Lumina vizibilă înseamnă fotoni, particule aproape perfecte: nu au masă de repaus (pentru că nu pot exista în repaus) și circulă cu viteza maximă permisă în Univers, trei sute de mii de metri pe secundă. Tot ce vezi se datorează luminii reflectate, refractate, transmise sau dispersate de suprafețele obiectelor. Dar poți să vezi și cu ajutorul electronilor. Ai nevoie de un microscop cu electroni, un dispozitiv a cărui poveste începe în 1883, prin Heinrich Hertz.

Electronii sînt particule subatomice elementare: nu se pot descompune, iar comportamentul lor se înțelege cu ecuații fundamentale din mecanica cuantică, precum ecuația lui Schrödinger. Fenomenele cuantice au început să fie studiate riguros de fizicieni și matematicieni acum exact un secol, iar de cîțiva ani, cercetători și ingineri de la companii ca IBM, Google sau Microsoft au construit computere care funcționează după principii cuantice. Procesoarele nu mai funcționează pe bază de semiconductori ca siliciu, ci se bazează pe supraconductivitate și alte fenomene complexe, greu de controlat, motiv pentru care nu o să vezi un astfel de computer în sufrageria ta prea curînd.

Dar o echipă de români din Miercurea Ciuc a dezvoltat un joc prin care simulează funcționarea procesoarelor din computere cuantice. Jocul îți propune mai multe puzzle-uri, a căror soluție necesită o gîndire diferită de algoritmica obișnuită: trebuie să gîndești cuantic.

Fizica cuantică și toate ciudățeniile sale se studiază în clasa a douăsprezecea, dar nu este inclusă în materia de bacalaureat. În an terminal, interesul elevilor oricum nu este prea mare, iar profesorii, la rîndul lor, își dau seama că materia necesită baze matematice și imaginație care pot fi o provocare. O soluție ar fi să apeleze la inteligența artificială pentru planificarea lecțiilor, astfel încît să acopere strictul necesar din programa școlară.

Un studiu avertizează, însă, că dacă lași AI-ul să-ți facă planul de lecție, indiferent de materie sau clasă, elevii nu vor fi stimulați să învețe. Astfel de lecții nu încurajează gîndirea critică și nici nu stimulează elevii să descopere, să pună întrebări și să înțeleagă fenomenele. În schimb, le servesc informații de-a gata, cu un ton de autoritate, pe care puțini îl chestionează, chiar și cînd știu că AI-ul încă mai halucinează.

Îți recomand în continuare trei articole pe care să le citești în jurul acestor subiecte. Textul de față continuă seria începută luna trecută.

Vederea electronică

Unul dintre cele mai surprinzătoare lucruri legate de lumea cuantică este că „particulele” subatomice de fapt se pot comporta simultan ca mici corpuri, dar și ca oscilații sau unde. Teoria de dualitate undă-corpuscul, cum se numește riguros, a fost una dintre descoperirile care i-au adus lui Einstein premiul Nobel în 1905. De atunci, fizicienii și matematicienii au înțeles că, la scară subatomică și la viteze comparabile cu viteza luminii, electronii, protonii, fotonii și alte particule de acest nivel trebuie să fie studiate atît cu teoria undelor — precum electromagnetismul sau sunetele —, cît și cu mecanica particulelor, într-o variantă modificată a mecanicii lui Newton.

Electronii se organizează în jurul atomilor și se pot scoate ușor. Știi de la chimie că legăturile între atomi în molecule se pot face prin „împrumut” de electroni sau poate îți amintești de procesul de ionizare, prin care un atom primește sau cedează electroni și devine ion negativ sau pozitiv. În plus, electronii sînt responsabili și de apariția curentului electric, lucru care i-a făcut să fie folosiți în experimente cu mult înaintea descoperirii efectelor cuantice.

Heinrich Hertz, unul dintre părinții teoriei undelor (al cărui nume a devenit unitatea de măsură a frecvenței), a arătat în 1883, că un fascicul de electroni, o „rază” alcătuită din astfel de particule, se poate direcționa cu ajutorul electricității. În 1926, fizicianul german Hans Busch construiește primul dispozitiv care se comportă ca o lentilă, doar că funcționează pe bază de electroni, nu de fotoni (lumină). „Lentila electronică” focaliza „raza de electroni” la fel cum o fac lentilele ochelarilor.

Drumul a fost, practic, deschis, iar în 1931, Max Knoll și Ernst Ruska au construit în întregime dispozitivul care să mărească asemenea unui microscop, dar care să funcționeze cu electroni. Cei doi au primit premiul Nobel tocmai în 1986, cînd construcția și utilizarea microscoapelor cu electroni se făceau pe scară largă.

În afară de manipularea ușoară a fasciculelor de electroni, cu ansambluri de tuburi catodice (similare cu cele pe care le aveau televizoarele și monitoarele din anii `90, construite după tehnologia CRT, Cathodic Ray Tube), microscoapele electronice au încă un avantaj tehnic major. Lumina vizibilă este doar un fragment foarte mic din spectrul total al fotonilor. De aceea, un microscop obișnuit, care funcționează cu lumină, deci cu fotoni, este forțat să folosească doar un interval mic de frecvențe, cele din spectrul vizibil. Dar electronii nu au această limitare: oricum nu-i vezi, așa că imaginea produsă de un microscop electronic apare pe un ecran. Asta înseamnă că poți să folosești electroni cu frecvențe și viteze oricît de mici sau mari, motiv pentru care microscopul electronic poate să îți arate imagini de pînă la 0,1 nanometri (sau 10^-10 metri), în timp ce microscopul optic se limitează pe la 100 nanometri (sau 10^-7 metri).

Asimov este o companie de biotehnologie, care publică un newsletter sub titlul Asimov Press. Printre articolele lor, găsești și istoria microscopului electronic, detaliată, științifică, dar accesibilă. Alte articole ale lor pe care le mai recomand sunt despre transplantul hepatic, istoria operației de cataractă sau cum să cîntărești o celulă.

Gândirea cuantică

Logica din computerele pe care le folosim se bazează pe o electronică binară: 0 și 1. Procesoarele, memoriile și alte componente care „gîndesc” în dispozitivele care ne înconjoară folosesc curentul electric la anumite valori-limită ale intensității sau tensiunii. Dacă în circuit se stabilește o tensiune de 1 volt, atunci componentele (diodele, tranzistorii și alte minuni ale electronicii digitale) îl lasă să treacă. Orice valoare mai mică de 1 volt este respinsă, ca și cum nu ar exista deloc curent. Aici este cheia comportamentului binar din electronica digitală: 0 sau 1, „nu” sau „da” arată dacă tensiunea din circuit are sau nu valoarea de 1 V.

După ce trece de o astfel de „poartă de verificare”, curentul poate să întîlnească o alta, apoi o alta și așa mai departe, încît dacă ajunge la destinația finală, să poți ști că la toate verificările intermediare, a primit „da”. Din punctul de vedere al logicii, asta înseamnă că dacă ultimul răspuns a fost „da”, atunci primul și al doilea și al treilea..., toate au dat răspunsuri afirmative; deci circuitul funcționează ca o conjuncție logică. Propoziția „P și Q” este adevărată numai dacă individual, P și Q sînt adevărate. Propoziția compusă „Este anul 2053 și citești asta online” este falsă, pentru că doar una dintre cele două componente este adevărată.

Inginerii și fizicienii au alcătuit astfel de porți logice care să exprime și alte tipuri de propoziții compuse: disjuncția („sau”), implicația („dacă...atunci”), negația și multe altele. Astfel, prin simpla reglare a valorii curentului, care este interogată la fiecare etapă și verificată dacă încă mai are valoarea de prag de 1 V, dispozitivul se comportă ca și cum ar „ști logică”.

Lucrurile funcționează așa de mai bine de o jumătate de secol și totul se bazează pe logica binară sau terțul exclus, anume pe faptul că o propoziție trebuie să fie ori adevărată, ori falsă. Mă refer, desigur, la propozițiile ce se pot exprima în termeni matematici sau computaționali, nu la cele din limbajul comun. De exemplu, pentru orice valoare a unui număr real x, propoziția „x > 3” are o valoare de adevăr precisă: este fie adevărată, fie falsă.

Dar odată cu revoluția cuantică de acum un secol, și datorită inclusiv comportamentului neclar al particulelor subatomice — care sînt și particule, și unde, un fenomen cunoscut ca superpoziție cuantică —, a devenit clar că natura poate să exprime ambiguitate. Așa că, în loc de porți logice care să se deschidă doar la valori de 1 V, circuitele pot să funcționeze cu porți care sînt trei sferturi închise și un sfert deschise, de exemplu.

Am simplificat semnificativ, dar unul dintre principiile de funcționare a computerelor cuantice este acesta: în locul porților logice cu care se înregistrează doar logica binară, 0 sau 1, „nu” sau „da”, adică biți, dispozitivele cuantice folosesc qubiți — un cuvînt inventat, provenit de la quantum bits. Ei nu mai au doar valori de 0 sau 1, ci și superpoziții, ambiguități, valori intermediare.

Quarks Interactive este o companie românească, din Miercurea Ciuc, care și-a propus să educe publicul larg despre funcționarea computerelor cuantice cu ajutorul unui joc video. La începutul acestui an, au lansat Quantum Odyssey, un joc plin de puzzle-uri, pentru care trebuie să gîndești ca un procesor cuantic. Pe lîngă astfel de provocări, jocul conține și o poveste în fundal, în care apar concepte fundamentale de matematică și fizică cuantică (spații Hilbert, vectori și valori proprii, funcții complexe), dar și cercetători binecunoscuți (Albert Einstein, Richard Feynman, Niels Bohr).

Dar Quarks Interactive nu este o companie de jocuri. Directorul executiv, Laurențiu Niță, este fizician la Universitate Durham, din Marea Britanie, și a publicat un articol de cercetare despre „alfabetizarea cuantică” a publicului larg, adică educația accesibilă în ce privește fenomenele cuantice și, în particular, funcționarea computerelor cuantice. Pentru acest obiectiv, Quarks Interactive au primit finanțare și susținere de la companii ca Microsoft sau IBM și finanțare europeană.

Cînd AI-ul îți dă o lecție

Munca unui profesor are loc, în cea mai mare parte, în afara orelor de la clasă. Nu mă refer la meditații sau lecții private, ci la pregătirea lecțiilor, analiza evaluărilor și planificare în consecință. La fel cum artiștii repetă zeci de ore pentru un spectacol de o oră, și profesorii planifică îndelungat lecții pe care le prezintă în 30 sau 45 de minute. Și dacă ții cont de rigiditatea programei școlare, care, cel puțin în România, pare că nu lasă mult loc de creativitate sau flexibilitate, un profesor dedicat educației înțelege că este important și cum prezinți lecția, deși conținutul trebuie să atingă puncte-cheie.

Planul de lecție include tocmai aceste momente prin care profesorul poate să modifice semnificativ prezentarea unei noțiuni din programă. De exemplu, o lecție de geometrie trebuie să atingă puncte fundamentale, ca înțelegerea formelor poligoanelor regulate, calculul perimetrului și al ariei. Dar la aceleași obiective poți să ajungi și cu un desen abstract pe tablă despre care spui „acesta este un triunghi echilateral de latură l = 12 cm”, și cu exemple din natură, artă, arhitectură sau bricolaj.

În criza permanentă de timp pe care o traversează profesorii, între lecții, evaluări, activitate administrativă și multe altele pe care nu le vedem, orice economie de cîteva ore înseamnă enorm. Un studiu Gallup arată că 60% dintre profesorii din SUA de nivel K-12 (adică din întreg învățămîntul preuniversitar, de la grădiniță la clasa a 12-a) folosesc inteligența artificială în activitatea didactică, inclusiv în planificarea lecțiilor.

Totuși, oricine a întrebat un chatbot pe o temă de la școală a văzut în ce stil răspunde LLM-ul. Rezumate fragmentate, pline de emoji-uri, cu cîteva ecuații și formule, dacă ai noroc, și eventual cu o întrebare la final prin care îți propune să ducă discuția într-o altă direcție, adesea diferită de ce te gîndiseși tu. Tonul este autoritar, fără ezitări: AI-ul știe; chiar și cînd halucinează sau greșește, o face cu siguranță.

Nu e nicio surpriză, atunci, să afli că un plan de lecție făcut de AI nu încurajează gîndirea proprie, ci memorarea și recitarea de formule. Un studiu prezentat de revista Ars Technica a analizat 311 planuri de lecție generate de diverse modele de inteligență artificială pentru o materie ca educația civică. Conținutul educațional a fost evaluat cu metoda lui Bloom, dezvoltată de Benjamin Bloom, psiholog al educației, care s-a ocupat de înțelegerea obiectivelor educaționale la niveluri diferite ale educației.

Rezultatele au fost categorice: lecțiile generate de AI sunt plictisitoare, tradiționale în sensul încurajării memorării în defavoarea înțelegerii, cu lipsă de implicare activă a elevilor. Altfel spus, AI-ul ar fi pregătit elevi după chipul și asemănarea sa: siguri pe ei, de la înălțimea cunoașterii superficiale, fără să invite la dialog autentic și fără să stimuleze descoperirea. Răspunsurile vin de-a gata, iar așa-zisa „învățare ghidată” din funcții ca Study Mode al ChatGPT este doar o cursă cu obstacole constrînsă, nu condusă de un profesor.

Totuși, studiul menționează că folosirea inteligenței artificiale în procesul educațional, inclusiv în planificarea lecțiilor, nu este cu totul de evitat. Printre sugestiile AI-ului poți să găsești idei valoroase, dar ține de pregătirea și experiența profesorului să le adapteze.

Ca profesor, interacționez cu elevi și studenți zilnic, de peste cincisprezece ani și cred că o astfel de concluzie se potrivește tuturor uneltelor educaționale, dar cu atît mai mult celor digitale, în special Internetului și AI-ului. Dar între rolul de unealtă și cel de înlocuitor e o graniță nepermisă. La fel cum elevii care copiază o temă de pe Internet, de la un coleg sau de la ChatGPT nu contribuie cu nimic la propria educație și prezintă un rezultat extern, pe care nu l-au înțeles sau abia dacă l-au citit, la fel și profesorii care folosesc resurse educaționale generate de inteligența artificială fără să le analizeze și să le adapteze claselor și abilităților proprii nu educă. Încurajează memorarea (uneori, de informații greșite), fără gîndire critică și fără un context care să facă noțiunile de înțeles, nu doar de învățat pe de rost.

Mulțumesc pentru lectură! Postările de pe Gradient vor fi mereu disponibile gratuit. Dacă ai aflat ceva util sau ți-a plăcut ce ai citit, poți susține publicația printr-o distribuire, un abonament sau o contribuție singulară.