Tekoäly ja termodynamiikka

Nyt seuraa hieman vaikeaselkoinen kirjoitus. Ei voi mitään, jos tapaan hyvän idean, se pitää panna paperille, tavalla tai toisella. Ja nyt ei ole helposti saatavilla muuta sopivaa kanavaa kuin tämä blogi. En nimittäin halua kehitellä ideaa kokonaiseksi kirjaksi, ei sitä kukaan jaksaisi lukea. Ja tiukan tieteellisen standardin täyttävä artikkeli olisi turhan suuritöinen. Ehkä ”Tieteessä tapahtuu” lehti, joka kirjoittaa siitä mistä nimi kertoo mutta yleistajusesti, voisi aikanaan vastaanottaa aiheesta kirjoituksen.

Ja kerron tähän alkuun myös sen, etten unohda, että idea ei ole omani vaan biologin ja kirjailijan Tiina Raevaaran ja brittiläisen matemaatikon Dorje C. Brodyn. En kerro ideaa heti, vaan rakennan ensin aasinsillan. Siitä tulee valitettavasti varsin pitkä aasinsilta.

Asiaan! Aloitetaan siitä, mitä on termodynamiikka. Ei tarvitse googlata, se on fysikaalinen tiede, suomeksi se on nimeltään lämpöoppi. Ja nyt tulee ensimmäinen selityksen paikka, sillä tässä kohdassa pitää kysyä, ”mitä lämpö on”. Niin, luulemme sen toki tietävämme jo oman kokemusmaailman kautta. Aivan niin kuin uskomme tietävämme, ”mitä aika on”. Mutta ihan oikeasti: lämpö on kyllä jotain muuta kuin havaintopsykologiaa! Sitä mitenkään halventamatta.

Wikipedian hieman horjahteleva selitys kertoo että termodynamiikka käsittelee eri energimuotojen välisiä muutoksia. Suunnilleen sitä se varmaan on, mutta mitä sitten on energia? Sekään ei ole ollenkaan selvää, vaikka nykyään sanotaan, että se on kaiken perusta. Maailma kun koostuu modernin fysiikan mukaan aineesta ja energiasta, ja ne voivat muuttua toisikseen. Mutta on outoa, että pitkälle 1800-luvulle energia oli tuntematon asia, paremmin tunnettiin liikemäärä, jota soviteltiin fysiikan perussuureeksi. On ehkä jopa hassua, että energiaa ja siis myös termodynamiikkaa eivät keksineet teoreettiset fyysikot, matemaatikot tai filosofit vaan käytännön miehet: insinöörit ja fyysikot, jotka koettivat parantaa höyrykoneiden toimintaa.

Tässä tulee helppo muistisääntö, joka samalla valaisee energian olemusta. Se tulee kielten maailmasta. Se on yhdyssana en-ergia, missä kreikan ergeia tarkoittaa aktiivisuutta tai työtä (kuten sanassa ergonomia; ergo sattuu olemaan myös latinan apusana ”siis”). Energia on siis työn mahdollistaja, kyky tehdä työtä. Ja työ on tässä maailmassa hyvin yleinen ja tärkeä asia. Työ ei tarkoita pelkästään esineiden nostoa ja siirtämistä. Aineen muokkauksessa tarvitan työtä, samoin sitä kuluu nesteiden ja kaasujen pumppaamseen. Sähkö on energiaa, sillä voimme syöttää sitä sähkömoottoriin, joka alkaa tehdä työtä puolestamme. Valo on energiaa, sitä voidaan ottaa talteen aurinkopaneeleilla ja muuttaa sähköksi. Kemialliset prosessit voivat kuluttaa tai tuottaa energiaa. Poltamme puuta tuottaaksemme lämpöä, ja tankkaamme autoihin kemiallista energiaa vapauttavaa polttoainetta tai sähköä. Elintoimintamme perustuvat energian muutoksiin. Saamme kemiallisesti sitoutunutta energiaa ravinnosta, ja elimistömme alkaa tehdä energian munnoksia. Saamme kehomme lämpöä, ja käytämme sitä lihaksissamme tekemällä työtä. Ja tarvitsemme energiaa ajatteluun, aivomme käyttävät jopa 20% elimistömme energiasta, vaikka niiden paino on vain 2% painostamme.

Kirjoitin edelle pitkän luettelon. Se havainnolistaa sitä, että jokseenkin kaikki, mitä maailmassamme tapahtuu, perustuu erilaisiin energian muunnoksiin. Ja termodynamiikka on tiede, joka tutkii ja mallittaa näitä energiatilojen muutoaksia ja niiden suuren mittakaavan seurauksia. Termodynamiikka on löytänyt yleisiä maailmaa koskevia säännönmukaisuuksia. Energiaprosessit ovat luonteeltaan energiatilojen muutoksia. Energia siirtyy niissä aina korkeasta kohti matalaa. Esimerkiksi höyrykoneen kattilassa poltetaan hiiltä, ja kattilaan kehttyy korkea energia eli lämpötila. Tuo energia siirtyy höyryn välityksellä viileään ulkoilmaan, ja ikäänkuin sivutuotteena höyrykone tekee mekaanista työtä.

Maailmassamme on siis suuri määrä erilaisia energiatiloja, ja nämä tilat tasoittuvat vähitellen erilaisissa energian muuttumisprosesseissa. Näiden tilojen yhteinen kokonaisenergian määrä ei muutu, se on eräs termodynamiikan laki. Sen sijaan tilojen väliset erot pyrkivät tasoittumaan, juuri se pitää maailmamme toimivana ja dynaamisena. Nuo energiatilat ovat järjestyneet korkeamman ja matalamman energian rakenteiksi. Vähitellen erot tasaantuvat, ja se tarkoittaa epäjärjestyksen lisääntymistä. Termistä epäjärjestystä sanotaan entropiaksi, ja eräs termodynamiikan laki sanookin, että entropia pyrkii lisääntymään.

Nyt filosofisesti ajatteleva lukija voisi kysyä, mitä tästä seuraa? Kun kaikki erot ovat lakanneet, energiaprosessit pysähtyvät, ja maailma kuolee, eli mitään liikettä ja muutosta ei enää tapahdu. Termodynamiikan lait koskevat kuitenkin vain eristettyjä eli suljettuja järjestelmiä. Tarkkaan ottaen linnunradan planeetat eivät ole termodynaamisesti suljettuja, sillä tähtien sisällä tapahtuvat ydinreaktiot tuottavat säteilyn kautta jatkuvaa energiavirtaa planeettojen pinnalle, ja se ylläpitää niiden dynamiikkaa, eli Maan tapauksessa se saa myös elämän jatkumaan. Tämä on tärkeä näkökohta, ja siihen palataan ehkä vielä aivan kirjoituksen lopussa.

Mutta nyt pitäisi jo päästä otsikon lupaamaan tekoälyyn. Tekoäly on jotain, mitä tietokoneet tekevät. Ja tietokoneet käsittelevät tietoa eli dataa. Tieto tallennetaan tietokoneiden muistilaitteen tallennusyksiköihin energiatiloina, ja näitä tiloja sanotaan biteiksi. Tallennusyksiköt voivat olla mikropiirien muistisoluja, tai magnetoituvan tai optisen materiaalin alueita. Kun tietoa tallennetaan, nuo bitit asetellaan tiettyyn järjestykseen. Näiden energiatilojen muutteluun eli tiedonkäsiyttelyyn tarvitaan siis aina energiaa. 

Tiedämme, että tietokoneiden energiatehokkuus on vuosikymmenien ajan parantunut, niin että nykyaikainen älypuhelin, joka on myös tietokone, on laskentanopedeltaan ja tiedonkäsittelyn energiatehokkuudeltaan valtavasti parempi kuin 1960-luvun tonnien painoiset tietokonejärkäleet. Tuo tehokkuus on saavutettu pienentämällä sitä energiamäärää, joka tarvitaan tietobitin tallentamiseen. Ja se on saavutettu tekemällä tietoa tallentavat muistisolut aina vain pienemmiksi. Nykyisin niiden koko alkaa lähestyä mikronin tuhannesosia. Pienentämisellä on kuitenkin rajansa, sillä molekyylien lämpövärähtely alkaa jo heilutella bittejä. Ilmiötä sanotaan termiseksi kohinaksi. Sitä voitaisiin pienentää jäähdyttämällä tietokoneet hyvin kylmiksi – mutta koska jäähdyttäminen on hankalaa ja kuluttaa paljon energiaa, menetelmää ei yleensä kannata käyttää.

Vähitellen alamme lähestyä tekoälyä. Nykyiset ja paljon keskustelua herättävät tekoälyjärjestelmät perustuvat hyvin surten tietomäärien käsittelyyn. Niin, oikeastaan vasta internetin sisältämät valtavat tietomassat ovat tehneet ne mahdollisiksi. Siksi tekoälyä tarjoavat serverit ovat valtavia energiasyöppöjä. Ja erityisen paljon dataa ja energiaa tarviaan niiden ohjelmoinnissa eli opetusvaiheessa.

On vielä eräs asia, joka tekoälystä puhuttaessa on syytä tuntea – vaikka asa onkin varsin syvällinen ja vaikea. Sen nimi kuulostaa todella vaikuttavalta: informaatioteoria. Matemaattisen informaatioteorian esitteli noin vuonna 1948 amerikkalainen matemaatikko Claude Shannon (1916– 2001). Tässä teoriassa informaation mitan perusyksikköä sanotaan bitiksi. Yksi bitti tarkoittaa valintaa kahden vaihtoehdon välillä. Monimutkaisemmat valinnat ovat mahdollisia käyttämällä enemmän bittejä. Biteistä rakentuu näin mutkikkaampaa tietoa, joka käytännössä voi olla kirjoitusta, puhetta, kuvia tai videoita. Informaatioteoriaa hyödynnetään signaalien koodauksessa. Tiedon siirrossa voi esiintyä häiriöitä, ja tiedon tallennuslaitteessa voi olla viallisia talennusyksiköitä. Koodaus tarkoittaa, että informaatioon eli bittien joukkoon lisätään ylimääräisiä bittejä, tämän bittien ylimäärän eli redundanssin avulla virheet voidaan joko korjata tai ainankin havaita. Jokaiseen käytännössä esiintyvään informaationa käsittelytapaan, siirtoon tai tallentamiseen, liittyy virheiden mahdollisuus, ja niille vodaan suunnitella parhaiten soveltuva koodaustapa.

Myönnän, että edellä annettu kuvaus informaation mittaamisesta ja koodaamisesta ei välttämättä aukea asiaa tuntemattoman silmille. Ehkä se antaa kuitenkin jonkinlaisen vihjeen, millaisesta ajattelutavasta on kysymys. Lisään vielä muutaman asian. Informaatioksi sanotaan sitä, että signaalin siirto- tai tallennusyksiköiden energiatilat on järjestelty tietyllä tavalla. Informaatio tarkoittaa siis järjestystä. Ja tässä on yhteys termodynamiikkaan: dynaamisessa maailmassamme energiatilat ovat järjestäytyneet tietyllä tavalla. Termodynaamisissa prosesseissa järjestys vähenee, tai pysyy enintään ennallaan. Lyhyt muistisääntö: järjestys = informaatio, epäjärjestys, Kaaos=entropia.

Nyt pääsemme semanttiseen informaatioteoriaan: se käsittelle tiedon semantiikkaa eli tiedon merkitystä ihmiselle. Kaikki tieto ei ole yhtä kiinnostavaa. Usein käytetty esimerkki on kaksi uutista: ”koira puri miestä”, ja ”mies puri koiraa”. Edellinen ei ole kauhean kiinnostavaa, mutta jälkimmäinen on tosi silmiinpistävää. Jälkimmäinen tapaus sisältää kuulijan kannalta enemmän informaatiota. Se on myös epätodennäköinen. Saamme semanttiselle informaatiolle mitan: mitä epätodennäköisempi joku viesti on, sitä suurempi on sen informaatioarvo. (Totean vielä, että signaalin todennäköisyys on tärkeä käsite myös matemaattisessa informaatio- ja koodausteoriassa, mutta en selosta sitä enempää).

On selvää, että ihmiset tulkitsevat viestejä eri tavoin, informaation tulkinta on subjektiivista. Siksi semanttisessa informaatioteoriassa ei voida määritellä tarkkoja sääntöjä tai laskukaavoja informaation määrälle. Se on kuitenkin hyvin tärkeä ja suuntaa-antava ajattelutapa.

No niin, lopulta aasinsilta on valmis. Nyt voin kertoa sen tekoälyyn liittyvän ajatuksen, johon alussa viittasin. Nykyisin runsasta keskustelua herättävät tekoälyjärjestelmät perustuvat niin sanottuihin keinotekoisiin oppiviin hermoverkkoihin, tai oikeastaan sellaisia jäljitteleviin ohjelmiin. Kuulostaa oudolta ja jopa uhkaavalta, mutta asia on loppujen lopuksi yksinkertainen. Nuo ohjelmat laativat oikeastaan vain tilastollisia yhteenvetoja siitä materaalista, jolla ne on opetettu. Tekoälylle esitetään joku kysymys tai tehtävä, ja se tuottaa vastauksen, joka parhaiten sopii yhteen sen käyttämän aineiston kanssa. Asia on käytännössä mutkikkaampi, mutta lopputulos on sama: jollain kriteereillä tuotettu vedos opetusmateriaalista. 

On ilmeistä, että tekoälyllä tullaan jatkossa tuottamaan yhä suurempi osa sitä informaatiovirtaa, josta yhä enemmän ollaan riippuvia. On helppoa havaita, että tekoälystä on tullut termodynaaminen prosessi, ja se taas jatkuvasti kasvattaa entropiaa – eli pienentää informaatiosisältöä. Toinen havainto on, että sosiaalinen media näyttää toimivan samaan tapaan - eli sen sisältöä tuotetaan suuressa määrin siinä jo olevasta sisällöstä. Toisin sanoen, eri alustoilla liikkuva informaatio, joka on tärkeä osa ihmiskunnan kulttuurivarantoa, lisääntyy tulevaisuudessa määrällisesti, mutta sen semanttinen merkitys ja arvo kuihtuvat.

Erä mahdoillinen skenaario on, että tekoäly tuottaa näennäisen informaation vallankumouksen, joka pitkän päälle kuihduttaa merkityksensä ja jopa itsensä. Käytännössä siis kukaan ei enää ottaisi vakavasti tekoälyn tuottamaa aineistoa. Se saattasi olla jopa onnellinen vaihtoehto

Kolmas asia, joka ei ole ihan sama, on, että tekoälyt hyödyntävät myös henkilökohtaista tietoa, muun muassa kulutuskäyttäytymisestä ja tietosisältöjen kulutuksesta. Sosiaalisen median alustat keräävät tällaista tietoa käyttäjistään. Tietenkään eivät tekoälyt itse sitä tietoa tarvitse, vaan ne tahot, jotka haluavat manipuloida vaikkapa ihmisten ostokäyttäytymistä ja poliittista toimintaa. Tämähän on jo nähty, ja lisää on varmasti tulossa.

Ja vielä yksi ajatus, tällä kertaa omani – niin luulisin. Koska olen aikanaan opiskellut säätö- ja systeemiteoriaa, huomasin seuraavan huolen aiheen. Pian yhä suurempi määrä siitä materiaalista, jota infosfäärissä eli internetissä ja mediassa liikkuu, on itse asiassa jo kertaalleen tuotettu tekoälyllä. Säätötekniikassa tällainen ilmiö tunnetaan positiivisena takaisinkytkentänä. Se tarkoittaa käytännössä erilaisia tasapaino-ongelmia. Se voi tarkoittaa että osassa järjestelmää tapahtuu äkillisiä romahduksia, tai voi kehittyä kaoottisia informaation hyökyaaltoja, joiden sisältö ja vaikutus voivat olla arvaamattomia. Infosfääristämme saattaa siis tulla epästabiili.

Alussa pohdittiin, eikö entropian kasvu johda maailmamme termodynaamiseen kuolemaan ja kaiken pysähtymiseen? Näin ei käy, koska Aurinko tuottaa jatkuvasti uutta lämpöä.  Entä eikö vastaavasti informaatio tule kokemaan termodynaamista kuolemaa? Toistaiseksi ihmisten luova toiminta on lisännyt informaatiota kulttuuriimme. Miten käy jatkossa, kuka tietää.

Kybernetiikan isä

”Tietokoneen näkökulmasta katsottuna sielun yksilöllisyys piilisi siis siinä, että se säilyttää tallessa aikaisemmat ohjeensa ja muistimateriaalinsa ja että se jatkuvasti kehittyy kerran asetettuja kiinteitä suuntaviivoja noudattaen.”

Norbert Wiener

Päätin vilkaista uudelleen Norbert Wienerin kirjaa Ihmisestä, koneista, kielestä, koska siihen viitataan toistuvasti, kun puhutaan tekoälystä. Kirja on kirjoitettu vuonna 1950–1952, ja se suomennettiin vasta vuonna 1969 (!). Luin sen aikanaan nuorena opiskelijana heti, kun se oli ilmestynyt. Kybernetiikka oli tuohon aikaan kuuma aihe, ja väittelimme siitä usein tovereideni kesken. Olin itsekin ottanut opiskeluohjelmaani säätötekniikkaa, systeemiteoriaa ja digitaalitekniikkaa. Olin siis ajan hermolla, ja paljon enemmän kuin moni muu. Sillä tuohon aikaan erityisesti yhteiskuntatieteilijät intoilivat kovasti kybernetiikasta. Mutta hyvin harvat ymmärsivät siitä yhtään mitään. 

Tuhon aikaan oli liikkeellä paljon muutakin tekniikan opiskelijaa kiehtovaa. Puolijohdetekniikan myötä elektroniikan suuri läpimurto oli alkanut. Olimme myös ensimmäisiä tekniikan opiskelijoiden ikäluokkia, joille oli pakollista opetella ohjelmointia. Ja ilman muuta suoritin kaikki muutkin ohjelmointikurssit, joita suinkin oli saatavilla. Algol, Basic, Fortran, APL, Simula, ja mitä kaikkia niitä nyt olikaan. Tietenkin keskustelimme myös informaatioteoriasta, entropiasta, suhteellisuusteoriasta ja kvanttimekaniikasta. Ilma oli suorastaan sakeana uusia ajatuksia. Oli siinä ihmettelemistä opiskelijoilla, jotka oli juuri päästetty suureen maailmaan humanistis-kalevalaisista 1930-luvun henkeä huokuvista suomalaisista lukioista.

Kun nyt aloin lukea uudelleen Wienerin kirjaa huomasin, että en muistanut itse kirjasta juuri mitään. Sen sijaan kirja toi heti mieleeni sen saman sakean uusien ideoiden virran, johon aikanaan itse sukelsin. Ajattelin, että kirja olisi jollain lailla vanhentunutta tietoa. Mutta ei se ollut sitä millään perinteisellä tavalla. Sen sijaan se tuntui hyvin tutulta, sillä se esitteli tiiviissä muodossa tieteen ja teknologian yhteiskunnallisia näkökohtia siinä muodossa joka on edelleen ajankohtaista – kirjan ote kun on myös futurologinen. En tuntenut oppivani kirjasta mitään uutta, kovin tuttua tekstiä se on. Ihmettelin kuitenkin sen ajankohtasuutta ja profeetallisuutta. Tietenkään kaikki asiat eivät tuntuneet olevan aivan kohdallaan, nykyaikana käytetään hieman erilaista kieltä ja painotuksia. Mutta noiden ajatusten ajattelemisesta on kulunut uskomattomat liki 70 vuotta, ja ne ovat pääosin edelleen täysin tosia ja niin ajankohtaisia, että niihin palataan toistuvasti 2000-luvun toisen vuosikymmenen lopun tekoälydebatissa.

Pitäisi kai hieman valottaa, mitä Wiener oikeastaan sanoi, sillä kaikki eivät ole kirjaa lukeneet, ja tuskin siihen rupeavatkaan. Aluksi täytyy korostaa, että kirja on runsaudensarvi, se esittelee lähes kaiken, mikä teknologisessa edistyksessä saattaisi olla yhteiskunnallisesti relevanttia. Norbert Wiener (1894 – 1964) oli amerikkalainen matemaatikko. Hän oli monipuolinen lahjakkuus, joka väitteli 18 vuoden ikäisenä tohtoriksi matemaattisesta logiikasta. Hän opiskeli myös biologiaa ja filosofiaa sekä insinööritieteitä. Hän oli kiinnostunut myös kielitieteestä, fysiikasta, politiikasta, taiteesta ja historiasta. 

Hänen kirjansa Cybernetics (1948) oli suunnattu tiukasti asiantuntijoille, mutta hän halusi esitellä laajemmalle yleisölle kybernetiikan ja ylipäätään teknologian laajoja vaikutuksia ja niihin liittyviä eettisiä ja moraalisia kysymyksiä kirjassaan Ihmisestä, koneista, kielestä. Lukijaa hämmästyttää kirjan laaja-alaisuus. Se käsittelee lähes kaikkia inhimillisen elämän alueita. Sitä kuvastavat jo lukujen otsikot, kuten Edistyksestä ja entropiasta, Mukautumattomuudesta ja oppimiskyvystä, Kielen mekanismista ja kehityksestä, Organismista sanomana, Laista ja kommunikaatiosta, Kommunikaatiosta, salaisuusperiaatteesta ja politiikasta, Älymystön ja tiedemiesten tehtävistä, Ensimmäisestä ja toisesta teollisesta vallankumouksesta, Kielestä, harhaantumisesta ja häiriöistä. 

 

Toinen lukijaa hämmästyttävä ja myös ilahduttava asia on kirjan syvällinen ja perinpohjainen filosofisuus. Ja toisin kun useimmat tekniikasta ja tieteestä kirjoittavat filosofit, hän myös todella tunsi perin pohjin ne asiat, mistä kirjoitti. 

Wienerin suuri idea oli kybernetiikka. Se tarkoittaa ohjausta ja säätöä, jonka olennainen piirre on takaisinkytkentä. Se tarkoittaa, että säätöä suorittava mekanismi mittaa säätötoimien vaikutusta, ja korjaa tarvittaessa toimintaansa siten, että säädön kohde toimii tarkoituksenmukaisesti. Yksinkertainen esimerkki on termostaatin ohjaama lämmitin. Termostaatti mittaa huoneen lämpötilaa ja ohjaa lämmittimen tehoa siten, että haluttu lämpötila säilyy. Wienerin suuri oivallus oli, että tällaista säätöä esiintyy kaikissa mutkikkaissa järjestelmissä: koneissa, eläimissä ja ihmisissä. Jopa organisaatiot ja yhteiskunnat voidaan ymmärtää säädön näkökulmasta. Matemaatikkona Wiener pystyi kuvaamaan niitä ehtoja ja lakeja, joiden mukaan tällainen säätö toimii. Mutta hänellä oli myös ensi käden käytännön kokemusta. Sodan aikana hän suunnitteli ilmatorjuntatykkien ohjausjärjestelmiä. Ne pystyivät ennustamaan lentokoneen liikerataa niin, että ammuttu kranaatti osuisi useita sekunteja lukaisun jälkeen kohteeseensa. Kehitetty matemaattinen menetelmä tunnetaan edelleen Wienerin suotimena.

Toinen Wienerin erikoisala oli informaatioteoria. Hän tunsi ja ymmärsi hyvin Shannonin tilastollisen informaatioteorian, joka julkaistiin samaan aikaan kun Cybernetics. Wiener tajusi, että informaatio on keskeisessä roolissa monimutkaisissa järjestelmissä. Wiener oli keskeisiä vaikuttajia myös tekoälyn varhaisessa kehitystyössä. Kybernetiikka voidaan nähdä eräänä tekoälyn lähestymistapana. Tuon ajan kyberneettiset laitteet olivat niin sanottuja analogiasäätimiä. Mutta Wiener ymmärsi myös algoritmisen eli digitaalisen säädön mahdollisuudet, ja puhui sujuvasti ja täysin nykyaikaisesti myös tietokoneista (computers). Tämä on hämmästyttävää, sillä tietokonetta ei oikeastaan oltu vielä edes keksitty. Ensimmäinen nykyaikaisen tietokoneen kaltainen laite EDVAC valmistui vuonna 1951. Mutta ehkä se ei ollutkaan kovin outoa. Tutkijapiirit olivat aika pieniä, Wiener luonnollisesti tunsi henkilökohtaisesti alan pioneerit kuten John von Neumannin, Claude Shannonin ja Vannevar Bushin, ja tiesi hyvin, mitä oli tekeillä.

Myös tietokoneiden kohdalla Wiener osoittautuu näkemykselliseksi. Hän arveli, että kyberneettisten sovellusten lisääntyessä tietokoneet pienenevät ja halpenevat, jopa niin että sellaisen hinta olisi vain noin tuhat dollaria. Tuohon aikaan ei puolijohteista vielä tiedetty mitään. Wiener ajatteli tietokoneen rakenneosiksi elektroniputkia, joita tuohon aikaan miniatyrisoitiin.  

Tiedämme, että tekoälytutkimus lähti etenemään rinnan digitaalisten tietokoneiden kanssa. Kybernetiikka jäi vähitellen pois julkisuudesta. Mutta se jäi vaikuttamaan ja kehittymään teollisuusautomatiikassa, robotiikassa, ilmailussa, sekä sotilas- ja avaruustekniikassa – ja ylipäätään yhteiskuntamme näkymättömissä infrastruktuureissa. Tosiasiassa koko teollinen ja tekninen maailmamme on olemukseltaan kyberneettinen, siitä vain ei puhuta kybernetiikan sanastolla.  

Teknologian tutkijana Wiener esittää idean, jonka lapsellisuuttani luulin keksineeni itse. Hänen mielestään teknologiaa tulisi tutkia taksonomisesti, samalla tavalla kuin kasveja ja eläimiä. Eli tulisi selvittää kehityspolkuja ja perimää samalla tavalla kuin selvitetään eliöiden sukupuita. Joten tässä tarjoan taas, ja nyt Wienerin tukemana tätä ideaa hyödynnettäväksi.

Viime aikoina Wienerin kirja on noussut uudelleen puheenaiheeksi. Moderni biologia (Wienerin aikana ei DNA:sta tiedetty, mutta jotenkin hän lähes ennakoi sen), etologia (eläinten käyttäytymisen tutkimus) ja neuropsykologia ovat tuoneet esiin eliöiden, ihminen mukaan lukien, perusluonnetta autonomisesti toimivina säätökoneistoina.

Olemme enemmän koneita kuin luulemme olevamme. Ja samalla meillä on liiankin inhimillistettyjä tulkintoja varsinaisista koneista. Wiener halusi tutkia koneiden käyttäytymistä laboratorio-oloissa. Hän rakensi kaksi pientä autonomiseti pyörillä liikkuvaa ja itseohjautuvaa laitetta, jotka oli varustettu valokennonäöllä. Toinen oli valoon hakeutuva, jota hän nimitti ”yöperhoksi”. Toinen taas oli valoa kartteleva, ja siis nimeltään ”lude”. Lähes sattumalta toinen kyberneetikko, William Grey Walter oli rakentanut kaksi samankaltaista laitetta, joita hän nimitti ”kyberneettisiksi kilpikonniksi”. Niiden nimet olivat ”Elmer” ja ”Elsie”. Kun nämä yksinkertaiset laitteet päästettiin liikkumaan vapaasti, niiden käyttäytymisessä alettiin nähdä jopa sosiaalisia piirteitä. Tietenkään ne eivät olleet vähimmässäkään määrin sosiaalisia. Mutta ilmeisesti meillä ihmisillä on voimakas taipumus tulkita myös koneiden käyttäytymistä omien sosiaalisten normiemme mukaan.

5G ja laskennan lajit

To hell with more. I want better!

Ray Bradbury

5G- hypetys on ihmetyttänyt monia, ja niin itseänikin. Eihän se niin ihmeelliseltä tunnu. Kysymyksessähän on vain olemassa olevan teknologian jokseenkin loogisesti etenevä kehitys. Epäkypsälle teknologialle on ominaista, että sen suorituskyky kasvaa ennustettavasti ja jopa suoraviivaisesti. Tunnemmehan toki tietokoneiden suorituskyvyn kasvua kuvaavan Moore'n lain, ainakin nimeltä. Aivan vastaavasti tietoverkkojen suorituskyky kasvaa jatkuvasti, kun sitä mitataan tiedonsiirron tehokkuudella.

Tekniikkaa tuntevat aavistavat, mistä tuo suorituskyvyn kasvu nousee. Siirtymällä suuremmille taajuuksille radioteille voi mahduttaa aina vain enemmän informaation välityskapasiteettia. Karkeasti ottaen ilmiön takana on vuonna 1949 esitelty Shannonin teoreema, jota voidaan sanoa jopa luonnonlaiksi. Mutta ei mennä nyt sille osastolle. 

Tällä kapasiteetin kasvulla on varjopuolensa. Suurilla taajuuksilla lähetysten kantomatka lyhenee, tarvitaan tiheään sijoitettuja tukiasemia. Toisaalta radioaaltojen aiempaa suurempi vaimeneminen mahdollistaa taajuuksien tehokkaan uudelleenkäytön. Tämä kasvattaa osaltaan myös kapasiteettia. Mutta kannattaako tämä juttu todella? Tiheän tukiasemaverkon rakentaminen maksaa paljon. Onko meillä todella niin paljon siirrettävää dataa?

Katsotaanpa asiaa historiallisesta perspektiivistä. Kapasiteetin kasvu voi merkitä myös laadullista harppausta, mutta sitä on vaikeaa nähdä ennakolta. Kun tietokoneet keksittiin, niiden hyödyllisyyttä arvioitiin sen ajan laskemisen tarpeiden pohjalta. IBM-yhtiön toimitusjohtaja arveli, että maailmassa tarvitaan ehkä viisi tietokonetta. Vuoden 1954 Suomessa erittäin arvovaltaisista asiantuntijoista muodostettu valtion matematiikkakonekomitea antoi yhtä profeetallisen lausunnon. Suomessa ei ole niin paljoa laskettavaa, että tänne kannattaisi hankia tietokone - mutta koulutusta varten voitaisiin ehkä rakentaa yksi kone.

Samanainen pohdinta jatkui parin vuosikymmenen kuluttua, kun mikrotietokoneet tulivat markkinoille. Mitä niihin voisi tallentaa? Ehdotettiin kakkureseptejä. Mutta tarve oli aivan toisaalla. Tietokoneella alettiinkin käsitellä tekstiä, kuvia ja videoita. Pian tietokoneille oli jo paljon käyttöä. Ja kun tietokoneet ja tiedonsiirto kohtasivat, syntyi ensin internet ja sitten sosiaalinen media. Todellisuus ylitti moninkertaisesti futurologien spekulaatiot.

Silti 5G verkkojen ympärillä käytävä keskustelu tuntuu kiusalliselta. Taas kerran arvioimme uuden teknologian perspektiivejä nykyisen verkkojen käytön näkökulmasta. Tuoko uusi teknologia vain lisää kissavideoita ja tubettajia? Onko enää näköpiirissä laadullista harppausta?

Uskon, että sellainen harppaus tulee, mutta ehkäpä se tulee niin sanotusti puun takaa. Sieltähän se aina tulee. Joten nyt yritän kertoa, mitä sillä saralla on tulossa. Tällainen spekulointi on tietenkin uhkarohkeaa ja jopa turhaa, sillä "aika näyttää". Mutta tulevaisuuden pohdinta on niin kovin kiehtovaa. Se on myös ihmiskunnan kollektiivisen luovuuden toimintatapa ja voimanlähde. Nykyhetkeen sijoittuu se maailmaa eteenpäin vievä prosessi joka sovittaa yhteen menneisyydessä hankittua kokemusta ja tulevaisuuteen tähtäävää mielikuvittelua. 

Bioniikka on tiede, joka pyrkii ennakoimaan ja kehittämään teknologiaa luonnosta löytyvien mallien avulla. On tunnettua, että teknologia jäljittelee varasin usein luontoa. Joskus se tekee sitä tietoisesti, mutta on ehkä vielä tavallisempaa, että huomaamme tämän vasta jälkikäteen. Bioniikka ei kuitenkaan ollut tietokoneiden kehitystä vauhdittamassa. Niiden ideana oli aritmetiikan mekanisointi. Biologisten hermostojen tietojenkäsittely tunnettiin vain hyvin ylimalkaisesti. Parhaassa tapauksessa tietokoneiden ja elävien olentojen välillä nähtiin niiden tarkoituksen yleisluontoinen samankaltaisuus.

Kävi jopa päinvastoin. Tietokoneiden toimintaperiaatteesta tehtiin päätelmiä ihmisen ajattelun luonteesta, ja se meni oikeastaan täysin väärin. Hermostojen tutkimus ja tietokoneiden kehitys etenivät rinnakkain, kumpikin omilla raiteillaan. On ehkä väärin sanoa, etteivät ne vaikuttaneet toisiinsa. Mutta kun itse seurasin tätä kehitystä vuosikymmenien ajan hyvin läheltä, voisin sanoa, että tietokonetekniikan biologiasta saamia ideoita (massiivinen rinnakkaislaskenta ja assosiatiiviset muistit) ei missään vaiheessa otettu laajaan käyttöön. Siitä huolimatta, että ne sinänsä olivat kiehtovia. Hermostojen ja aivojen tutkimus puolestaan hyötyi vielä vähemmän teknisten laskentarakenteiden kehityksestä (tosin ietokoneista tuli merkittäviä tutkimuslaitteita aivojen kuvantamisen kehittyessä).

Unohdetaan nyt teknisen toiminnan yksityiskohdat ja palataan aivan juurille. Onko eliöiden hermostolla ja tietokoneilla jotain yhteistä? Vastaus on tunnettu ja myönteinen. Molemmat ovat informaatiota käsitteleviä laitteita. Voisimme hetkeksi unohtaa tietokoneet ja keksittyä eliöihin. Jo varsin yksinkertaisten eliöiden hermostot ovat hyvin suorituskykyisiä. Vaikka niiden perusosat eli hermosolut toimivat hyvin hitaasti ja tiedon siirtonopeus on vatimaton, hermostojen suoritukset ovat hämmästyttäviä. Bioniikan pohjalta voisi nyt kysyä: miten ne sen tekevät?

Ymmärtääksemme asian meidän on pohdittava laskentaparadigmojen eroa. Ihmisen rakentama tietokone ja biologinen hermosto perustuvat nimittäin täysin erilaisiin laskennan periaatteisiin. Niitä ei voi verrata toisiinsa laskentatehtävien suoritusaikoja vertaamalla - koska ne eivät suorita vertailukelpoisia tehtäviä. Laskentaparadigmat ovat vertailtavissa vain hyvin yleisellä tasolla: informaation käsittelynä. Olen kirjoittanut yleistajuisen johdannon aiheesta Tieteessä tapahtuu-lehteen.

Koetan nyt luonnehtia näitä laskentaparadigmoja laadullisella ja yleistajuisella tasolla. Aloitetaan meille tutummasta elektronisesta tietokoneesta. Tietokoneet kehitettiin alun perin aritmeettisia laskelmia varten, mekaanisten laskukoneiden sähköisiksi vastineiksi. Laskutoimitukset voidaan jakaa peräkkäisiin vaiheisiin ja niiden suoritusta voidaan ohjata muodollisen logiikan avulla. Syntyi ohjelmoinnin käsite ja välineet. Se on tietokoneen olemuksen syvinä ydintä.

Tietokoneen silmiinpistävin piirre on sen universaalisuus. Sillä voidaan suorittaa vaativaa aritmetiikkaa, mutta se pystyy myös vertaamaan ja käsittelemään symboleja. Koneella ei siten ole oikeastaan mitään erityisalaa. Yleiskäyttöisten ohjelmointikielten ja tietokoneen suorittamien tehtävien välillä ei ole mitään ilmeistä kytkentää. Tuo kytkentä syntyy ohjelmoijan luovan panoksen kautta. Tietokone on ihmisen luovan ajattelun jatke. Se on suuri etu, mutta samalla sen suorituskyvyn ja luotettavuuden vakava rajoitus.

Biologisten hermostojen toiminnan luonne on täysin toisenlainen. Hermoston laskentakyky aiheutuu hermosolujoukoista, jossa solujen väliset kytkennät määrittelevät solujoukkojen tiedonkäsittelytehtävät. Hermostossa sijaitsee suuri määrä rinnakkain toimivia tietoa käsitteleviä solujoukkoja. Kullakin joukolla on omat tehtävänsä, mutta samalla ne kommunikoivat keskenään ja vaikuttava toisiinsa. Nuo laskentaa suorittavat osat kehkeytyvät hermostoon geneettisen määräytyneinä, mutta niiden syntyyn ja kehitykseen vaikuttaa myös yksilökehityksen vaiheet ja toimintaympäristö. Tutkijat puhuvat neuroplastisuudesta eli hermoston taipumuksesta mukautua ja muuttua jonkinlaisena kiinnostavana ominaisuutena. Tosiasiassa se on paljon enemmän. Neuroplastisuus on mekanismi, joka ohjelmoi hermostot ja aivot hieman samaan tapaan kuin ohjelmoija ohjelmoi tietokoneen. Vain paljon paremmin.

Vielä eräs kiinnostava näkökulma. Mitä nuo hermoston lukuisat rinnakkain toimivat neuronikoneet tekevät? Ne ovat simulaattoreita. Ne jäljittelevät eliön itsensä toimintaa, ja samalla ne jäljittelevät ympäristöä ja sen kohteita. Jäljittelyn tarkoitus on ohjata neuronikoneiden isäntänä toimivan eliön toimintaa. Eliön hermosto ylläpitää eliön toimintaa kuvaavaa aktiivista ja ajantasaista mallia, ja samalla se ylläpitää myös toimivaa mallia eliön ympärillä olevista asioista.

Mitä tällä asialla on tekemistä 5G- verkkojen kanssa? Tämä on kirjoitukseni spekulatiivisin osa. Näen, että 5G ympäristö voisi toimia laskenta-alustana, joka olisi analoginen elollisen luonnon hermoverkkojen kanssa. Se voisi sisältää laskentakykyä ja samalla siinä olisi mukana paljon ympäristöä kuvaavaa tietoa. Näin teknologinen laskenta-alusta saattaisi saada samoja piirteitä, joita on biologisissa hermostoissa.

Tämä on tietenkin vain hämärä oivallus, ja kehitys voi luonnollisesti kulkea aivan muita polkuja. Voisiko se merkitä niin sanottua singulariteettia. Entä mitä merkitsee ylipäätään esittämäni laadullinen kuva biologisesta tiedonkäsittelystä. Onko neuroplastisuus vain tekninen ominaisuus, vai sisältyykö siihen tavoitteellisuuden ja vapaan tahdon nimellä kulkevia asioita, joita ei haluta selittää teknisesti vaan jotenkin muuten. Filosofit pohtikoon näitä asioita, se on heidän tehtävänsä. Filosofit ovat yleensä väärässä, mutta he osaavat esittää hyviä kysymyksiä.

Itselläni on pahaenteinen aavistus. Niin sanotut suuret filosofiset kysymykset yleensä katoavat, kun niitä riittävästi valaistaan tiedon valolla.

Ikiliikkuja ja demoni pannuhuoneessa

Lukemattomissa populaaritieteellisissä artikkeleissa viitataan termodynamiikan toiseen pääsääntöön. Yleensä se esitetään siten, että lämpöä tai energiaa ei voi siirtyä matalasta lämpötilasta korkeampaan. Jos voisi, tuloksena olisi niin sanottu toisen lajin ikiliikkuja. Ja sehän ei sovi. Kosminen poliisi kun on kieltänyt kaikenlaiset ikiliikkujat. Yleensä myös korostetaan toisen pääsäännön mahtavuutta. Sen sanotaan olevan yksi niistä fysiikan laeista, jotka jokainen universumin teknistynyt sivilisaatio tuntee.

No, tämä kaikki on aivan totta. Mutta jokin tässä minua kiusaa. Nimittäin se, että termodynamiikan toinen pääsääntö esitetään usein kovin epätyydyttävästi ja sekavasti. Ehkä se on kirjoittajalle itsestään selvä, mutta lukija voi jäädä hämmennyksen tilaan. Nimittäin, istun nyt olohuoneessani. Ottamalla kymmenkunta askelta pääsen entiseen pannuhuoneeseen, joissa hyrrää maalämpöpumppu. Muutamalla napin painalluksella näen pumpun ohjauspaneelilta, että juuri nyt maan alta virtaa pumppuun noin 0,1 asteen lämpötilassa olevaa kylmänestettä, ja että pumpusta virtaa pattereihin +44 - asteista vettä. Toki pumppu kuluttaa sähköä, mutta vain murto-osan pattereihin menevän veden energiamäärästä. Enhän sitä muuten olisi ostanut. Minulla on siis toisen asteen ikiliikkuja pannuhuoneessa. Odotan vain, koska kosminen poliisi koputtaa ovelleni.

Termodynamiikan toista pääsääntöä ei tietääkseni ole pantu viralta. Minulla ei ole pannuhuoneessani myöskään Maxwellin demonia, joka voisi kätevästi ratkaista taloni lämmityksen ongelman. Maxwellin demoni on kuvitteellinen kaveri, joka säätää kylmä- ja kuumavesipiirin välistä venttiiliä. Kun venttiiliä lähestyy kylmältä puolelta keskimääräistä kuumempi – eli nopeampi vesimolekyyli, demoni avaa hetkeksi venttiilin ja päästää molekyylin patteriveteen. Kylmät molekyylit se torjuu tai laskee päinvastaiseen suuntaan. Totean nyt vain lyhyesti, että en käytä demonia, ja sitä paitsi kvanttifysiikka jopa kieltää Maxwellin demonin käytön. Koska se on hiukan hankalampi juttu, en sano siitä sen enempää.

Joten ehkä pitää katsoa tarkemmin toisen pääsäännön määritelmää. Oikeasti se pätee vain suljetussa järjestelmässä. Tämä tärkeä lisäys puuttuu liian usein populaaritieteellisistä artikkeleista. Suljetussa järjestelmässä lämpö todella siirtyy vain korkeammasta lämpötilasta matalampaan, ja lopulta kaikki lämpötilaerot tasoittavat. Mutta taloni ei olekaan suljettu järjestelmä, koska se on putkien kautta yhteydessä syvälle kallioperään. Aivan oikein, pumppu näyttää että maaperään palaava neste on 2,5 astetta pakkasen puolella. Luon talooni lämpöä jäähdyttämällä maaperää. En pode tästä suurtakaan syyllisyyttä. Taloni lämmöntarpeen kannalta geoterminen energiavarasto on ehtymätön.

Toinen suosittu tiedelehtien väite on, että laiva ei voi käyttää hyväkseen valtameren lämpövarastoja. Mutta kyllä se voisi, jos insinöörit niin säätäisivät. Trooppisella merellä laiva imisi sisäänsä 20- asteista merivettä, ja jättäisi jälkeensä kylmän veden vanan. Pienen dieselkoneen tai tuulisähkögeneraattorin käyttämä lämpöpumppu kuumentaisi pääkoneina toimivien kuumakaasumoottoreiden työkaasun. Laivakin on avoin järjestelmä, eikä sen tarvitse piitata toisesta pääsäännöstä. Miksi näin ei tehdä? En ole tehnyt laskelmia, mutta se ei ehkä vielä kannata. Polttoaine on halpaa, ja purjehtiminen on aina varteenotettava vaihtoehto.

Toisen pääsäännön hankalimmat populaaritulkinnat liittyvät informaatioteoriaan. Lämpötilaero voidaan tulkita järjestykseksi, ja sen puutetta sanotaan epäjärjestykseksi eli entropiaksi. Toinen pääsääntö voidaan lausua myös: suljetussa järjestelmässä entropia kasvaa. Informaatio on tahallaan luotua järjestystä, joten ihmisen toiminnan pitäisi vähentää kokonaisinformaation määrää. Mutta intuitio sanoo, että ihminen nimenomaan tuottaa informaatiota, eli ihmisten infosfääri rikkoo toista pääsääntöä. Myös elämä maapallolla on materian järjestyksen kasvua, eli pääsäännön vastaista. Taas kerran selitys on sama: Maa ei ole suljettu systeemi.

Talouselämän kannalta maapallo on suljettu. Teollistuneet maat ovat tosin hakeneet kasvunsa kehittymättömien maiden resursseista, ne ovat olleet Maan sisällä avoimia systeemejä. Mutta globalisaatio muuttaa koko maailmantalouden suljetuksi systeemiksi, jolloin maiden välisten erojen on pakko alkaa pienentyä.

Fysiikan soveltaminen niin monitulkintaisiin asioihin kuin informaatio tai talous on tietysti hyvin altista tulkintaeroille. Tulkinnan kannalta systeeminäkökulma on tärkeä, systeemirajan asettaminen erottaa toisistaan suljetun ja avoimen systeemin, eikä se ole aina itsestään selvää. Uskon, että systeemiteoria on tulevaisuuden mahtitiede.