3.7: Sistemas de Símbolos Físicos

Las máquinas lógicas de propósito especial habían sido desarrolladas por filósofos a finales del siglo XIX (Buck & Hunka, 1999; Jevons, 1870; Marquand, 1885). Sin embargo, las descripciones abstractas de cómo los dispositivos podían realizar la manipulación de símbolos de propósito general no surgieron hasta la década de 1930 (Post, 1936; Turing, 1936). Las propiedades básicas establecidas en estas teorías matemáticas de la computación definen lo que ahora se conoce como un sistema de símbolos físicos (Newell, 1980; Newell & Simon, 1976). El concepto sistema de símbolos físicos define “una amplia clase de sistemas que es capaz de tener y manipular símbolos, pero también es realizable dentro de nuestro universo físico” (Newell, 1980, p. 136).

Un sistema de símbolos físicos opera sobre un conjunto finito de tokens físicos llamados símbolos. Estos son componentes de una entidad física más grande llamada estructura de símbolo o expresión simbólica. También consiste en un conjunto de operadores que pueden crear, modificar, duplicar o destruir símbolos. También se requiere algún tipo de control para seleccionar en un momento dado alguna operación a aplicar. Un sistema de símbolos físicos produce, con el tiempo, una colección evolutiva o cambiante de expresiones. Estas expresiones representan o designan entidades en el mundo (Newell, 1980; Newell & Simon, 1976). Como resultado, las manipulaciones de símbolos realizadas por dicho dispositivo permiten derivar nuevos significados, de la misma manera que se llega a nuevos conocimientos en las pruebas descubiertas por los logísticos y matemáticos (Davis & Hersh, 1981).

Las teorías abstractas que describen los sistemas de símbolos físicos no se desarrollaron en artefactos de trabajo hasta casi el punto medio del siglo XX. “Nuestros conocimientos más profundos sobre el procesamiento de la información se lograron en los años treinta, antes de que surgieran las computadoras modernas. Es un homenaje al genio de Alan Turing” (Newell & Simon, 1976, p. 117). La primera computadora digital fue la Z3, inventada en Alemania en 1941 por Konrad Zuse (1993). En Estados Unidos, las primeras computadoras fueron ENIAC de la Universidad de Pensilvania (creada 1943-1946) y EDVAC (creada 1945—1950), MARK I de Harvard (creada en 1944) y la computadora IAS o von Neumann de Princeton (creada 1946—1951) (Burks, 2002; Cohen, 1999). La primera computadora británica fue “Baby” de la Universidad de Manchester, la máquina experimental a pequeña escala (SSEM) que se activó por primera vez en junio de 1948 (Lavington, 1980).

Aunque los detalles específicos varían de una máquina a otra, todas las computadoras digitales comparten tres características generales (von Neumann, 1958). Primero, tienen una memoria para el almacenamiento de estructuras simbólicas. En lo que ahora se conoce como la arquitectura von Neumann, se trata de una memoria de acceso aleatorio (RAM) en la que se puede acceder inmediatamente a cualquier ubicación de memoria, sin tener que desplazarse por otras ubicaciones, como en una máquina Turing, utilizando la dirección de la memoria. Segundo, cuentan con un mecanismo separado de la memoria que es responsable de las operaciones que manipulan las estructuras simbólicas almacenadas. Tercero, cuentan con un controlador para determinar qué operación realizar en un momento dado. En la arquitectura von Neumann, el mecanismo de control impone el procesamiento en serie, ya que solo se realizará una operación a la vez.

Quizás el primer ejemplo de control en serie son las tarjetas perforadas del siglo XIX utilizadas para gobernar los patrones en seda que fueron tejidos por el telar de Joseph Marie Jacquard (Esinger, 2004). Durante el tejido, en cada pasada de la lanzadera del telar, los agujeros en una tarjeta permitieron mover algunas barras de control de hilo. Cuando una varilla se movió, se elevó el hilo que controlaba; esto provocó que el hilo fuera visible en esa fila del patrón. Se creó una secuencia de tarjetas uniendo tarjetas de extremo a extremo. Cuando esta “cadena” se adelantó a la siguiente carta, las varillas se alterarían para crear el aspecto apropiado para la siguiente fila del patrón de seda.

El uso de tarjetas perforadas convirtió el telar Jacquard en una especie de máquina universal: se cambió el patrón que se producía no cambiando el telar, sino simplemente cargándolo con un juego diferente de tarjetas perforadas. Así, Jacquard no sólo inventó un nuevo telar, sino que también inventó la idea de utilizar un programa para controlar las acciones de una máquina. El programa de Jacquard fue, por supuesto, una secuencia de tarjetas perforadas. Su potencial para ser aplicado a los dispositivos informáticos en general fue reconocido por el pionero de la informática Charles Babbage, quien se inspiró en la invención de Jacquard (Esinger, 2004).

A finales de la década de 1950, se volvió convencional cargar el programa, entonces conocido como el “código corto” (von Neumann, 1958), en la memoria. Esto se llama control almacenado en memoria; la primera computadora moderna en utilizar este tipo de control fue “Baby” de Manchester (Lavington, 1980). En el Capítulo 2 vimos un ejemplo de este tipo de control en la máquina universal Turing, cuya memoria de cinta teletipo contiene tanto los datos a manipular como la descripción de una máquina Turing de propósito especial que hará la manipulación. La máquina universal Turing utiliza la descripción para permitirle pretender ser la máquina específica que se define en su cinta (Hodges, 1983).

En un sistema de símbolos físicos que emplea control almacenado en memoria, las características internas variarán con el tiempo. Sin embargo, la escala temporal de estos cambios no será uniforme (Newell, 1990). Los datos que se almacenan en la memoria probablemente cambiarán rápidamente. Sin embargo, se esperaría que alguna información almacenada, en particular, el código corto, o lo que los científicos cognitivos llamarían la máquina virtual (Pylyshyn, 1984, 1991), que controla el procesamiento sea más persistente. El control almacenado en memoria a su vez elige qué operación arquitectónica invocar en un momento dado. En una computadora digital, no se esperaría que la arquitectura variara a lo largo del tiempo en absoluto porque es fija, es decir, literalmente integrada en el dispositivo informático.

Las diferentes características de un sistema de símbolos físicos proporcionan un vínculo directo a los múltiples niveles de investigación que fueron el tema del Capítulo 2. Cuando un dispositivo de este tipo opera, está computando alguna función o resolviendo algún problema de procesamiento de información. Describir este aspecto del sistema es el papel de un análisis computacional. El cálculo que se lleva a cabo es controlado por un algoritmo: el programa almacenado en la memoria. Contabilizar este aspecto del sistema es el objetivo de un análisis algorítmico. En última instancia, un programa almacenado da como resultado que el dispositivo ejecute una operación primitiva en una expresión simbólica almacenada en la memoria. Identificar los procesos y símbolos primitivos es el dominio de un análisis arquitectónico. Debido a que el dispositivo es un sistema de símbolos físicos, los procesos primitivos y los símbolos deben realizarse físicamente. Detallar la naturaleza física de estos componentes es el objetivo de un análisis implementacional.

La invención de la computadora digital fue necesaria para el advenimiento de la ciencia cognitiva clásica. Primero, las computadoras son manipuladores de símbolos generales. Su existencia demostró que los dispositivos finitos podían generar un potencial infinito de comportamiento simbólico, y así apoyar una alternativa materialista al dualismo cartesiano. En segundo lugar, las características de las computadoras, y de las teorías abstractas de la computación que llevaron a su desarrollo, a su vez dieron como resultado la noción general de sistema de símbolos físicos, y los múltiples niveles de investigación que dichos sistemas requieren.

El eslabón final de la cadena que conecta las computadoras a la ciencia cognitiva clásica es la suposición lógica de que la cognición es una manipulación de símbolos regida por reglas del tipo que un sistema de símbolos físicos está diseñado para llevar a cabo. Esto produce la hipótesis del sistema de símbolos físicos: “la condición necesaria y suficiente para que un sistema físico exhiba una acción inteligente general es que sea un sistema de símbolos físicos” (Newell, 1980, p. 170). Por necesario, Newell quiso decir que si un artefacto exhibe inteligencia general, entonces debe ser una instancia de un sistema de símbolos físicos. Por suficiente, Newell afirmó que cualquier dispositivo que sea un sistema de símbolos físicos puede configurarse para exhibir una acción inteligente general, es decir, afirmó la verosimilitud de la inteligencia artificial, posición que Descartes negó.

¿Qué quiso decir Newell (1980) con acción inteligente general? Él quiso decir,

el mismo alcance de la inteligencia visto en la acción humana: que en situaciones reales puede ocurrir un comportamiento apropiado a los fines del sistema y adaptativo a las demandas del entorno, dentro de algunos límites físicos. (Newell, 1980, p. 170)

En otras palabras, la cognición humana debe ser producto de un sistema de símbolos físicos. Así, la cognición humana debe explicarse adoptando todos los diferentes niveles de investigación que se describieron en el Capítulo 2.