Енергия, маса, скорост. Тези три променливи съставляват знаменитото уравнение на Айнщайн E=mc². Но откъде Айнщайн е знаел за тези понятия? Предхождаща стъпка към разбирането на физиката е установяването на съответните променливи. Без понятията енергия, маса и скорост дори Айнщайн не би могъл да открие относителността. Но могат ли тези променливи да бъдат открити автоматично? Това би могло значително да ускори научните открития.
Това е въпросът, който изследователи от Колумбийския университет задават на нова програма за изкуствен интелект. Програмата е създадена да наблюдава физични явления чрез видеокамера, след което се опитва да търси минималния набор от фундаментални променливи, които напълно да описват наблюдаваната динамика. Изследването е публикувано на 25 юли в Nature Computational Science.
Изследователите започват, като подават на системата необработени видеозаписи на явления, за които вече знаят отговора. Например подават видеозапис на двойно махало, за което се знае, че има точно четири "променливи на състоянието" - ъгълът и ъгловата скорост на всяко от двете рамена. След няколко часа анализ изкуственият интелект дава отговор: 4.7.
Изображението показва хаотична динамична система на люлеещо се махало в движение. Целта на работата е да се идентифицира и извлече минималният брой променливи на състоянието, необходими за директно описание на такава система от високодименсионални видеоматериали. Кредит: Yinuo Qin/Columbia Engineering
"Сметнахме, че този отговор е достатъчно близък", разказва Ход Липсън (Hod Lipson), директор на Лабораторията за креативни машини в катедрата по машинно инженерство, където е извършена основната работа. "Особено като се има предвид, че единственото, до което изкуственият интелект е имал достъп, са необработени видеоматериали, без никакви познания по физика или геометрия. Но искахме да знаем какви всъщност са променливите, а не само техния брой".
Боюен Чън обяснява как новата програма за изкуствен интелект наблюдава физични явления и разкрива съответните променливи – необходим предшественик на всяка теория на физиката. Кредит: Boyuan Chen/Columbia Engineering
След това изследователите пристъпват към визуализиране на реалните променливи, които програмата е идентифицирала. Извличането на самите променливи не е лесно, тъй като програмата не може да ги опише по интуитивен начин, който би бил разбираем за хората. След известни опити се оказало, че две от променливите, които програмата е избрала, до голяма степен съответстват на ъглите на раменете, но другите две остават загадка.
"Опитахме се да съпоставим другите променливи с всичко, за което се сетихме: ъглови и линейни скорости, кинетична и потенциална енергия и различни комбинации от известни величини", обяснява д-р Боюен Чън (Boyuan Chen), понастоящем доцент в Университета Дюк, който ръководи работата. "Но нищо не съвпадаше идеално." Екипът е уверен, че изкуственият интелект е намерил валиден набор от четири променливи, тъй като прави добри прогнози, "но все още не разбираме математическия език, на който говори", отбелязва Чън.
След като потвърждават редица други физични системи с известни решения, изследователите подават видеоклипове на системи, за които не знаят еднозначния отговор. Първите видеоклипове включват "въздушен танцьор" (надуваема фигура, състояща се от секции от тръби - първата фигура), който вълнообразно се движи пред местна автокъща за употребявани автомобили. След няколко часа анализ програмата връща осем променливи. Видеоклип с лава лампа (в средата) също дава осем променливи. След това подават видеоклип с пламъци от камина и програмата връща 24 променливи.
Особено интересен е въпросът дали наборът от променливи е уникален за всяка система, или при всяко рестартиране на програмата се получава различен набор.
"Винаги съм се чудил, ако някога срещнем интелигентна извънземна раса, дали тя ще открие същите физични закони като нас, или ще опише Вселената по различен начин?" - коментира Липсън. "Може би някои явления изглеждат загадъчно сложни, защото се опитваме да ги разберем, използвайки грешен набор от променливи. В експериментите броят на променливите е бил един и същ при всяко рестартиране на изкуствения интелект, но конкретните променливи са били различни всеки път. Така че да, има алтернативни начини за описване на Вселената и е напълно възможно изборът ни да не е съвършен."
Изследователите смятат, че този вид изкуствен интелект може да помогне на учените да разкрият сложни явления, за които теоретичната представа не е в крак с потока от данни - области, вариращи от биологията до космологията.
"Въпреки че в тази работа използвахме видео данни, може да се използва всякакъв вид източник на масиви от данни - например радарни масиви или ДНК масиви", обяснява д-р Куан Хуан (Kuang Huang), който е съавтор на статията.
Ход Липсън обяснява как програмата за изкуствен интелект е успяла да открие нови физически променливи. Кредит: Hod Lipson/Columbia Engineering
Работата е част от десетилетния интерес на Липсън и професора по математика от фондация "Фу" Цян Ду (Qiang Du) към създаването на алгоритми, които могат да преработват данни в научни закони. Предишни софтуерни системи, като например софтуерът Eureqa на Липсън и Майкъл Шмидт (Michael Schmidt), е можел да извлече свободно формулирани физически закони от експериментални данни, но само ако променливите са били предварително определени. Но какво става, ако променливите са все още неизвестни?
Липсън и колегите му твърдят, че учените може да тълкуват погрешно или да не разбират много явления, просто защото не разполагат с добър набор от променливи, които да описват явленията.
"В продължение на хилядолетия хората са знаели, че обектите се движат бързо или бавно, но едва когато понятието за скорост и ускорение е било официално количествено определено, Нютон е могъл да открие известния си закон за движението F=ma", отбелязва Липсън.
Променливите, описващи температурата и налягането, трябваше да бъдат идентифицирани, преди да бъдат формулирани законите на термодинамиката, и така нататък за всяко кътче от научния свят. Променливите са предшественик на всяка теория.
"Какви други закони пропускаме просто защото нямаме променливите?", коментира Цян Ду, който е един от ръководителите на работата.
Справка: Boyuan Chen et al, Automated discovery of fundamental variables hidden in experimental data, Nature Computational Science (2022). DOI: 10.1038/s43588-022-00281-6
Източник: Roboticists discover alternative physics
Holly Evart, Columbia University School of Engineering and Applied Science
Още по темата
Физика
Експеримент показа, че неутронът не прескача в „огледалния свят“. Аномалията на неутронния живот остава неразрешена
Физика
Нова и изненадваща двойственост е открита във физиката на елементарните частици
Физика
Най-прецизното досега измерване на продължителността на живота на неутрона
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари