Главная причина необратимости времени и организация биологической памяти

1. Главная причина необратимости времении организация биологической памяти Семён Беркович Факультет Вычислительной Техники Университет Джорджа Вашингтона Вашингтон, Д.К., 20052 США 11 мая 2010 года Российский междисциплинарный семинар по изучению ФЕНОМЕНА ВРЕМЕНИ Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова

2. Благодарю за приглашение Ex uno disces omnes По одному можно понять всё Ограниченность частичных объединений “Winner-takes-all” situation Содержание --- Клеточно-автоматная модель Вселенной --- Локальная и глобальная организация --- Голографический механизм и необратимое течение времени --- «Интернет физической Вселенной» --- Епигенетика и память человека Понимание феномена Жизни Управление биологическими процессами --- “Cloud Computing”

3. Концепция облачных вычислений Новый вид физического взаимодействия --- через общую память Облачные вычисления невозможно изучать т.н. «научным методом» Человек – песчинка мироздания илиинтерактивный пользователь? Очень большое число технических деталей

4. Три класса феноменов природы Cosmology Large ? Biology Complex Why?! Elementary particle physics Small Informational Infrastructure

5. High-Techvs. Grand Philosophy Base Station Analogy with sensor networks: slow “material events” and fast “informational reports” Isaac Newton’s “Sensorium of God” Дополнительный информационной слой - технический аспект описания Возможность интерпретации некоторых «сверхъестественных» явлений не затрагивает проблемы человеческого духа и высших сил Природы

6. Ничего сверхъестественного Божественное вмешательство – неуспех конструктивного решения An extra operative layer Lightning Cloud thundering XVIII century Electro-magnetism Vitalism Cloud computing XXI century Informational infrastructure

7. Основные публикации SIMON Y. BERKOVICH MUTUAL SYNCHRONIZATION IN A NETWORK OF DIGITAL CLOCKS AS THE KEY CELLULAR AUTOMATON MECHANISM OF NATURE COMPUTATIONAL MODEL OF FUNDAMENTAL PHYSICS SYNOPSIS, Rockville, 1986 Russian translation Moscow University Press, 1993 http://www.chronos.msu.ru/RREPORTS/berkovich_avtomaty.pdf Оn the “Barcode” Functionality of DNA, or the Phenonmenon of Life in the Physical Universe Dorrance Publishing Co, Inc, Pittsburgh, Pennsylvania, 2003 With the “barcode” interpretation of DNA, zillions of biological objects can be seen as a population of users on the “Internet of the physical Universe.” The author responds to two perplexing questions: “How can an organism be built from an information-deficient genome?” and “Why do more complex organisms have less complex genomes?”The striking difference between dead and living matter lies in the intensity of the involvement of the informational infrastructure of the physical world. The problem of the organization of Life is treated with the methodology of computer engineering design. Constructive Approach to Fundamental Science: Selective Writings by Simon Berkovich and Hanan Al Shargi Presents the idea of a holographic construction of the Universe http://www.universityreaders.com/titles/berkovich/ Published by University Readers, Inc.2009

8. Понять предмет значит построить его модель Lord Kelvin: "I am never content until I have constructed a mechanical model of the subject I am studying. If I succeed in making one, I understand; otherwise I do not." Newton: “I have not been able to discover the cause of those properties of gravity from phenomena, and I frame no hypotheses... …the great ocean of truth lay all undiscovered before me” «Гипотез не измышляю» Механика не представляет собой исходную сущность Природы МОДЕЛЬ ДОЛЖНА БЫТЬ АЛГОРИТМИЧЕСКОЙ: КОНЕЧНОЙ, ДЕТЕРМИНИСТИЧЕСКОЙ, ЕСТЕСТВЕННОЙ

9. Конструктивный подход The method of “postulating” what we want has many advantages; they are the same as the advantages of theft over honest toil Bertrand Russell, Introduction to Mathematical Philosophy Философы до сих пор только интерпретировали мир, задача состоит в том чтобы его сконструировать Вопросы методологии Простейшие формулы, типа F = m · a,кажутся естественными, в то время как изощрённая конструктивность наталкивается на идеологическую неприемлемость акта творения Вопросы синтеза Создание модели, поведение которой должно соответствовать сложной спецификации, не поддаётся никакой формализации, и, в общем случае, кажется невозможным

10. Клеточные автоматы какинфраструктура физического мира Распределённые динамические трансформации Conway’s “Game of Life” (demo) Три определяющих момента: --- Центральное противоречие концепции относительности: абсолютная система отсчёта существует, но ненаблюдаема --- «Воображаемая физика» исключительно богата своими последствиями, включая волновые свойства --- Появление информационного основания материального мира, ведущая роль голографического механизма Вселенной

11. Клеточные автоматы: две проблемы - кажутся непреодолимыми • Pagels’ Concern: • How the grand cellular automaton rule • of the Universe can be found? • Как найти ПРАВИЛО? • Feynman’s Objection: • Local operations in cellular automata cannot • reproduce long-range quantum correlations • Откуда берётся НЕЛОКАЛЬНОСТЬ • при контактных взаимодействиях?

12. Поиски Правила Вселенной:подгонка и перебор A New Kind of Science – Wolfram - starts by detailing the outcomes of the 256 simplest rules. The next step is to look for more complex rules and work out their outcomes. That could take a long time - it took Wolfram nearly two decades to study the 256 possible rules that you can formulate using just three black and white squares arranged in a one-dimensional line. Adding another dimension or even adding another colour vastly increases the number of possible rules. The way the automata evolve is controlled by a rule - or as Fredkin calls it, the Rule, with a capital R. The Rule applies to every single cell in the grid and it stipulates whether the state will change at the next time-step, depending on the states of neighbouring cells. Essentially, the Rule is a look-up table that relates changes in the state of a cell to the states of nearby cells at an earlier time. The table can be converted into a string of bits that is a single whole number, a constant that Fredkin calls R. After years of playing with cellular automata, building one to describe the universe is, Fredkin thinks, a project too great for just one man. But if he can inspire students and colleagues to try out digital physics, it may indeed bring about a totally new kind of science. Открытие Правила требует изобретения, а не перебора Нужна руководящая идея

13. Основной механизм любого явления Согласно древнегреческой философии некий ритм пронизывает всю Вселенную С чего начинается компьютер? Импульсы задающего генератора

14. Изначальность --- Primordiality Леопольд Кроникер: «Бог создал целые числа, всё остальноедело рук человеческих» out-signals in-signals feedback control return Кольцевой счётчик - «кирпичик» мироздания принципиальная схема Построение системы Вселенной --- куб чисел

15. Философское осмысление: Поиски Абсолюта Древне-греческие философы~ 2500 лет тому назад Вода, Воздух, Земля, Огонь, Апейрон Атомисты Левкипп и Демокрит из Абдеры: система чистого материализма – атомы и пустота Из материалистических начал нельзя понять мир как целое Природа вещей предполагает иные причины --- ДУАЛИЗМ Новоевропейская метафизика XXVII век Готфрид Лейбниц«Монадология» Монады — это живые, духообразные единицы, всё состоит из них Имеют восприятия, сопровождающиеся памятью Не существует совершенно неодушевленной природы Доминирующая роль информации в современном обществе Наука и технология

16. Достижение XX века --- Стандартная модель Субстрат материального мира HADRONS(made of quarks or antiquarks) - baryons (three quarks) - mesons (quark & antiquark) LEPTONS (fundamental particles) • (1) К вопросу об элементарности: • Стандартная модель содержит 12 разнородных компонент • (плюс соответствующее количество античастиц) и требует • 19 внешних параметров для настройки • (2) Лихорадочные поиски решаюшего бозона Хиггса (LHC) • Отсутствие Тёмной Материи, якобы составляющей 70% Вселенной • (4) Смысл представленных компонент не ясен

17. Главная загадка науки:разница между живой и мёртвой материейС точки зрения физики: биология – это “Disease of Matter” The way in which minds are attached to bodies is beyond man’s understanding Святой Августин V век Even when all the possible scientific questions have beenanswered, the problems of life remain completely untouched L. Wittgenstein XX век How memories are stored in the brain is not likely to be affected by the discovery of the final theory S. Weinberg ХХI век Один из создателей Стандартной Модели Какой смысл в дороге, если она не ведёт к храму?

18. Кольцевой счётчик как первооснова Природы Предварительные соображения 1. Материя --- “ex nihilio” --- синхро-формации 2. Дискретность и конечность конструкции; непрерывность--- из вероятности 3. Исконная периодичность --- волновые процессы – важнейший аттрибут Вселенной 4. Взаимная синхронизация --- колоссальное множество разнообразных последствий Язык физики - это «проза» взаимной синхронизации

19. Модель CAETERIS:Cellular Automaton EThERInfraStructure Структура трёхмерной решётки Cellular Automaton Rule - explicit decentralized clock activities • Mutual synchronizationwith fault-tolerance – • restriction from below on the speed of phase change • 2. Arbitration protocol to avoid deadlocks • 3. Dimensionless parameters α = 1/137 and ε = 10-40– • artefacts of the design

20. Построение и анализ модели Локальная геометрия ─ 3D решётка Глобальная геометрия ─ 3D поверхность 4D сферы Структура Перельмана Transformational rule ─ distributed fault-tolerant synchronization Equation for the phase of circular counters : Complementary conditions: discretization of phase changes and arbitration protocol Dimensionless parameters (artifacts of the design): α=1/137 and ε ~1040 The origin of non-locality: "slow" spiral waves and "fast" diffusion spread Two global periodic cycles: matter formation and diffusional wave trains

21. Two types of solutions X maximum speed - c v Z Y Traveling waves - “quasi-particles” r (1/137 - 1) • c Stretching constant phase – fast operational background 1040 • c )

22. Спектр элементарных частиц

23. Интерпретация микро-физики --- 1 • “Excitons” - helicoidal traveling waves -exactly correspond to the spectrum of stable elementary particles --- no more, no less • Law of inertia --- traveling waves synchro formations get their uniform motion for “free” from the cellular automaton mechanism • Theupper bound on the speed of material formations --- the speed of lightc --- comes from phase congruence requirements • The same requirements establish standards of length and time. • 4. Anti-matter- dual solutions having an opposite sense of rotation • 5. Matter appears ex nihilo --- mutual transformations of elementary particles are intrinsic to synchro formations

24. Интерпретация микро-физики --- 2 6. Slight asymmetry in favor of matter vs. antimatter arises from the arbitration protocol on our side of the Universe. On the opposite side of the Universe the antimatter prevails How to process the input signals if they arrive simultaneously? --- Built-in arbitration protocol • CP (Charge-Parity) violation and ultimate irreversibility of Time. • It is not possible to reverse cellular automaton events as the output signal depends on the order of input signals processing. • This order is determined by the succession of signals arrival and/or by the arbitration protocol. Those cannot be distinguished.

25. Интерпретация микро-физики --- 3 8. Mass – disturbance measure of synchro activity: angle of attack and non-monotonicity Proton Electron Neutron mp >>me n = p+ + e– + ν weak interactions – kernels split • How could neutron be heavier than proton? • E = mc2 --- breaking synchronization patterns: strong interactions • Quarks do not exist – what is observed are partons appearing from • time varying states of the kernels with increasing exponent – nucleons • Decreasing exponents do not produce this effect --- no internal structure • Spin--- frontal rotational impact from kernels, independent of mass • Electrical Charge--- intermittent issuing of fore synchro discs of the kernel • electrical force --- frontal hit by the discs • magnetic force --- edge hit by the discs • electrostatic force --- instantaneous action-at-the distance

26. «Сумашедший дом» квантовой механики В. Опойцев: Авторитет квантовой механики уже так велик, что «волны вероятности» можно вполне заменить эквивалентной формулировкой «колеблется непонятно что» Колеблются не вероятности, а действительно «непонятно что». Вероятности появляются на стадии измерения, точнее говоря, при необратимых изменениях квантовых объектов, сопровождающих приведение в контакт микро- и макромира. А уравнение Шрёдингера описывает колебание некой фикции, имеющей длину и фазу. Длина в необратимых взаимодействиях выступает в роли вероятности. Но фикция в целом вероятностной интерпретации не поддаётся, потому что вероятностные процессы в классическом понимании обязаны подчиняться определённой аксиоматике. Там же, где «вероятности» имеют фазу и подвержены интерференции, - возникает сумашедший дом, т.е. квантовая механика. Клеточно-автоматная модель Вселенной основанная на взаимной синхронизации кольцевых счётчиков естественным образом включает в себя КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ НЕЧТО Квантовая механика ≡ Интерактивная голография

27. Квантовое разнообразие Single particle approximation Two phase tracking random walks of actual events and hot-spot feedbacks Described by Schrödinger’s equation (Berkovich, 1984) Many particles Holistic behavior of quantum systems Quantum entanglement • Coordinated impacts from remote points Structural transformations of biomolecules Complexities of control using access to to holographic associative memory

28. Basic Holographic Control Cycle Reconstruction conjugate beam Produces hot-spot feedbacks The Effect of Nonlocality Recording guides quantum and biological processes Memory of past events by content-addressable access Produce material noise CMB front Returning hot-spots Reference beam of diffusion wave-trains Repetition rate – 1011 Hz Elementary event Необратимость: запас прочности ~1030 циклов Earth Eccentric position leads to anisotropy

29. Анатомия квантовых переходов Reduction of Ψ-function Schrödinger’s equation eigen-values of an operator Intermittent stages of wave – particle duality bosons and fermions Pauli principle (#3) (#2) exchange interactions

30. Рассмотрение космологии Основные современные загадки Смешение фактов с их интерпретацией

31. «Эпициклы» господствующего мировоззрения • Cosmological debris: • Big Bang preceding inflation --- exponential expansion in 10-34 sec • Age crisis --- Universe appears younger than older stars • “Dark energy” --- vacuum energy, factor of 10120 discrepancy • “Dark matter” --- departure from Newton’s Law • “Great attractor” --- something mysterious is pulling the • galaxies, peculiar motions - deviation from uniform expansion • Blueshifted galaxies --- a small spot, peculiar motion • Faraway cosmos --- early galaxies, gamma ray bursts, quasars • Galaxy distribution --- non-uniformity and voids • Anisotropy of CMB --- “Axis of Evil” --- «НЕ МОЖЕТ БЫТЬ» Каждое новое открытие в астрофизике вызывает недоумение и вводит новые ad hoc поправки Починке не подлежит --- требуется замена

32. Новая парадигма Два периодичных глобальных процесса Два безразмерных физических параметра:α = 1/137 and ε = 10-40 recording Cycles of matter formation Cycles of diffusion wave trains Redshifts anomalies in periodic Big Bangs Multiplexed synchronization – vs. accelerating galaxies --- “dark energy” desynchronization stages Восприятие различных временных и пространственных масштабов Представление о необъятности Космоса зависит от рассматриваемой скорости --- «размер» Земли, раньше и теперь)

33. Блеск (5%) итемнота (95%) вкосмологии REPORT OF THEDARK ENERGY TASK FORCE -- What is the dark matter? -- What is the dark energy? -- Did inflation happen? … ourtheories of fundamental particles and gravity are either incorrect or incomplete. Most experts believe that nothingshort of a revolution in our understanding of fundamentalphysics will be required to achieve a full understanding ofthe cosmic acceleration. … the acceleration of the Universe may even signify the breakdown of Einstein’s Theory of General Relativity Cosmological constant conflict with quantum mechanics --- 10120 “What the theory gives is a joke, more than a hundred orders of magnitude off the mark” John Marburger, “Tell the Truth About Particle Physics”, APS News, December 2002

34. Высоко-энергетическая активность в далёком космосе Expected to be a quiet zone

35. Необъяснимые пустоты в распределении галактик The observed distribution of galaxies (Source: M.J. Geller and H. P. Huchra, Science, 246, 897 (1989)) An instance of the simulated architecture of the distribution of galaxies

36. Анизотропия CMB Cosmologists have been scratching their heads over the discovery of a pattern imprinted on the CMB. This pattern, the so-called Axis of Evil, just shouldn't be there. Our model has predicted the CMB anisotropy several years before its discovery Our model exactly predicts the angle between the dipole and quadrupole; precursory result: – 40o The CMB is not a post-creation remnant of the cooling down matter, but an accompanying factor of formation material activities in the Big Bangs. The eccentricity position of Solar system leads to an asymmetry in the observed distribution of the CMB temperature. This distortion leads to the appearance of “peculiar motions”

37. Объяснение гравитационных аномалий M1 (passive) · M2 (passive) F = G(R) · ———————————— R2 Mediation of force: restricted corpuscles and stretching pulses

38. ВСЕЛЕННАЯ КАК КИБЕРПРОСТРАНСТВО INFORMATIONAL CAPACITY: --- 10102 PHYSICAL BITS --- 10100 LOGICAL BITS TOTAL NUMBER OF LIVING BEINGS --- 1080 ( DEAD AND ALIVE ) THE TOTAL VARIETY OF ACCESS CODES --- 1030 CLOCK- repetition rate of holographic wave trains --- 1011 Hz WORKING FREQUENCY OF REFERENCE WAVES --- 1046 Hz (COMPARE TO PLANK'S TIME: hG/ c5 = 5.310-44 SEC) MODULATION FREQUENCY --- 1013 Hz NUMBER OF SIMULTANEOUS USERS --- 1033 Physical significance of 1011 Hz ---Wien’s displacement law The CMB black body radiation spectrum --- 2.720 K

39. Схема голографии Техническое воплощение голографии в конструкции Вселенной: (1) фиксация информации в плоском CMB фронте (2) два пути сигнала – интерференция (3) прерывистость опорного волнового цуга – когерентность (4) послойная запись – адресная структура (5) восстановление по частичному запросу (6) обратная связь от запоминающей среды

40. Ассоциативная память (Г.Г.Стецюра, 1960) search criterion: Mi 1 1 1 retrieval indicator: Uj 1 content-addressable storage: xij 1 Uj=(Mi xij) 1 ∩ i 1 1 Dealing with subsets rather than with individual elements Нужна новая вычислительная модель

41. Operational Facilities of Holographic Associative Memory Content-addressable access Readoutprocess Concomitant Production of Matter - physical noise Accumulated information Writepointer generating main CMB and basic Quantum Mechanics Empty storage

42. Sharing associative memory with orthogonal codingand security in Cloud Computing Physical and logical bits 1010 0000 1010 1010 ″1″ ″0″ ″1″ ″1″ User A: ″1″ - 1100 User B: ″1″ - 1010 User C: ″1″ - 1001 Zero-bit: ″0″ - 0000 Задержка при передаче через общую память Телепатия и епигенетика

43. Новый феномен Природы --- доступ к компьютеру Вселенной генерирует материальный шум ОДНОРОДНЫЙ ПРИТОК МАТЕРИАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТ СО ВСЕХ СТОРОН ОСНОВНОЙ АСТРО-ФИЗИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ: Микроволновое Реликтовое Излучение (АНИЗОТРОПИЯ?!) Результат непрерывной голографической записи, управляющей квантовыми и биологическими процессами OBSERVED A WHILE AGO: 1. High energy cosmic rays incoming from nowhere 2. Relic background neutrinos OBSERVED RECENTLY: 3. Hiss of radio waves peaking at 3 and 8 megahertz (SkyandTelescope.com - Homepage News – New Cosmic Background Radiation Found, December 2008) 4. Fluctuations of gravity (“All the world’s a hologram”, New Scientist, January 17-23, 2009) PREDICTION: A UNIFROM INFLUX OF LIGHT QUANTA

44. Интерпретация системной биологии и организации мозга ○ ☼ ○ -4 by -1 by -13.7 by Жизнь – случайный побочный продукт физических процессов ? Концентрация на проблемах эволюции – подмена тезиса Уводит от основного вопроса: Каков механизм функционирования биологических систем? ♀♂ Как организмы воспроизводятся в течение месяцев, а не миллионов лет? Информация, связанная с организацией Жизни подавляет разнообразие материального мира смена парадигма

45. Deep confusion with the genome complexity Claverie, J.-M. (2001) What if There Are Only 30,000 Human Genes?, Science, 291, 1303 22,000 genes The basic law of requisite variety: |causes| ≥ |effects| “Future work must respect this law, or be marked as futile even before it has been started" W.R. Ashby

46. ДНК – это идентификационный номер, как библиотечный шифр QA 164 .N58 Σ ∫ ∂ 60% 164 -- is responsible for the properties: 10% ∩ 20% Пожизненный телефонный номер ♫ 0%

47. Таинство больших молекул Мы знаем, что большинство явлений описывается существующими закономерностями, но всё же мне думается, что одно из основных свойств живой природы – воспроизводить себя – может явиться проявлением некоторых сил в природе, пока ещё неизвестных и необъяснимых известными закономерностями взаимодействия между элементарными частицами. У нас нет никаких данных утверждать, что в цепочках достаточной длины из атомов с их чередованием по определённым правилам не может появиться новое свойство, аналогичное свойству самопроизводства в живой природе. В отдельных атомах и несложных молекулах такое свойство может быть незаметным БУДУЩЕЕ НАУКИ, 1959 Пётр Леонидович Капица (1894-1984)

48. Восприятие больших объёмов информациив аспекте технологических достижений: Google and “Digital Life” Оценки информационного содержания человеческой жизни Capturing the whole variety of information signals: Sensory inputs – 1021 bits, Neural activity – 1023 bits, Biochemical activity – 1040 bits Von Neumann’s estimate of the brain capacity – retaining all incoming information: 2.8 • 1020 bits Есть ли жизнь в других местах Вселенной? Ограниченность информационных возможностей

49. Информационные характеристики голографической Вселенной Total storage capacity ~ 10102 bits All material events per 1000 billion years strobed at 1011 Hz ~ 1099 Throughput ~ 1080 bits/sec Bit Fixation Flows from the whole Universe ~ 1080 bits/sec Earth ~ 1050 bits/sec Biomass ~ 1040 bits/sec Total mental activities of a whole human generation ~ 1030 bits

50. Жизнь это непростой коллективный эффект • Challenges the traditional scientific method: traceability of cause-effect; these relationships are separated in space and time; Unexpected upshots can come out of the blue and could be non-reproducible at different moments of time • Supports Lamarkian type of evolution: inheritance of acquired traits Giraffe’s long neck. Moreover – new traits can be transferred after birth • Conforms to theepigenetics - any aspect other than DNA sequence influences the development of an organism Transgenerational inheritance Hungry parents seem to leave healthier offsprings Grandfathers who overeat might ruin their grandchildren’s health. Diet, which does not change genes, can nevertheless influence future generations Emma Young, “Strange inheritance”, New Scientist, pp. 29 – 33, July 12, 2008 NOVA PBS, “Ghost in your genes”