Následující série článků je zpracována podle odborného časopisu New Scientist.

Velkou záhadu původu vysokoenergetického kosmického záření se snad podařilo vyřešit britským vědcům. Vědci se domnívají, že by mohlo jít o neutrina, na něž působí nová interakce, pokud částice mají vysokou energii.

Paprsky kosmického záření s vysokou energií jsou registrovány jen velmi zřídka. Dosud bylo registrováno pouze osm případů, kdy do svrchních vrstev atmosféry proniklo záření s energií kolem 10^20 elektronvoltů. Vědci se původně domnívali, že jde o protony s vysokou energií. Ale maximální vzdálenost, kterou mohou protony urazit vesmírem, je jen 150 miliónů světelných let. Během svého letu protony ztrácejí svojí energii srážkami s fotony, které mají svůj původ ve velkém třesku. Aktivní jádra galaxií a quasary, jako možné zdroje kosmického záření s vysokou energií, leží ve vzdálenostech mnohem větších, než je 150 miliónů světelných let.

Fyzikové se domnívají, že řešení této záhady nalezly. Paprsky kosmického záření s vysokou energií neobsahují protony, ale neutrony. Na první pohled se zdá, že je to nemožné. Neutrina jsou slabě interagující částice volně procházející hmotou. Kosmické záření ve svrchních vrstvách atmosféry se sráží s jádry atomů za vzniku sekundárních částic, které vědci registrují.

Chan Hong-Mo a Rutherford Appleton z laboratoře nedaleko od Oxfordu a jejich kolegové tvrdí, že neutrina mohou interagovat silně při velmi vysokých energiích. Chan Hong-Mo se domnívá, že tato nová silná interakce hraje roli při výměně hypotetických částic označovaných jako "duální gluony". Běžné gluony udržují pohromadě kvarky v nukleonech. Někteří fyzikové se domnívají, že nová interakce by mohla zajistit splnění vyšší symetrie. Stavební částice hmoty, kvarky a leptony se vyskytují ve třech generacích.

Podle kvantové charakteristiky nazvané "vůně" je šest kvarků u ("up"), d ("down"), s ("strange"), c ("charmed"), b ("bottom"), t ("top"). Těchto šest kvarků tvoří tři generace.

Každá "vůně" se přitom vyskytuje ve třech "barvách", což je další kvantová charakteristika, a to červené, zelené a modré.

Pravidlo pro sestavení hadronů říká, že baryon je složen ze tří kvarků, z nichž každý musí mít jinou barvu. Mezon se pak skládá z páru kvark a antikvark téže barvy (kvark má barvu, antikvark má antibarvu, proto se celkově mezon jeví jako bezbarvý).

Elektrický náboj kvarků představuje buď třetinu nebo dvě třetiny jednotkového náboje. Kvarky "u", "c" a "t" mají náboj +2/3, kvarky "d", "s" a "b" mají náboj -1/3. Antikvarky "u'", "c'" a "t'" mají náboj -2/3 a antikvarky "d'", "s'" a "b'" mají náboj -1/3.

Jak již bylo řečeno, mezony vznikají složením páru kvark a antikvark. Barva a antibarva se v čase spojitě mění vždy tak, aby byl mezon bezbarvý. Mezon pí plus je například složen následujícím způsobem:

Baryony jsou složeny ze tří kvarků tak, aby byly opět bezbarvé (tedy vždy kombinace všech tří barev).

Duální gluony by umožňovaly přechod mezi generacemi kvarků, např. změnu kvarku c ("charmed") v kvark u ("up"). Dosud nikdo nevypočetl energii, při níž se nová interakce stává podstatnou. Chan se domnívá, že pokud tato interakce skutečně existuje, pak působí teprve při energiích vyšších než 10^20 eV.

Pokud je myšlenka nové interakce správná, pak osm dosud registrovaných případů kosmického záření s vysokou energií by bylo možno vysvětlit pomocí neutrin, která se mohou pohybovat prostorem na velmi velké vzdálenosti od vzdálených aktivních galaxií. Navíc by bylo možno vysvětlit, proč detekované záření přichází zhruba ze stejného směru. Protony se pohybují ve směru magnetických polí, ale neutrina se pohybují přímo od zdroje.

Chan Hong Mo tvrdí, že pozorováním vývoje částic v atmosféře z dopadajícího kosmického záření lze určit, zda kosmické záření obsahuje neutrina. Jeho kolegové vypočetli, že neutrina reagují s jádry atomů zhruba o polovinu méně ochotněji než protony. Proto vznikající částice by měly být pozorovány blíže k povrchu Země.

Alan Watson z univerzity v Leeds uvedl, že tato myšlenka je přijatelná a že existuje reálná šance tuto hypotézu ověřit. Alan Watson je vedoucím plánovaného projektu Pierre Auger Project, jehož cílem je v 21. století sestavit pole detektorů částic, které dopadají na Zemi ze svrchních vrstev atmosféry.

Literatura a odkazy:

[1] Chown, Marcus: The force is with them. Are the most energic cosmic rays neutrinos in disguise? New Scientist, 3 January 1998, p. 17.

[2] Fišer, Jan: Průhledy do mikrokosmu. Mladá fronta, edice Kolumbus. Praha, 1986.

Adrian Thompson [M1] testuje na první pohled jednoduché zařízení. Když do mikrofonu řekne "GO", na obrazovce osciloskopu se objeví signál, když do mikrofonu řekne "STOP", čára zmizí.

Mezi mikrofonem a osciloskopem je elektronický obvod, který rozlišuje mezi těmito dvěma slovy a podle toho posílá na výstup elektrické napětí. Takový obvod je pro mikroprocesor v podstatě jednoduchou záležitostí. Stejnou úlohu může také zvládnout obvod s poměrně málo součástkami. Adrian Thompson ale používá zvláštního postupu. Elektronický obvod vzniká z "zárodečné směsi" křemíkových součástek na základě evolučních principů náhodné variace a úspěchu přežití.

Thompsonova práce je zcela ojedinělá. Pokouší se pomocí evoluce vytvořit obvody, které by pracovaly s pouhou desetinou počtu součástek, než by použili lidé. Jeho experimenty, které provádí již řadu let, vyvolávají již mezi odborníky pozornost. Výrobci mikročipů, robotů a satelitů se začínají zajímat o jeho práci, protože jeho technologie může v budoucnu vést k mnohem menším a výkonnějším systémům, než se doposud klasickými metodami daří vyvinout. Thompsonovy experimenty již inspirovaly několik dalších výzkumných projektů a vyvolávají závažné otázky, zda technologie se může vyvíjet samostatně až za hranice lidského chápání.

Počítačoví vědci již dlouhou dobu hledají inspiraci v moderní biologii. Na základě zjednodušených modelů mozku vyvinuly neuronové sítě, které jsou schopny rozeznávat různé obrazce, jako jsou podpisy na kreditních kartách a otisky prstů. Byly také vyvinuty heuristické programy, které sami sebe modifikují, aby co nejlépe plnily požadovanou úlohu. "Genetické algoritmy" byly použity pro vývoj softwaru, který je schopen vyhledávat velmi výhodné akcie na kapitálovém trhu.

Adrian Thompson spolupracuje s Philem Husbandsem ve středisku počítačové neurovědy a robotiky the Centre for Computational Neuroscience and Robotics na univerzitě v Sussexu. Ve své práci využívá metody hardwarových a softwarových inženýrů. Chování živých neuronů nelze oddělit od jejich biochemie. Nezáleží však na tom, z jakého materiálu jsou sestaveny obvody neuronové sítě, protože tato síť pracuje digitálně.

Číslicové počítače používají pro kódování dat logickou nulu a jednotku, které jsou v elektronických obvodech reprezentovány úrovněmi elektrického napětí. Tranzistory v těchto obvodech pracují jako logické přepínače. Ale tranzistory ve své podstatě nejsou digitální. Malá změna proudu na bázi tranzistoru může vést k velké změně proudu na kolektoru tranzistoru. Tranzistor se tak chová jako zesilovač. Počítačové technologie ale tyto vlastnosti využívají jen velmi málo.

Podobně programátoři využívají digitální podstatu počítačů. Jejich programy jsou posloupnostmi logických instrukcí, které obvody počítače převádějí do skupin logických nul a jednotek. Evoluci, kterou jsou řízeny genetické algoritmy, lze modelovat pouze ve virtuálním prostředí programovacích jazyků.

Thompson si položil otázku, co se stane, když evoluce bude působit přímo na hardware. Mohly by evoluční principy uspořádat elektronické součástky stejným způsobem, jako biochemické struktury v živých organismech? Co se bude dít, když necháme evoluční procesy překonat omezení, které ve svém myšlení mají lidé? Odpověď na tuto otázku lze nalézt jen tehdy, pokud se podaří zkombinovat "jemné" procesy biologické evoluce s "hrubým" světem křemíkových čipů. Thompson nalezl řešení v tzv. polem programovatelných hradlových polích FPGA (field-programmable gate array), v křemíkových čipech velmi vysoké integrace VLSI.

V běžném mikroprocesoru jsou tranzistory na čipu propojeny do pevných logických hradel, která zpracovávají data. V polích FPGA se propojení logických hradel může měnit. Tranzistory jsou zde uspořádany do polí "logických buněk" a zavedením zvláštního programu do konfigurační paměti čipu lze nastavit každou buňku do funkce některého logického hradla a buňky vzájemně propojit. Tímto způsobem se funkce pole FPGA může změnit např.ze zesilovače na telefonní modem. [2]

Thompson využil standardní genetický algoritmus pro vývoj konfiguračního programu pro pole FPGA, který by překonal zapojení vytvořené člověkem. Použil pouze 100 logických buněk a pomocí evolučních mechanismů vyvinul obvod, který byl schopen rozlišovat mezi dvěma tóny o kmitočtech 1 kHz a 10 kHz.

Při experimentu Thompson vytvořil na počítači populaci 50 konfiguračních programů z náhodné posloupnosti nul a jednotek. Počítač každý konfigurační program zavedl do pole FPGA, vytvořil obvod a testoval pomocí určitých charakteristik, jak tento obvod rozlišuje dva tóny, a každý obvod ohodnotil. Genetický algoritmus pak odstranil nevyhovující obvody. Pak počítač zkombinoval různé vyhovující obvody vzájemnou záměnou částí jejich konfiguračních programů a konečně vložil do několika programů nepatrné náhodné chyby jako náhodné mutace. Tím se celý cyklus uzavřel a mohla začít další generace (viz obr. 1).

obr. 1. Vývoj čipu, který je schopen rozlišovat dva tóny

Počínaje 220. generací nejlepší obvody vytvářejí výstup téměř identický se vstupem, tedy vlnění odpovídající kmitočtům 1 kHz a 10 kHz a nikoliv stabilní napětí 0 nebo 5 voltů. Počínaje 650. generací obvody vytvářejí stabilní napětí 5 voltů pro kmitočet 1 kHz, ale vlnění pro kmitočet 10 kHz. Počínaje 1400. generací obvody vytvářejí většinou napětí 5 voltů pro kmitočet 1 kHz a napětí 0 voltů pro kmitočet 10 kHz. Počínaje 2800. generací nejlepší obvody již přesně rozlišují mezi oběma kmitočty, ale občas se ještě rozkmitají a počínaje 4100. generací všechny obvody pracují bezchybně. Od této generace se již neobjevují žádné změny.

Jakmile jednou obvod FPGA je schopen rozlišovat mezi dvěma tóny, jeho evoluční vývoj může pokračovat, až je schopen např. rozlišovat mezi slovy "GO" a "STOP".

Jakým způsobem vlastně tento evoluční vývoj probíhá? Pokud by stejný problém měl řešit zkušený odborník, považoval by za součást zapojení hodinový obvod. Aby tranzistory vytvářely nebo indikovaly nějaký tón, musí se periodicky překlápět z jednoho stavu do druhého. Odborník navíc musí použít hodiny pro počítání kmitočtu vstupních tónů.

Aby si Thompson ověřil, že vývoj obvodu bude probíhat stejným způsobem, do "zárodečné směsi" úmyslně nezahrnul hodinový obvod. Očekával, že evoluce hodinový obvod vytvoří. Nejjednodušším hodinovým obvodem je astabilní multivibrátor sestavený ze dvou tranzistorů, které se překlápějí do jedné úrovně pokaždé, když na jejich bázi se objeví signál opačné úrovně. V obvodu FPGA je tento oscilátor tvořen buňkami, které mění svoji úroveň na výstupu, kdykoliv se na jejich vstupu objeví signál opačné úrovně. Thompson odhadoval, že oscilátor nemůže vůbec evolučně vzniknout, protože vyžaduje pro svůj vývoj mnohem více než 100 dostupných buněk.

Jak se ale evoluční vývoj výsledného obvodu obešel bez hodin? Thompson při prozkoumání výsledného obvodu zjistil, že vstupní signál prochází řadou zpětnovazebných smyček. Domnívá se, takto vznikají modifikované a časově zpožděné verze původního signálu, které interferují s původním signálem a takto umožňují obvodu rozlišovat mezi dvěma tóny. Ve skutečnosti ale přiznává, že nemá přesnou představu, jak vlastně obvod pracuje.

Jedna věc je ale jistá. Evoluční vývoj obvodů FPGA probíhal analogovým a nikoliv digitálním způsobem. Výsledný obvod tedy nepracuje digitálně, což naznačují zpětnovazebné smyčky. Evoluce není ničím vázána a může použít zcela libovolné chování logických buněk polí FPGA.

Chování výsledného obvodu je ale záhadnější, než si Thompson původně myslel. Ačkoliv konfigurační program specifikoval funkce všem dostupným buňkám, pouze 32 buněk bylo pro činnost obvodu podstatných. Když Thompson ostatní buňky vyřadil, činnost obvodu se nezměnila. Dalších 5 logických buněk nemělo v obvodu žádnou logickou funkci, která by ovlivňovala výstup obvodu. Ale když tyto buňky Thompson odpojil, obvod přestal pracovat.

To naznačuje, že evoluční vývoj využil některé fyzikální vlastnosti buněk, jako je kapacita obvodu nebo elektromagnetická induktance. Tyto buňky představují určitý jemný efekt, který ale nelze digitálně analyzovat.

Aby tuto záhadu Thompson mohl vyřešit, musel být schopen měřit vstupní a výstupní hodnoty každé buňky za provozu obvodu. Ale obvody FPGA neumožňují analogové měření hodnot. Thompsonův kolega Paul Layzell proto sestavil obvod, který takové analogové měření umožňuje.

Thompsonovo zařízení pro rozlišení dvou tónů pracuje v poli FPGA o rozměrech 10 krát 10 logických buněk. Aby činnost zařízení otestoval, Thompson zavedl konfiguraci nejlepšího zařízení z poslední generace do jiného pole. Zjistil však, že toto nové zařízení není spolehlivé. Přitom jiná konfigurace z poslední generace fungovala bez problémů. Thompson se domnívá, že evoluční mechanismy zřejmě tvoří takové obvody, jejichž charakteristiky závisejí na určitých vlastnostech čipu. Proto plánuje vyvinout takový obvod, který by spolehlivě pracoval na pěti různých čipech polí FPGA.

Dalším zajímavým problémem je vytvořit obvod, který by pracoval v širokém rozmezí teplot. Člověkem vytvořené obvody při velkých změnách teplot selhávají. Obvyklé mikroprocesory pracují v rozsahu teplot od -20 stupňů do 80 stupňů Celsia. Konstruktéři zapojení hodin tak, aby měly dostatek času přejít do určitého digitálního stavu. Řada počítačových hackerů ví, že rychlost hodin lze urychlit snížením teploty mikroprocesoru.

Thompsonův obvod pracuje pouze v rozsahu teplot 10 stupňů Celsia, tedy v rozsahu, ve kterém se měnila teplota v laboratoři během experimentu. Zřejmě teplota mění kapacitanci a rezistenci nebo jiné elektrické vlastnosti komponent obvodů. Tato skutečnost je ovšem závažná. Pokud nějaký obvod musí být schopen reagovat na změny teploty, obvykle není levný. Evoluce ale může riskovat. Thompson pro další genetické algoritmy plánuje, že obvody budou hodnoceny nejen podle toho, jak plní svoji funkci, ale také podle toho, jak dobře se vyrovnají s variacemi teploty. Evoluce může vytvořit sadu obvodů, z nichž každý bude pracovat jen v určitém rozsahu teplot. Také plánuje mezi výchozí komponenty zařadit hodinový obvod a zkoumat, jakým způsobem jej evoluční mechanismus využije a zda jej vůbec využije.

Thompsonovy obvody jsou zatím schopny řešit jen jednoduché problémy. Lze je však použít v komplexních zapojeních, kde mohou zastávat řadu užitečných funkcí. Thompson již vyvinul řadiče pro miniaturní roboty firmy Xiling v Edinburghu, která vyrábí obvody FPGA. Navíc o práci Adriana Thompsona projevila zájem americká firma Motorola, která vytvořila novou technologii polí FPGA. Zájem také projevila britská telefonní společnost Telecom, která hledá řešení problémů zpracování signálů.

Thompsonovu myšlenku již použili ve vlastní práci Julian Miller a Peter Thomson z Napierovy univerzity v Edinburghu. Při vývoji vlastních digitálních obvodů použili poněkud vyšší úroveň než Thompson. Za základní komponenty použili různá logická hradla a jejich propojení a nechali na ně působit evoluční proces. Tímto způsobem se jim podařilo vytvořit různé jednoduché aritmetické jednotky, jako je násobič.

Pokud evoluční konstrukce splní, co se od nich očekává, není daleko doba, kdy budeme používat elektronické systémy, jejichž zapojení nikdo nebude rozumět. Thompson se domnívá, že takové obvody budou dlouhou dobu vyvolávat u řady odborníků určité podezření, protože budou nepochopitelné.

Pokud se takové obvody prosadí a začnou se používat např. v různých řídících systémech nebo lékařských zařízeních, můžeme stát před etickým problémem, tvrdí Inman Harvey, šéf střediska the Centre for Comutational Neuroscience and Robotics. Nakolik budou přijatelná zařízení, jejichž kritické komponenty byly zhotoveny uměle a nikdo neví, jak pracují? Kdo ponese vinu, když dojde k jejich selhání?

Pierre Marchal se domnívá, že jde o problém lidí, kteří nikdy neviděli, jak se například dnes testují mikroprocesory. Nikdo není schopen otestovat všechny obvody mikroprocesoru za všech možných podmínek. Proto se chyba v procesoru Pentium firmy Intel objevila až rok po jeho uvedení do prodeje.

Harvey a Marchal se shodují, že bezpečnost budoucích čipů bude nutno zajišťovat dlouhodobým a vyčerpávajícím testováním. Pokud čip pracuje spolehlivě za všech možných podmínek, není již podstatné, jak pracuje uvnitř. Sami dodnes neznáme všechny funkce svého organismu, ale nijak nás to neznepokojuje. Pokud se objeví nějaký problém, bude do evolučního algoritmu přidán nový test, který povede k novým řešením. Evoluční mechanismus sám nalezne nejlepší řešení, stejně jako se organismy přizpůsobují stále se měnícím podmínkám a novým onemocněním.

Marchal věří, že dnes je již reálná možnost, že stroje se budou vyvíjet za hranicemi lidských možností chápání. Pro někoho to může být frustrující. Ale riziko, že se technologie vymknou lidské kontrole je mnohem menší, než že se lidstvo zničí jadernou válkou.

Thomson a Miller z Napierovy univerzity si myslí, že evoluce nám ukáže nové technologické triky a že na řadu věcí se budeme dívat jinak.

Je samozřejmě možné, že Thompsonova práce a práce jeho kolegů nepovede k očekávaným výsledkům. Bez ohledu na to již dnes tímto způsobem vznikají různá užitečná zapojení a především se nám odhalují další tajemství samotného procesu evoluce.

Literatura a odkazy:

[1] Davidson, Clive: Creatures from primordial silicon. Let Darwinism loose in an electronics lab and just watch what it creates. New Scientists, 15 November 1997, p. 30 - 34.

[2] Software, who needs it? New Scientist, 2 November 1996, p. 41.

[X1] Hardware Evolution. Adrian Thompson, COGS, University of Sussex, Brighton, BN1 9QH, United Kingdom. Publikace Adriana Thompsona.

(c) 1998 Intellectronics
poslední úprava: 14. 8. 1998

časopis o přírodě, vědě a civilizaci