Zasada wolnej energii

Definicja robocza

Zasada wolnej energii (free energy principle) głosi, że każdy system, który utrzymuje się w czasie jako odrębny od otoczenia, zachowuje się tak, jakby minimalizował wariacyjną wolną energię, czyli górne ograniczenie zaskoczenia (ujemnego logarytmu prawdopodobieństwa) swoich stanów sensorycznych pod pewnym modelem świata. Minimalizować ją można dwojako: zmieniając przekonania, czyli percepcję, albo zmieniając świat, czyli działanie; razem nazywa się to wnioskowaniem aktywnym (active inference). W wersji potocznej zasada brzmi „mózg unika zaskoczenia”; w wersji technicznej jest twierdzeniem o statystyce układów z granicą (kocykiem Markowa), z którego mózg jest tylko szczególnym przypadkiem. Operacyjnie: jeśli chcesz opisać agenta w języku zasady, podaj jego model generatywny, jego granicę i pokaż, jak percepcja i działanie zbiegają do stanów o niskim zaskoczeniu.

Geneza i rodowód

Pojęcie sformułował Karl Friston, neuronaukowiec z University College London, w serii prac z lat 2005–2010; artykuł przeglądowy z 2010 r. w „Nature Reviews Neuroscience” nadał mu formę „zunifikowanej teorii mózgu”. Linia dziedziczenia biegnie z trzech stron. Z fizyki statystycznej i uczenia maszynowego pochodzi sam rachunek: wariacyjna wolna energia Feynmana, przeniesiona do sieci neuronowych przez Hintona i współpracowników w „maszynie Helmholtza” (1995). Z neurofizjologii pochodzi idea percepcji jako nieświadomego wnioskowania (Helmholtz) i kodowania predykcyjnego (Rao i Ballard, 1999). Z cybernetyki pochodzi homeostaza Ashby’ego i twierdzenie Conanta i Ashby’ego o dobrym regulatorze (1970), które Friston cytuje jako uzasadnienie, że system utrzymujący się w zbiorze dopuszczalnych stanów musi zawierać model otoczenia. W 2013 r. zasada przestała być teorią mózgu, a stała się propozycją fizyki życia: każdy system z kocykiem Markowa, który istnieje dostatecznie długo, da się opisać jako minimalizujący wolną energię. Od tego momentu krąży w dwóch obiegach: jako program badawczy w neuronauce obliczeniowej i jako quasi-metafizyka w filozofii umysłu i popularyzacji, gdzie bywa przedstawiana jako „teoria wszystkiego” dla istot żywych.

Rodowód środkowoeuropejski

Rozszerzając zasadę na każdy żywy system, Friston w artykule „Life as we know it” (2013) otwiera tekst epigrafem z „What is Life?” Erwina Schrödingera, pytaniem o to, jak zdarzenia zachodzące w granicach organizmu można wyjaśnić fizyką i chemią, i stawia swoje twierdzenie o kocyku Markowa jako odpowiedź na nie; w zakończeniu wraca do tej samej książki przypisem, odróżniając swoje ujęcie od tych, które opierają istnienie życia na przekazywaniu materiału genetycznego. Schrödinger ukształtował się w Wiedniu: studiował na Uniwersytecie Wiedeńskim od 1906 r., doktoryzował się w 1910 r. i habilitował w 1914 r. jako asystent Franza Exnera. Wykłady, z których powstała książka, wygłosił w Dublinie, dokąd wyjechał w 1939 r. Nie twierdzimy, że Schrödinger antycypował zasadę; związek polega na tym, że najbardziej ambitna wersja zasady jawnie przedstawia się jako odpowiedź na jego pytanie. Drugi związek ma odwrotny znak. Piotr Litwin (Wydział Psychologii Uniwersytetu Warszawskiego, IFiS PAN) i Marcin Miłkowski (IFiS PAN, absolwent i doktor Uniwersytetu Warszawskiego) w artykule „Unification by Fiat” (2020) w „Cognitive Science” wykazują, że przetwarzanie predykcyjne jako teoria unifikująca nie dostarcza wyjaśnień ogólnych, prostych, jednorodnych i systematycznych, że wiele modeli przeczy własnym zasadom programu i rzadko jest sprawdzanych wobec konkurencyjnych wyjaśnień, a w części poświęconej zarzutom rozważają wprost, czy to samo dotyczy zasady wolnej energii. Jest to krytyka metodologiczna programu, nie dowód fałszywości zasady.

Dlaczego teraz

W latach 2018–2026 zasada przeszła z niszy neuronauki obliczeniowej do centrum trzech sporów. Pierwszy dotyczy sztucznej inteligencji: po sukcesach modeli językowych uczonych wyłącznie na przewidywaniu następnego tokenu idea, że poznanie to minimalizacja błędu predykcji, przestała brzmieć egzotycznie, a wnioskowanie aktywne stało się jednym z proponowanych programów dla agentów ucieleśnionych i dla „sztucznej inteligencji trzeciej fali”. Drugi spór to podręcznik: w 2022 r. ukazał się „Active Inference” Parra, Pezzula i Fristona, pierwsza systematyczna wykładnia, która pozwala krytykom wreszcie wskazać palcem, czego dokładnie zasada się trzyma. Trzeci to fala krytyki filozoficznej z lat 2020–2022 (Litwin i Miłkowski, Andrews, Colombo i Wright), która rozdziela zasadę jako narzędzie matematyczne od hipotez empirycznych i pyta, czy twierdzenie, które pasuje do każdego istniejącego systemu, w ogóle coś wyklucza. Zasada jest dziś testem na to, jak społeczność naukowa radzi sobie z teorią zbyt ogólną, by ją sfalsyfikować, i zbyt płodną, by ją zignorować.

Siła wyjaśniająca

Zasada pozwala zobaczyć percepcję, działanie, uczenie się i uwagę jako jedną operację wykonywaną na jednym obiekcie, zamiast czterech osobnych modułów. Trzy przykłady. Po pierwsze, uwaga przestaje być reflektorem, a staje się ważeniem precyzji: system wzmacnia te błędy predykcji, którym ufa, i tłumi pozostałe; to daje jednolity opis objawów, od halucynacji po dysfunkcje sensoryczne, jako zaburzeń wag, a nie treści. Po drugie, działanie i percepcja dostają wspólną miarę: organizm może zmniejszyć zaskoczenie, zmieniając przekonanie albo zmieniając świat, więc ruch ręki i aktualizacja hipotezy są dwoma rozwiązaniami tego samego równania. Po trzecie, eksploracja i eksploatacja przestają wymagać osobnego mechanizmu: oczekiwana wolna energia rozkłada się na składnik epistemiczny (zmniejsz niepewność) i pragmatyczny (osiągnij preferowany stan), więc ciekawość wynika z rachunku, a nie z dodatkowego popędu. Bez zasady nie widać, że to jeden rachunek.

Osie sporu

Niedoceniany kąt

Najciekawszy skutek zasady nie leży w neuronauce, lecz w jej definicji istnienia. Zasada nie mówi, co robi mózg; mówi, co znaczy, że coś jest rzeczą: posiada kocyk Markowa, czyli granicę, przez którą wpływy z zewnątrz i do wewnątrz przechodzą tylko za pośrednictwem stanów sensorycznych i aktywnych. Ta sama definicja stosuje się do komórki, organizmu, instytucji i firmy, co czyni z zasady raczej ontologię niż psychologię. Konsekwencja jest niewygodna: jeśli system jest tym, co utrzymuje swoją granicę przez minimalizację zaskoczenia, to „zdrowie” systemu i jego „prawda” rozchodzą się. Organizm nie musi mieć trafnego modelu świata, lecz model wystarczająco dobry, by nie wypaść ze zbioru stanów, w których istnieje; iluzje, uprzedzenia i rytuały instytucjonalne mogą być optymalne w sensie zasady, dopóki utrzymują granicę. Zasada dostarcza więc precyzyjnego języka dla pytania, kiedy adaptacja i poznanie się rozchodzą, a to pytanie wraca dziś w sporach o modele językowe, które minimalizują zaskoczenie bez żadnego ciała do utrzymania.

W przekładzie

Polski termin nie jest ustalony. „Wolna energia” jest kalką z fizyki (energia swobodna Helmholtza w termodynamice nazywa się po polsku raczej „swobodną”), a „zasada swobodnej energii” brzmi poprawniej fizycznie, lecz gubi skojarzenie z angielskim rdzeniem literatury. W polskiej kognitywistyce spotyka się obie formy, częściej „wolną”; wybieramy ją za listą pojęć, z zastrzeżeniem, że wielkość, o którą chodzi, nie jest energią fizyczną, lecz funkcją informacyjną nazwaną przez analogię. Active inference oddajemy jako „wnioskowanie aktywne”, Markov blanket jako „kocyk Markowa”, bo ta żartobliwa kalka już się przyjęła.