Раздел «Тема 1. Химия электротоков и ее воплощение в нейросети»
Модель произвольной адаптивности МВАПДоступ для всех
Темактика: Лекторий для «Модель произвольной адаптивности МВАП»
Лекторий школы «Модель произвольной адаптивности МВАП»
Тема 1. Химия электротоков и ее воплощение в нейросети
Мы не станем широко и профессионально погружаться в смежные предметные области (для этого нужны годы теории и практики). Но основы и отдельные моменты нужно будет освоить очень уверенно настолько, насколько они участвуют в организации нейросетей. Нужно избавиться от недопонимающего взгляда со стороны на эти вещи и полностью приручить их, чем прямо сейчас и начнем заниматься.
Схемотехника электрических цепей это – всегда источник электропитания и элементы в цепочке передвижения тока, которые что-то делают, благодаря этому току. Все, что имеет электрический заряд стремиться приблизиться к противоположному по знаку другому заряду, и если нет препятствий, то возникает такое движение или электроток того, что движется. Отрицательными зарядами обладают электроны, а положительными – протоны. Все, больше нет в обычной жизни других предельно простых носителей зарядов. Там, где электронов оказывается больше, чем протонов, будет отрицательный заряд.
Заряды – вещь относительная. Если есть два отрицательных заряда, но разные по величине, то один из них – более отрицателен и, значит, есть разность, заставляющая все электрическое пытаться двигаться в направлении этой разницы. Эта разность потенциалов (величин) зарядов – основа питания любых электроустройств и любой схемотехники использования электротока в своих целях.
Источник питания всегда имеет два электрода - концы с разными зарядами, один из которых будем называть более отрицательным по этому заряду, чем другой потому, что там скопилось больше электронов, имеющих отрицательный заряд из-за невозможности преодолеть этот промежуток. Нужно чтобы между электродами оказался проводник электронов и тогда по нему потечет ток электронов от минуса к плюсу (или можно условно посчитать, что наоборот, что совершенно не имеет значения, кроме электронов, электроток может быть вызван движением других заряженных частиц – ионов – более массивных, чем электроны осколков вещества, а ионы могут быть как положительными, так и отрицательными).
Природа использует ток ионов в растворах электролитов, т.е. больших (по сравнению с электронами и протонами) атомов или даже групп связанных атомов (молекул), у которых есть избыток или электронов или протонов.
Простейшим электронейтральным атомом является водород. Если у водорода отнять его электрон, то останется голый протон. Протоны в воде дают кислую реакцию, т.е. стремятся соединиться с тем, что имеет более отрицательный электрический заряд, а это могут быть другие атомы или молекулы с избытком электронов. Кислый раствор протонов – простейший электролит, в котором потечет ток протонов от более положительному электроду к более отрицательному. И этот электроток можно как-то использовать.
Если число электронов равно числу протонов в этой области пространства, то она (эта область) будет электронейтральной, так что все электричество основано на нескомпенсированных количествах электронов и протонов, между которым начинается ток носителей электричества – свободно движущихся в какой-то среде зарядов (свободных электронов, протонов или ионов).
Для схемотехники важно одно правило: ток всегда потечет между разницей зарядов (потенциалов заряда) если между ними есть проводник для этого вида носителей зарядов.
Представление об электротоке важны для того, чтобы нарабатывать навыки сразу видеть, что будет с электродеталью при воздействии электротока. Навыки понимания и использования электросхем (схемотехника) как раз основывается на представлении о том, что будет, когда потечет ток в цепи и будут оказываться воздействия на электродетали схемы. Это должно стать зримой картинкой.
Ток носителей заряда возникает как только для этих зарядов, помещенных между разностями потенциалов, окажется возможным перемещаться в проводнике тока. Каким бы ни был длинным проводник, ближайшие к источнику потенциала носители заряда начнут движение (с одного конца притягиваясь, а от другого отталкиваясь) и это создаст потенциал для следующих носителей.
Сами носители передвигаются по проводнику довольно медленно (со скоростью распространения тепла в этом проводнике), но взаимовлияние между ними распространяется со скоростью света в вакууме, а не в данном проводнике потому, что происходит не перемещение фотонов с перпеизлучением от атома к атому, а поляризация носителей заряда – влияние с помощью поля притяжения-отталкивания. И волна этой поляризации распространяется со скоростью света в вакууме.
Вокруг каждого заряда его поле поляризует все вокруг, вызывая притягивание всего противоположного по знаку и отталкивание схожего.
Если электроток течет с постоянной скоростью (потенциалы источника не меняются по величине), то и поляризация постоянна, но если потенциалы все время меняются, то и воздействие поляризации на окружающее оказывается с той же частотой. И тогда в проводнике, расположенному рядом, но не подключенному в источнику разницы потенциала, возникают та же частота колебаний его носителей заряда. Так работают приемные антенны, трансформаторы и любые другие электродетали, использующие вовлечение своих носителей в ту же динамику, что и носители в рядом расположенном проводнике, разгоняемые разностями потенциалов.
Если подключить такие пассивные проводники (антенные электроды) к голове, то в них начинают возникать колебания, отражающие все поляризационные влияния электротоков мозга, в некоей общей суммарной картинке. Чем ближе электрод к цепи, наводящей в нем поляризационный отклик, тем сильнее будет и наводка – в полном соответствии с законом Кулона: сила притяжения- отталкивания равна произведению величин электрозарядов, деленная на квадрат расстояния между ними. Т.е. чем ближе заряды, тем сильнее между ними взаимное влияние.
Закон Кулона по формуле в точности такой же как закон тяготения Ньютона, только во втором имеются в виду не электрические, а гравитационные заряды. Схожесть этих двух (и не только этих) законов взаимодействия вызвана тем, что эти взаимодействия используют степени свободы трехмерного пространства, а в нем удаление зарядов вызывает уменьшение их потенциала именно обратно пропорционально квадрату расстояния, что лекго видеть, если нарисовать два заряда и провести лучи во все стороны от них: плотность этих лучей будет уменьшаться по такому закону от расстояния между зарядами.
Это представление о природе электровзаимодействия не понадобится для понимания работы электрозарядов в нейросети мозга, но дает понимание причин и следствий в утверждениях, а не просто веры в них. Но есть граница разумного, насколько глубоко погружаться в природу явления и то, что касается зарядов носителей электротока не требует более глубокого понимания природы, тут достаточно интуитивного понимания как в случае с опытом наблюдения поведения магнитов. Поэтому все сказанное желательно воспринимать достаточно буквально, без попыток разобраться в природе всего этого. Важно сделать привычными основные свойства участников явления электропроводности, а не то, из чего они состоят.
Итак, суть электротока, вроде бы, должна быть зримо ясна. Но важно и понимание количественных взаимовлияний. Для электротока есть понятие его силы – как количества носителей, текущих в единицу времени, измеряемое в Амперах. Все знакомые с проблемой зарядки смартфонов имеют уже достаточно ясное представление, насколько много или мало это 1 или 5 ампер, гарантируемых в течение одного часа. Если батарейка обеспечивает ток в 4 ампера в час, то считается, что это неплохо и ее хватит надолго, если не слишком много заставлять потреблять смартфон, чтобы он даже начал сильно греться.
Носители заряда, протискиваясь через решетку структуры проводника, расталкивают его, добавляя энергии к его тепловым колебаниям атомов, и эти атомы начинают колебаться сильнее, а температура смартфона повышается.
При этом говорят, что в данной цепи для электротока имеется определенное сопротивление его протеканию, которое носители начинают преодолевать, частично застревая, отдав свою энергию или просто даже не в состоянии протиснуться между атомами проводника.
Величина разницы потенциалов источника питания (электронапряжение) – тоже хорошо понимаемо на бытовом опыте: несколько вольт запросто можно попробовать на язык, а вот 220 воль – это уже слишком круто.
Источник в 1 вольт вызовет электроток в проводнике в 1 Ампер, если сопротивление проводника будет 1 Ом. Это называется законом Ома, что позволяет делать очень обширные и разнообразные прикидки работы электроустройств, что мы будем использовать. В контексте схемотехнике будем просто говорить о напряжении (U), сопротивлении (R) и токе (I) без “’электро”: I=U/R;
Итак, ток может быть слабым, если носитель не способен пропустить через себя много зарядов и тогда даже миллион вольт не принесут нам вреда, протекая по телу потому, что столь мизерное количество электронов не сможет что-то серьезно повредить, или ток может быть сильным, как если на клеммы автомобильного аккумулятора уронить гаечный ключ.
Чтобы лучше освоить свойства электрических проводников разного типа и то, каким образом можно извлекать пользу из протекания электричества, мы проведем тренировочное обсуждение с обратной связью.
Далее будет много случаев, когда нужно будет моментально прикидывать реализацию тех или иных механизмов, эту нужно будет привыкнуть делать автоматически буквально для всех механизмов, без чего не получиться понимать их причинность. Так что овладеть схемотехникой нейристоров (моделей функции нейронов) просто необходимо.
Было бы очень полезно прочесть популярную статью Про электронику и схемотехнику, найти тот порог, после которого возникает сложности в понимании и написать мне об этом в личной почте.
То же касается другой полезной для дела статьи Про химию.
Я очень советую прочесть эти статьи именно перед сном (сначала одну, на следующий вечер - другую) и не задумываться сильно при этом, а лишь отметить места недостаточности понимания. По утру, перед мыслями о предстоящем дне, нужно будет вспомнить прочитанное.
Значит, на это нужно посвятить пару вечеров при засыпании (а может быть и больше?), и я жду обратной связи о результатах от каждого в течении трех дней, чтобы выявить и пояснить трудное.
Из химии важно понятие ионов и то, что ионы из многих нейтральных молекул могут получаться при растворении солей (молекул, связанных за счет электростатических сил притяжения) в воде, образуя носители электрического тока. Чем выше температура, тем подвижнее носители заряда в водной среде, очень существо (в несколько раз при изменении на 10 градусов) меняя условия воздействия этих зарядов. Поэтому для стабильной работы нейросети очень важно поддерживать температуру на оптимальном уровне.
В нейросетях источник питания распределенный, а не какая-то батарейка в одном месте. Каждый нейрон сети мозга – источник электроэнергии за счет разности потенциалов ионов в растворе, окружающем его и растворе его тела. А оболочка нейрона не дает возможности этим зарядам перемешаться друг к другу, изолируя их. С обоих сторон мембраны клетки нейрона образуется электрический потенциал из-за различия не только концентрации электролита сред, но и состава солей в них.
Даже если бы с двух сторон оболочки нейрона была просто разная концентрация одной и той же соли, то потенциалы скопившихся ионов оказались бы разными, а то, что и соли разные еще больше повышает разность потенциалов.
Мембрана клетки нейрона так устроена, что при определенном условии она перестает быть препятствием для ионов и они взаимно гасят разность потенциалов.
Это становится возможным, если каким-то образом (совершенно не важно каким, любой сработает) начать изменять электрический потенциал на мембране. С какого-то порогового значения, мембрана станет проводником тока.
При этом возникает перепад напряжения в виде импульса тока (от его пика разности потенциалов до полной релаксации до однородности электролита вне нейрона и внутри его), который распространяется по мембране нейрона вдоль его отростков к другим нейронам.
Клетка нейрона тут же после такой релаксации включает ионные насосы, которые перемещают смешавшиеся ионы опять по разные стороны мембраны, после чего она готова к новому импульсу в ответ на импульс, который заставит ее стать активной.
Мы не станем углубляться в очень сложные механизмы работы мембраны и другие сопутствующие явлению, которые пришлось разработать природе. Нам важно понять, что вот таким образом организованы источники тока в сети нейронов и так они обмениваются импульсами активности.
Все это можно было бы организовать искусственно куда более простым и лучшим путем, в том числе и вовсе без каких-то потенциалов, а программно. Но нам важно так же не упустить все то, что представляет принципиальную основу причин и следствий такого обмена импульсами.
Позже мы проведем закрепление понимания о том, что активирует нейроны и как передаются импульсы активации.
Для тех, кому важно посмотреть видео по теме, нет никаких проблем: достаточно забить в поиске ютуба нужные слова, например, “электрический ток” или “закон Ома”. Среди множества видео стоит игнорировать всяких диванных учителей (но, может быть, и не стоит? и в вульгаризме есть плюсы :)
Я буду стараться делать такие выборки, например:
А вот небольшое количество вопросов, на которые я прошу ответить каждого из участников.
Пока все :) теперь дело за участниками, перехожу в режим ожидания результатов и, возможно, вопросов-ответов в общем чате, после чего устроим общее обсуждение в дневнике.
Следующая лекция – использование схемотехнических механизмов, характерных для нейросети: компараторы, интеграторы, ключи, шаговые регистры. Обратная связь, условия генерации, наводки, модуляторы. Затем будет самое главное: персептрон.