Искусственный интеллект открывает альтернативную физику

343

Три переменные  — энергия, масса и скорость составляют знаменитое уравнение Эйнштейна E=MC2 . Но откуда Эйнштейн вообще узнал об этих переменных? Первым шагом к пониманию физики является определение соответствующих переменных. Без концепции энергии, массы и скорости даже Эйнштейн не смог бы открыть теорию относительности. Но могут ли такие переменные обнаруживаться автоматически? Это может значительно ускорить научные открытия.

Это вопрос, который исследователи из Columbia Engineering задали новой программе искусственного интеллекта. Программа предназначена для наблюдения за физическими явлениями через видеокамеру, а затем для поиска минимального набора фундаментальных переменных, полностью описывающих наблюдаемую динамику.

Исследователи начали с подачи в систему необработанных видеозаписей явлений, ответ на которые они уже знали. Например, они предоставили видео качающегося двойного маятника, который, как известно, имеет ровно четыре «переменные состояния» — угол и угловую скорость каждого из двух рычагов. После нескольких часов анализа ИИ выдал ответ: 4.7.

«Мы думали, что этот ответ был достаточно близок», — сказал Ход Липсон, директор Creative Machines Lab, где в основном выполнялась работа. «Тем более, что все, к чему у ИИ был доступ, были необработанными видеоматериалами без каких-либо знаний физики или геометрии. Но мы хотели знать, что на самом деле представляют собой переменные, а не только их количество».

Затем исследователи приступили к визуализации фактических переменных, которые определила программа. Извлечь сами переменные было непросто, так как программа не может описать их каким-либо интуитивным способом, который был бы понятен человеку. После некоторых исследований выяснилось, что две переменные, выбранные программой, примерно соответствуют углам рычагов, но две другие остаются загадкой.

«Мы пытались сопоставить другие переменные со всем, что только можно было придумать: угловой и линейной скоростью, кинетической и потенциальной энергией и различными комбинациями известных величин», — объяснил Боюань Чен, доцент Университета Дьюка, который руководил работой. «Но ничто, казалось, не совпадало идеально». Команда была уверена, что ИИ нашел правильный набор из четырех переменных, поскольку он делал хорошие прогнозы, «но мы еще не понимаем математический язык, на котором он говорит», — пояснил он.

После проверки ряда других физических систем с известными решениями исследователи предоставили видео систем, для которых они не знали явного ответа. В первых видеороликах был показан раскачивающийся «воздушный танцор». После нескольких часов анализа программа вернула восемь переменных. Видео с лампой также дало восемь переменных. Затем они передали видеоклип пламени из камина, и программа вернула 24 переменные.

Какие переменные состояния описывают эти динамические системы?
ИИ определял переменные, которые описывают эти динамические системы.

Особенно интересный вопрос заключался в том, был ли набор переменных уникальным для каждой системы или каждый раз при перезапуске программы создавался другой набор.

«Мне всегда было интересно, если бы мы когда-нибудь встретили разумную инопланетную расу, открыли бы они те же законы физики, что и мы, или они могли бы описать вселенную по-другому?» — сказал Ход Липсон.

«Возможно, некоторые явления кажутся загадочно сложными, потому что мы пытаемся понять их, используя неправильный набор переменных. В экспериментах количество переменных было одинаковым при каждом перезапуске ИИ, но конкретные переменные каждый раз были разными. Так что да, существуют альтернативные способы описания Вселенной, и вполне возможно, что наш выбор не идеален».

Исследователи считают, что такой тип ИИ может помочь ученым раскрыть сложные явления, для которых теоретическое понимание не поспевает за потоком данных — в областях от биологии до космологии.

Работа является частью многолетнего интереса ученых к созданию алгоритмов, которые могут преобразовать данные в научные законы. Прошлые программные системы могли выводить физические законы произвольной формы из экспериментальных данных, но только в том случае, если переменные были идентифицированы заранее. Но что, если переменные еще неизвестны?

Ход Липсон утверждает, что ученые могут неправильно интерпретировать или не понимать многие явления просто потому, что у них нет хорошего набора переменных для описания явлений.

«На протяжении тысячелетий люди знали, что объекты движутся быстро или медленно, но только когда понятия скорости и ускорения были формально определены количественно, Ньютон смог открыть свой знаменитый закон движения F=MA», — отметил Липсон. Прежде чем можно было бы формализовать законы термодинамики, необходимо было определить переменные, описывающие температуру и давление, и так далее для каждого уголка научного мира. Переменные являются предшественником любой теории.

«Какие еще законы мы упускаем только потому, что у нас нет переменных?» — задаются вопросом ученые.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Computational Science.

Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии