżej przedstawiają energię i pęd dla zwykłego dielektryka i topologicznego dielektryka. W zwykłym nawet niewielka zmiana fizyczna czy chemiczna może zmienic stan elektronowy powierzchni (i przerwać przepływ prądu), natomiast w topologicznym dielektryku, stany przewodzące są chronione i nic nie może ich naruszyć. (obrazek autorstwa Allana Stonebrakera/stonebrakerdesignworks.com).

Wspomniany dielektryk charakteryzuje się bowiem własnością, przez fizyków zwaną silnym parowaniem orbit spinowych – czyli interakcjami, jakie zachodzą pomiędzy ruchem cząstki a jej spinem. Zbliżający się do topologicznego izolatora elektron wzbudza na jego powierzchni przepływ prądu, który nie wygasa. To z kolei prowadzi zaś do powstania pola magnetycznego, które formalnie nie różni się niczym od pola podobnego do magnetycznego monopolu. Z tego właśnie powodu, dla zewnętrznego obserwatora materiał Zhanga będzie całkowicie nieodróżnialny od monopolowych cząsteczek magnetycznych, które fizycy próbują wychwycić w promieniowaniu kosmicznym.

Praca nad takimi zjawiskami nie ogranicza się tylko do wychwycenia magnetycznych monopoli. Może to być sposób na fizyczne zrealizowanie całej gamy cząsteczek, które istniały jedynie jako matematyczne dziwactwa w teoriach fizyki wysokich energii. Zhang pokazał na przykład, że elektron i zobrazowany w opisany powyżej sposób monopol będą działać razem jak tzw. anyon (od angielskiego słowa „anything”. Anyony to dwuwymiarowe cząsteczki, których własności obejmują zarazem własności typowe dla dwóch rodzin cząstek – tych o spinie całkowitym, czyli bozonów i tych o spinie połówkowym, czyli fermionów.

Swój artykuł Zhang podsumował następująco: „Egzotyczne cząstki – takie jak magnetyczny monopol, dyon, anyon i aksion – odgrywają fundamentalną rolę w rozumieniu fizyki kwantowej. Obserwacje tych egzotycznych cząstek w systemach skondensowanej materii może ujawnić jej głębokie tajemnice, a topologiczne dielektryki mogą stać się nową drogą badań dla fizyki wysokiej energii (…). Nie trzeba bowiem patrzeć w kosmos – wkrótce zobaczymy więcej pięknych matematycznych struktur zrealizowanych w fazie skondensowanej”.

Brak powiązanych artykułów.