عصر المحركات البخارية في انتظار كارنو: العقلية التي يحتاجها العلم الآن

سؤال العشرين واط

لديّ عادة قديمة. كلما صادفت ظاهرة ما، أحاول أولا إعادة كتابتها بلغة الطاقة. الضوء والصوت كلاهما موجات، والموجة هي الطريقة التي تعبر بها الطاقة الفضاء. الاتصالات فن تحميل المعلومات على تلك الطاقة، والبرمجيات هي النظام الشكلي الذي يعالج تلك المعلومات. أكثر من عشرين عاما من كتابة الكود لم تشفني من هذه العادة، بل عمقتها.

انظر إلى الذكاء الاصطناعي اليوم من خلال هذه العادة وسيعلق رقم واحد في حلقك. يعمل الدماغ البشري بنحو عشرين واطا فقط. بطاقة أقل من مصباح متوهج نتعلم اللغات ونتعرف على الوجوه، وأحيانا نتخيل نظريات فيزيائية جديدة. في المقابل، تُدرَّب النماذج الكبيرة اليوم في مراكز بيانات تبتلع طاقة مدينة صغيرة. نظامان يحلان مسائل متشابهة، والطاقة التي ينفقانها تختلف بمراتب عديدة، وليست مرتبة أو مرتبتين.

لا أقرأ هذه الفجوة كمشكلة أداء، بل كمشكلة فهم. الحضارة التي تفهم مهمة من حيث المبدأ تنجزها بطاقة أقل فأقل مع الوقت. أما الحضارة التي تقلد النتيجة فقط فتصب الطاقة لسد الفجوة. حقيقة أننا نقلد عشرين واطا بالجيجاواط تبدو لي أصدق دليل كمي على أننا لا نعرف بعد مبادئ الذكاء.

نصف القرن الذي سبق كارنو

لسنا هنا لأول مرة. فتاريخ العلم عرض هذا المشهد أكثر من مرة.

بحلول أواخر القرن الثامن عشر كانت المحركات البخارية تدير مناجم أوروبا ومصانعها. حقق محرك وات نجاحا تجاريا، وتنافس المهندسون بشراسة على بنائه أكبر وأدق. ومع ذلك لم يعرف أحد لماذا تعمل هذه المحركات، ولا ما إذا كان هناك حد جوهري لاستخراج الشغل من الحرارة. كانت الآلات تدور، ولم تكن النظرية موجودة.

نشر سادي كارنو ورقته عام 1824 مبينا أن كل محرك حراري يواجه سقف كفاءة تحدده درجات الحرارة وحدها، سقفا لا تكسره أي براعة هندسية. كان ذلك بعد نصف قرن من بدء البخار في تحويل الصناعة. ومن تلك الورقة القصيرة نمت الديناميكا الحرارية. ظهر مفهوم الإنتروبيا، وصيغ قانون حفظ الطاقة، وبدأت سلسلة طويلة وصلت لاحقا إلى الميكانيكا الإحصائية ونظرية المعلومات.

ما يهمني هنا هو ترتيب الأحداث. جاءت الآلة العاملة أولا، وجاء الفهم لاحقا. والقفزة الحقيقية لم تأت ممن بنوا آلات أكبر، بل ممن سأل لماذا تعمل الآلات أصلا. بعد كارنو لم تعد الحضارة مضطرة إلى تكبير الغلايات إلى ما لا نهاية، إذ صار بإمكانها حساب الحد النظري للكفاءة وتصميم طريقها نحوه.

يقف التعلم العميق اليوم تماما حيث وقف المحرك البخاري قبل كارنو. المحركات تعمل بشكل رائع، والصناعة يعاد تنظيمها بالفعل. لكن لا توجد ديناميكا حرارية للذكاء. لماذا يظهر التعميم عند هذا الحجم من البيانات والمعاملات؟ ما الحدود الجوهرية والتكلفة الدنيا للعملية التي نسميها التعلم؟ مثل المهندسين قبل كارنو، لا نعرف هذه الأشياء إلا كقواعد تجريبية.

سحابتا كلفن

في أبريل عام 1900 ألقى اللورد كلفن محاضرة في المؤسسة الملكية عن سحابتين تخيمان على فيزياء عصره. الأولى كانت الفشل في رصد حركة الأرض عبر الأثير، الوسط الذي كان يُعتقد أنه يحمل الضوء. والثانية كانت عجز النظرية الكلاسيكية عن تفسير توزيع طاقة إشعاع الجسم الأسود. في مزاج ذلك العصر بدت المسألتان كلمسات أخيرة على بناء شبه مكتمل.

من هاتين السحابتين خرجت النسبية وميكانيكا الكم. الاستثناءات التي بدت تافهة أجبرت البناء كله على إعادة التشييد.

الدرس المعتاد من هذه القصة يتعلق بتواضع التنبؤ. لكنني أريد وضع التشديد في مكان مختلف قليلا: كانت هناك عيون رأت السحب سحبا. حتى في عصر بدا فيه كل شيء محلولا، رفض بعض الناس كنس البقايا غير المفسرة تحت سجادة الخطأ الطفيف، ومن تلك البقايا بالضبط وُلدت الفيزياء التالية.

للذكاء الاصطناعي اليوم سحبه أيضا. القاعدة التجريبية القائلة إن مزيدا من الحجم يجلب مزيدا من القدرة تعمل جيدا، لكن لا شيء يفسر السبب. تعمم النماذج كثيرا خارج بيانات تدريبها، لكن لا نظرية تتنبأ بموعد انهيار التعميم. والعلاقة بين إنتاج جمل مقنعة وفهم العالم ما زالت ضبابا. إن كنت منتشيا بسرعة صعود درجات الاختبارات المعيارية بدت لك هذه لمسات أخيرة. أما أنا فأراها سحابتين.

الإنجاز المسمى التوسيع

أريد تجنب سوء فهم: لا أنوي التقليل من شأن التوسيع.

الوصول إلى هنا بحشد القوة الحاسوبية إنجاز يستحق مكانا في تاريخ الهندسة بمعاييري. أنظمة موزعة تربط عشرات آلاف المسرعات في تدريب واحد، وطرق استمثال تتقارب باستقرار فوقها. هذه هندسة دقيقة، ووصفها بالقوة الغاشمة إهانة لمن بنوها. وبصفتي شخصا ظل يبشر بأهمية التعلم العميق قبل أن يصبح رائجا، أعترف بأن مشاهدة النبوءة تتحقق بهذا الحجم تحرك شيئا في داخلي.

المشكلة ليست الإنجاز بل الوهم الذي يخلقه. ما دام منحنى التوسيع يصعد، يبدأ المنحنى نفسه في الظهور كتقدم علمي. لكن صنع محرك أقوى بتكبير الغلاية وتأسيس الديناميكا الحرارية نشاطان مختلفان. الأول ينفذ طريقة معروفة على نطاق أكبر، والثاني يسأل لماذا تنجح الطريقة ويحسب حدودها. نحتاج الاثنين. وحين يبقى الأول وحده يزدهر المجال هندسيا ويتجمد علميا.

يلفتني تباين واحد. في الفترة نفسها سلكت الحوسبة الكمومية والمعلومات الكمومية طريقا آخر. منذ أيام كانت فيها الأجهزة بدائية بنى ذلك المجال نظريته أولا: حدود تصحيح الأخطاء، وتكميم التشابك كمورد، ونظرية تعقيد للمسائل التي تسهل كموميا وتلك التي لا تسهل. إنها حالة نادرة مشى فيها الفهم أمام الآلة. وأظن أن هذا الترتيب بالذات هو سبب صلابة النتائج الأخيرة الخارجة من ذلك المجال.

ثقافة تستهلك الصناديق

ما يقلقني أكثر من التقنية هو الثقافة.

بالنسبة لكثير من الباحثين والمهندسين الداخلين إلى المجال الآن، النموذج صندوق: يدخل المدخل ويخرج المخرج، ولا حاجة لفتحه ولا جرأة على ذلك. بضعة أسطر من استدعاءات API تنتج منتجات كانت مستحيلة بالأمس، فيبدو فتح الصندوق هواية غير مجدية. أصبح صقل الموجهات وتحديث لوحات الترتيب الحركات الافتراضية للبحث.

التجريد بريء في ذاته. أنا نفسي صعدت السلم من الأسمبلي إلى اللغات العالية والأطر، والتجريد مصدر الإنتاجية، وليس على الجميع فهم الترانزستورات. لكن في تاريخ العلم جاءت قفزة الطبقة التالية دائما ممن نزل تحت حدود التجريد. كثيرون استخدموا المحرك البخاري كصندوق، لكن كارنو رسم تدفق الحرارة داخله. كثيرون استهلكوا اللاسلكي كصندوق عجيب، لكن ماكسويل وهرتز قرآ معادلات الموجات في داخله.

إجادة استخدام الصندوق والجرأة على فتحه عضلتان مختلفتان. ثقافة اليوم تدرب الأولى فقط. أعطها جيلا واحدا وقد نجد أنفسنا في مجال يفيض بمن يديرون المحركات ولا يبقى فيه من يؤسس الديناميكا الحرارية.

الذين غيروا الإحداثيات

فماذا نفعل بعد فتح الصندوق؟ دعوني أستخرج تلميحا من تاريخ العلم: القفزات الكبرى لم تأت من مزيد من الحساب بل من تغيير التمثيل.

أثبت فورييه أن أي إشارة مهما تعقدت يمكن إعادة كتابتها كمجموع موجات بسيطة. الإشارة نفسها لا تتغير، لكن ما إن تتغير إحداثيات النظر إليها حتى تظهر في مجال التردد بنية كانت خفية في مجال الزمن. الاتصالات ومعالجة الإشارات الحديثة كلها تقف على هذا التحول في المنظور. وأعاد شانون كتابة الاتصال من مسألة فولتات ودارات إلى مسألة احتمال وإنتروبيا، فصار السقف النظري لما يمكن لقناة أن تحمله من معلومات قابلا للحساب. حين يتغير التمثيل تظهر الحدود، وحين تظهر الحدود يمكن التصميم نحوها.

وبصفتي من قضى عمره يفكك الضوء والصوت كموجات، أعترف بأنني حين أنظر داخل الشبكات العصبية تلوح لي لغة الموجات باستمرار: تمثيلات تتراكب وتتداخل في فضاءات عالية الأبعاد، ومكونات تُرشَّح وتُضخَّم عبر الطبقات. لا أعرف إن كانت هذه هي اللغة الصحيحة، وربما نحتاج رياضيات مختلفة تماما. لا أدعي أن الموجات هي الجواب. لكن يصعب علي التخلص من الشك في أن ما نحتاجه الآن ليس عنقودا أكبر بقدر ما هو نظام إحداثيات جديد. البنية التي لن تظهر أبدا في إحداثيات منحنيات الخسارة ودرجات المعايير قد تسقط كمتباينة واحدة في تمثيل آخر.

العيش قبل ديناميكا الذكاء الحرارية

نعود إلى سؤال البداية: أي عقلية يحتاجها العالِم في زمن كهذا؟

أول ما أسميه هو التواضع. ليس إتيكيت خفض الذات، بل دقة الإدراك. الاعتراف الصريح بأننا نملك محركا يعمل ولا نملك نظرية. رفض الخلط بين صعود درجات المعايير ونمو الفهم. إبقاء الفجوة بين عشرين واطا والجيجاواط على رأس قائمة الواجبات. هذا يكفي.

يليه انضباط التحديق في السحب. الصناعة ستتكفل بجعل ما ينجح ينجح أكثر. أما عمل العالِم فهو مواجهة البقايا غير المفسرة بدل تصنيفها خطأ طفيفا. لماذا يعمم؟ متى ينكسر؟ أسئلة كهذه لا تنفع أرباح الربع القادم، وعلم نصف القرن القادم سيولد منها بالضبط.

وتنفع أيضا عادة الشك في التمثيل. نظام الإحداثيات الذي نستخدمه الآن ليس الوحيد. كانت الإشارات موجودة قبل فورييه والاتصال موجودا قبل شانون، وما كان ناقصا هو لغة إعادة الكتابة. التمرن على إعادة كتابة مجالك بلغة غريبة، واستعارة رياضيات من حقل مجاور. معظم هذه المحاولات يفشل، والمحاولة التي تنجح تغير سماء المجال كله.

وأضيف أمرا أخيرا: ليس هذا وقت الإحباط. كان طلاب الفيزياء عام 1900 محظوظين، إذ وُلدوا في عصر ظن أن البناء اكتمل فصاروا الجيل الذي أعاد بناءه. غياب ديناميكا حرارية للذكاء يعني أن موقعها شاغر. ونادرا ما يرسل تاريخ العلم دعوة أكثر إثارة من هذه.

إلى كارنو القادم

تبني ThakiCloud عناقيد GPU ومنصات ذكاء اصطناعي. يمكن القول إن حرفتنا بناء غلايات هذا العصر. ولهذا بالذات نكرر على أنفسنا أن الغلايات ليست القصة كلها. البنية التحتية لا تطرح الأسئلة نيابة عنك، فالبنية الجيدة تتيح فقط لصاحب الأسئلة الجيدة أن يجرب أسرع وبتكلفة أقل. وهوسنا بكفاءة المنصة وتكلفة الطاقة يعود في النهاية إلى المكان نفسه: أمام المعيار الذي وضعه دماغ العشرين واط، ما زال على حوسبة اليوم أن تتواضع كثيرا.

انتظر عصر المحركات البخارية كارنو، ولم يكن الانتظار عبثا. في مكان ما الآن شخص يفتح الصندوق ويسأل عن المبادئ بدل المعايير، وربما ما زال طالبا. أرجو أن تصل هذه المقالة إلى كارنو القادم كتشجيع صغير. المحركات تدور بالفعل، وما نحتاجه الآن هو شجاعة السؤال: لماذا تعمل؟