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Teste de Turing e Inteligência Artificial

Século 21 – a era da Inteligência Artificial (Crédito: Worldpedia.info)

Por: Prof. Roberto N. Onody ^*

Alan Mathison Turing (1912 – 1954) foi um matemático britânico brilhante (Figura 1) que ficou conhecido como “Pai da Computação” ¹. Concebeu, teoricamente, o dispositivo denominado Máquina de Turing que é um modelo abstrato de um computador. Criptoanalista, ajudou a decifrar a máquina Enigma, amplamente utilizada pelo exército e marinha nazistas, para enviar mensagens secretas durante a Segunda Guerra Mundial.  Enigma é uma máquina eletromecânica patenteada em 1918 e que teve várias versões ao longo do tempo ² (Figura 2). Sua decodificação, pelos Aliados, permitiu encurtar a guerra na Europa e poupar milhares de vidas.

Turing contribuiu, de maneira muito importante, para a chamada lógica matemática. David Hilbert (1862-1943), um notável matemático alemão, analisando a estrutura da matemática (composta por axiomas e afirmações) concluiu que ela era: completa (toda afirmação verdadeira pode ser provada), consistente (sem contradições) e decidível (isto é, existe um algoritmo que pode determinar ou decidir se uma afirmação é consequência de seus axiomas). Na sua palestra de aposentadoria da Sociedade de Cientistas e Físicos Alemães (em 1930), em resposta à máxima latina Ignoramus et ignoramibus (não sabemos e não saberemos), ele afirmou Wir mussen wissen, wir werden wissen (nós precisamos saber, nós saberemos). Esta frase está em seu epitáfio no cemitério de Göttingen. Nesse mesmo ano, o brilhante matemático austríaco Kurt Gödel (1906-1978), publicou os seus 2 teoremas de inconsistência, que derrubaram as 2 primeiras afirmações de Hilbert. A máquina de Turing, quando operando um algoritmo que nunca para, é um exemplo de indecidibilidade ³.

Figura 1 – A. Turing, matemático, cientista computacional e criptoanalista.  Era um grande corredor, fez a maratona em 2:46 h. Foi condenado em 1952 por atos homossexuais e obrigado a tomar estrogênio. Suicidou-se em 1954. Recebeu o perdão póstumo da Rainha Elizabeth II em 2013 – Crédito: Domínio público

Quando os primeiros computadores começaram a funcionar, muitos já se perguntavam: Eles podem pensar? Em caso positivo, um dia eles se equiparariam aos seres humanos? Pensando neste assunto, Turing publicou um artigo em 1950 ⁴. Na primeira parte desse artigo ele propõe o Jogo da Imitação ⁵. Nesse jogo, 3 indivíduos – um homem, uma mulher e um juiz (homem ou mulher), em salas isoladas, podem se comunicar somente através de textos datilografados. O homem e a mulher devem ludibriar o juiz, fazendo-se passar por mulher e homem, respectivamente. Em seguida, Turing substitui um deles por um computador. Esta última forma, ficou conhecida como Teste de Turing.

Neste teste, uma pessoa, um computador e um interrogador humano (juiz) são mantidos em salas separadas e, novamente, só podem se comunicar por texto impresso. A máquina e o ser humano manterão uma conversação entre si. O juiz deverá analisar o conteúdo e tentar distinguir qual é a máquina e qual é o ser humano. A pergunta que Turing se fazia era: poderia a máquina imitar o pensamento humano e confundir o juiz?

Há muito tempo, clássicos dos filmes de ficção científica, exploram essa possibilidade. Por exemplo ⁶, nos filmes 2001 – Uma Odisséia no Espaço (com o computador HAL 9000), Blade Runner, e outros.

Em 1966, Joseph Weizenbaum criou um programa chamado ELIZA que ‘passou’ (há múltiplas e sérias contestações) no teste de Turing. Um programa passa no teste de Turing se, após uma série de 5 minutos de conversação (no teclado), o juiz é enganado pelo menos em 30% das vezes.

Vários programas parecidos (chamados de ‘chatbots’) foram propostos. Em 1991, o inventor Hugh Loebner instituiu um torneio (Prêmio Loebner) para programas ou chatbots dirigidos para o teste de Turing. Nessa competição (que é anual), participam dez juízes, os programas inscritos e 4 pessoas. Até 2014, nenhum chatbot havia passado no teste de Turing. Porém, nesse ano, um chatbot atingiu o índice de 30%, fazendo-se passar por menino ucraniano de 13 anos de idade.

Figura 2 – Máquina Turing com 3 rotores (a partir de 1938, elas passaram a contar com 5 rotores). Uma das versões da máquina Turing foi decifrada pelos matemáticos poloneses M. Rejewski, J. Różycki e H. Zygalski em 1933. Restaram 284 máquinas Turing usadas pelos nazistas na II Guerra Mundial (Crédito: ref  2.)

Com a evolução na qualidade dos chatbots, a competição se tornou mais aberta e os juízes passaram a ser milhares de usuários da internet. Entre 2016 e 2019 (em 2020 não houve o torneio, devido à pandemia) o chatbot tetracampeão foi o Mitsuku ⁷ (mais conhecido como Kuki). O programa já manteve conversação com mais de 25 milhões de pessoas em todo o mundo. Foi desenvolvido pelo programador britânico Steve Worswick.

Hoje em dia, os chatbots, na forma de aplicativos, estão em toda parte (como no WhatsApp de empresas, por exemplo). Progrediram bastante, incorporando som e imagem, e se transformando em sistemas de inteligência artificial de bancos e com outras multifuncionalidades, como no Assistente do Google, na Siri da Apple e na Alexa da Amazon. É muito importante enfatizar que, como bem observou o próprio Worswick ⁶, os chatbots voltados para testes de Turing, andam na contramão dos aplicativos citados acima. Por exemplo, se perguntarmos à Siri qual a população da Noruega, ela responderá “5.385.300”, já o Kuki deverá retornar algo como “menos de 10 milhões”, para não deixar transparecer sua natureza computacional.

O prêmio Loebner também ganhou uma forma multimodal em que máquina deve processar fala, figuras, música e vídeos como se fora um ser humano.

É interessante observar que até já estamos acostumados com os Testes de Turing invertidos – os CAPTCHAs, onde temos que provar que não somos robôs!

Hoje em dia, máquinas de aprendizado conseguem processar uma grande base de dados e escrever textos quase humanos. Até 2020, a maior máquina de aprendizado era a Turing NLG, da Microsoft, com cerca de 17 bilhões de parâmetros. Em maio de 2020, foi lançado o GPT-3 (Generative Pre-trained Transformer-3) com incríveis 175 bilhões de parâmetros de aprendizado. Foi criado pela OpenAI ⁸, um laboratório de Inteligência Artificial sediado em São Francisco.

A OpenAI também treinou uma rede neural para criar imagens a partir de descrições textuais. Foi batizada de DALL-E, uma referência ao pintor Salvador Dali e ao filme da Pixar, WAAL E (Figura 3).

Figura 3 – Imagens criadas pela Inteligência Artificial DALL -E a partir de descrição textual – objetos reais: a) secção transversal de uma noz; b) coração humano; c) conjunto de taças – objetos surreais: d) esfera com textura de orquídeas; e) quimera tartaruga-girafa; f) poltrona-abacate (Crédito: ref. 8)

O século 21 testemunhou um crescimento assombroso da internet e, em particular, das redes sociais. Em que pesem os enormes benefícios resultantes das redes sociais, desde a rapidez da comunicação, informação e a estreita interação familiar e entre amigos, a existência das chamadas ‘Fake News’ opera, porém, no sentido oposto: desinforma, ludibria e espalha a ignorância de maneira implacável e perversa. Visando usar Inteligência Artificial para combater essa praga, criou-se o projeto PANACEA ⁹(excelente a escolha do nome) objetivando localizar informações falsas sejam elas de natureza política, climáticas (aquecimento global) ou sobre vacinação.

Necessitamos e utilizamos, cada vez mais, a Inteligência Artificial. Ela está presente na Medicina, em nossos celulares, nos aviões, automóveis, enfim, em todo lugar. O processo de dedução, supostamente humano, já está entre as máquinas. O programa de Inteligência Artificial MuZero, desenvolvido pela DeepMind ¹⁰ (Google), aprendeu a jogar xadrez sem que lhe tenha sido ensinado as regras do jogo!

No Brasil ¹¹, visando regulamentar o uso da tecnologia baseada em Inteligência Artificial, há 4 projetos na Câmara dos Deputados e 3 no Senado Federal. O mais avançado, o do deputado federal Eduardo Bismarck (PDT-CE), deve ir, em breve, à votação no plenário da Câmara. Pela proposta, os programas de Inteligência Artificial devem respeitar a privacidade (obedecendo à Lei Geral de Proteção de Dados), a segurança, a dignidade humana, a transparência, não podendo haver discriminação. Estabelece a figura do agente de Inteligência Artificial (que poderá ser tanto o desenvolvedor quanto o operador do software) que será o responsável legal pelas ações tomadas pelo algoritmo.

^*Físico, Professor Sênior do IFSC – USP

e-mail: onody@ifsc.usp.br

(Agradecimento: ao Sr. Rui Sintra da Assessoria de Comunicação)

Referências:

¹ https://pt.wikipedia.org/wiki/Alan_Turing

² https://pt.wikipedia.org/wiki/Enigma_(m%C3%A1quina)

³ https://www.youtube.com/watch?v=HeQX2HjkcNo

⁴ A. Turing, Mind vol. 49, 433 (1950)

https://doi.org/10.1093/mind/LIX.236.433

⁵ O Jogo da Imitação, filme produzido pela Black Bear Pictures, lançado em 2014, com Benedict Cumberbatch no papel de Alan Turing. O filme foca mais no papel desempenhado por Turing para desencriptar a máquina Enigma.

⁶ https://physicsworld.com/a/the-turing-test-2-0/

⁷ https://chat.kuki.ai/createaccount

⁸ https://openai.com/

⁹ https://panacea2020.github.io/about.html

¹⁰ https://www.deepmind.com/

¹¹ A. Shalders, O Estado de São Paulo, edição de 26 de setembro de 2021.

Rui Sintra – Assessoria de Comunicação – IFSC/USP

Anã Marrom – Um objeto subestelar

Figura 1 – As massas características de exoplanetas, anãs marrons e estrelas vão até 13, entre 13 e 80 e acima de 80 vezes a massa do planeta Júpiter, respectivamente (Crédito: NASA)

Por: Prof. Roberto N. Onody ^*

Pela ação da gravidade, nebulosas gigantescas de gases (na sua maioria, hidrogênio e hélio) e poeira dão origem a centenas e, às vezes, milhares de estrelas. Nesse berçário, a reação de fusão do núcleo do deutério (1 próton e 1 nêutron) com 1 próton para formar o núcleo do hélio3, é um estágio comum para as estrelas jovens – as protoestrelas. A temperatura de ignição dessa reação, gira em torno de um milhão de graus Celsius.

No Universo há pouca quantidade de deutério. Se a massa da protoestrela for muito grande, a contração gravitacional vai prevalecer sobre a expansão causada pela fusão do deutério, aumentando sua densidade e sua temperatura, até que esta atinja cerca de dez milhões de graus Celsius. Neste ponto, se inicia uma outra reação de fusão: núcleos de hidrogênio se fundem formando núcleos de hélio. A pressão de radiação, oriunda dessa reação, evita o seu colapso gravitacional. Nasce uma estrela.

Entretanto, se a massa da protoestrela for pequena o bastante e houver deutério suficiente, a contração gravitacional pode se equilibrar com a expansão provocada pela fusão de deutério. Nasce uma anã marrom.

Figura 2 – Temperaturas na superfície e idades estimadas: Sol (4,7 bilhões de anos), anã vermelha Gliese 229 A (3 bilhões de anos), anã marrom Teide 1 (jovem, 120 milhões de anos), anã marrom Gliese 229 B (velha, 3 bilhões de anos), anã marrom WISE 1828 (fria, 2 a 4 bilhões de anos) e Júpiter (4,6 bilhões de anos) (Crédito: MPIA/ V. Joergens)

Tipicamente, a massa de uma anã marrom gira em torno de 13 a 80 vezes a massa do planeta Júpiter (Figura 1). Anãs marrons mais massivas podem dar início à fusão de lítio (o núcleo do lítio mais abundante, tem 3 prótons e 4 nêutrons). Nesta reação, o núcleo de lítio se funde a 1 próton formando o Berílio8 que decai em 2 núcleos de helio4. A temperatura de ignição dessa reação é da ordem de 2,5 milhões de graus Celsius ¹.

À medida que uma anã marrom consome o deutério, ela se contrai, aumentando a densidade e a pressão. Quanto mais velha a anã marrom, menor é o seu raio. O processo de contração gravitacional continua até que se atinja as temperaturas, pressões e densidades críticas (T_c ~ 3.000 K; P_c ~ 100.000.000 atm; 10 g/cm³ < ρ_c < 1000 g/cm³). Nesse ponto, há o efeito quântico da pressão de gás de férmions degenerados. Os férmions (elétrons, prótons e nêutrons) embora fortemente comprimidos, não podem ir para níveis mais baixos de energia, devido ao Princípio de Exclusão de Pauli. Isso evita o colapso gravitacional da anã marrom.

Na superfície de uma anã marrom, a temperatura varia, em geral, de 100 a 3.700 graus Kelvin (Figura 2), num processo de resfriamento que pode levar algumas centenas de milhões de anos ou mais. As anãs marrons mais quentes têm cor laranja ou vermelho, enquanto as mais frias têm cor magenta (para o olho humano). Para uma lista de anãs marrons (última atualização em 30/08/2021) veja referência ².

A existência de anãs marrons foi teoricamente prevista pelo astrônomo norte-americano Shiv Kumar em 1962. Mas, foi somente em 1995 que houve a comprovação experimental definitiva (Figura 3). Curiosamente, essa anã marrom (batizada de Gliese 229B) foi encontrada junto a uma anã vermelha (Gliese 229A), uma estrela pequena que já tem massa suficiente para iniciar a reação de fusão do hidrogênio. Como uma anã vermelha funde hidrogênio em hélio muito lentamente, a sua expectativa de vida é muito alta – de centenas de bilhões a trilhões de anos! (mais do que a idade estimada do universo que é de 13,7 bilhões de anos). Para comparar, o nosso Sol tem 4,5 bilhões de anos de idade e expectativa de mais 5 bilhões de anos de vida. Tanto o Sol quanto as anãs vermelhas devem terminar suas vidas como anãs brancas.

Figura 3 – O sistema binário Gliese 229, composto de uma anã vermelha e uma anã marrom, está a uma distância de 19 anos-luz da Terra. A anã marrom, Gliese 229B, tem massa entre 20 a 50 vezes a massa do planeta Júpiter (Crédito: NASA/JPL)

A anã marrom mais próxima da Terra está no sistema Luhman 16 ³, a uma distância de cerca de 6,5 anos-luz (1 ano-luz é, aproximadamente, 63 mil vezes a distância Terra-Sol). Na verdade, Luhman 16 é um sistema binário composto por 2 anãs marrons. É o terceiro sistema mais próximo da Terra. O sistema estelar mais próximo da Terra é triplo – Alpha Centauri, com 2 estrelas semelhantes ao nosso Sol e uma anã vermelha. Está a uma distância de 4,37 anos-luz. Em seguida, vem outra anã vermelha – a Barnard, que se encontra a 6 anos-luz da Terra.

As anãs marrons são difíceis de serem detectadas. Tanto é assim, que mesmo a mais próxima (no sistema binário Luhman 16) só teve sua existência confirmada em 2013!

Vários fatores colaboram para essa dificuldade. As anãs marrons têm diâmetros muito pequenos, comparável aos de planetas gigantes tipo Júpiter. As temperaturas na sua superfície são bastante baixas, de modo que elas brilham muito pouco no comprimento da luz visível. A sua radiação é mais intensa no comprimento da luz infravermelha. Portanto, para que a descoberta de novas anãs marrons deslanchasse, foi antes necessário, o desenvolvimento e aprimoramento de novos dispositivos detectores no infravermelho. Isso de fato aconteceu, e veio na esteira da busca por exoplanetas. Hoje, já são conhecidos milhares de exoplanetas e anãs marrons.

O primeiro exoplaneta orbitando uma anã marrom foi detectado em 2004, através do telescópio VLT (Very Large Telescope) que fica no deserto do Atacama, Chile ⁴. Batizado de 2M1207b, ele está a aproximadamente 170 anos-luz da Terra. Sua massa foi estimada entre 3 a 10 vezes a massa de Júpiter e sua distância à anã marrom é cerca de 40 vezes a da Terra-Sol (aproximadamente, a distância Plutão-Sol).

Em 2003, a NASA lançou o seu primeiro observatório com instrumentos específicos para análise da luz infravermelha – o telescópio espacial Spitzer. Entre seus múltiplos resultados, se encontra a descoberta da anã marrom com menor período de rotação – a 2MASS J03480772-6022270 (aproximadamente, 1 rotação completa por hora).

Em 2009, a NASA lançou o satélite espacial WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) que detectou centenas de novas anãs marrons. Entre elas, dezenas de anãs marrons muito frias, incluindo a mais fria observada até hoje – a WISE 0855-0714, cuja temperatura da superfície está entre – 48 e – 13 ^oC.

Na busca por novos exoplanetas, a NASA programou 2 missões: a primeira com o telescópio espacial Kepler, que durou de 2009 a 2018 e a segunda, com o lançamento do satélite TESS ⁵ (Transiting Exoplanet Survey Satellite) em 2018. Ambas se baseiam na observação de exoplanetas quando eles estão em trânsito, isto é, passando em frente, bloqueando parcial e temporariamente, a luz estelar. Este método permite estimar o diâmetro, a massa, o período de rotação e até obter alguma informação sobre a composição atmosférica do exoplaneta.

Em 2014, astrônomos analisando cerca de 64 anãs marrons, notaram que muito poucas tinham massas entre 35 e 55 vezes a massa de Júpiter. Eles denominaram essa região de ‘deserto de anãs marrons’. Até hoje, já foram detectadas cerca de 3.000 anãs marrons, a mais distante a, aproximadamente, 23 anos-luz.  Estima-se que a nossa Via-Láctea contenha de 50 a 100 bilhões de anãs marrons.  A NASA prevê para dezembro de 2021, o lançamento do telescópio espacial James Webb ⁶, que deverá substituir o honorável Hubble (que forneceu milhares de imagens fantásticas e informações sobre o mundo em que vivemos). Então, as anãs marrons, essas estrelas que não deram certo, terão muitos dos seus segredos revelados.

^*Físico, Professor Sênior do IFSC – USP

e-mail: onody@ifsc.usp.br

(Agradecimento: ao Sr. Rui Sintra da Assessoria de Comunicação)

Referências:

¹Brown dwarf – Wikipedia

² List of brown dwarfs – Wikipedia

³ K. Luhman, Astrophysical Journal Letters. 767 (1): L1 (2013)

https://doi.org/10.1088%2F2041-8205%2F767%2F1%2FL1

⁴ G. Chauvin et al., Astronomy and Astrophysics, 425 (October 2004), pp. L29–L32

https://doi.org/10.1051%2F0004-6361%3A200400056

⁵ About TESS | NASA

⁶ James Webb Space Telescope – Webb/NASA

Rui Sintra – Assessoria de Comunicação – IFSC/USP