Tất cả các định luật vật lý có thể được thể hiện bằng toán học dưới dạng kết nối giữa các biến trạng thái. Tập hợp các biến này cung cấp một mô tả toàn diện và không dư thừa về hệ thống hiện tại. Quá trình thực tế để phát hiện các biến trạng thái ẩn đã thách thức tự động hóa, bất chấp khả năng xử lý và tính khả dụng của trí thông minh nhân tạo.
Hầu hết các phương pháp hướng dữ liệu để mô hình hóa các hiện tượng vật lý vẫn dựa trên giả định rằng các biến trạng thái liên quan đã được biết trước. Một câu hỏi lâu nay là liệu nó có thể xác định các biến trạng thái chỉ từ dữ liệu quan sát chiều cao hay không.
Các nhà khoa học tại Columbia Engineering đã đề xuất một nguyên tắc để xác định có bao nhiêu biến trạng thái mà một hệ thống quan sát có thể có và những biến này có thể là gì. Họ đã thiết kế một chương trình AI mới để quan sát các hiện tượng vật lý thông qua máy quay video và sau đó cố gắng tìm kiếm một tập hợp tối thiểu các biến cơ bản mô tả đầy đủ các động lực quan sát được.
Hod Lipson, giám đốc Phòng thí nghiệm Máy móc Sáng tạo tại Khoa Cơ khí, cho biết, “Chúng tôi nghĩ rằng câu trả lời này đã đủ gần. Đặc biệt là vì tất cả những gì AI có quyền truy cập đều là những đoạn phim thô, không có bất kỳ kiến thức nào về vật lý hoặc hình học. Nhưng chúng tôi muốn biết các biến số, không chỉ số lượng của chúng. "
Các nhà khoa học sau đó hình dung các biến thực tế mà chương trình đã xác định. Vì chương trình không thể diễn đạt các biến bằng bất kỳ ngôn ngữ trực quan nào mà con người có thể truy cập được, nên việc trích xuất bản thân các biến là một thách thức. Sau khi điều tra đáng kể, nó chỉ ra rằng hai trong số các biến mà máy tính chọn khớp với góc của cánh tay, nhưng hai biến còn lại vẫn chưa được biết.
Tiến sĩ Boyuan Chen '22, một trợ lý giáo sư tại Đại học Duke, cho biết, “Chúng tôi đã thử tương quan các biến số khác với bất cứ thứ gì và mọi thứ chúng tôi có thể nghĩ đến: vận tốc góc và tuyến tính, động năng và thế năng, và sự kết hợp của các đại lượng đã biết. Nhưng dường như không có gì phù hợp hoàn hảo. Chúng tôi tự tin rằng AI đã tìm thấy một bộ bốn biến tốt vì nó đưa ra những dự đoán tốt, nhưng chúng tôi chưa hiểu ngôn ngữ toán học mà nó đang nói. "
Do đó, họ đã xác nhận một số hệ thống vật lý khác với các giải pháp đã biết. Họ cung cấp video về các hệ thống mà họ không biết câu trả lời rõ ràng. Các video đầu tiên có hình ảnh một “vũ công trên không” đang nhấp nhô trước một bãi xe đã qua sử dụng tại địa phương. Sau một vài giờ phân tích, chương trình trả về 8 biến. Một video về đèn Lava cũng tạo ra 8 tám biến. Sau đó, họ cung cấp một đoạn video về ngọn lửa từ vòng lặp lò sưởi trong kỳ nghỉ và chương trình trả về 24 biến.
Lipson nói, “Tôi luôn tự hỏi liệu chúng ta đã từng gặp một chủng tộc người ngoài hành tinh thông minh chưa, liệu họ có khám phá ra các định luật vật lý giống như chúng ta hay họ có thể mô tả vũ trụ theo cách khác không?”
“Có lẽ một số hiện tượng có vẻ phức tạp một cách bí ẩn bởi vì chúng tôi đang cố gắng hiểu chúng bằng cách sử dụng sai tập hợp các biến. Trong các thử nghiệm, số lượng biến giống nhau mỗi khi AI khởi động lại, nhưng các biến cụ thể khác nhau. Vì vậy, có, có nhiều cách khác nhau để mô tả vũ trụ, và rất có thể những lựa chọn của chúng ta không hoàn hảo ”.
Loại AI này có thể giúp các nhà khoa học làm sáng tỏ các hiện tượng phức tạp mà sự hiểu biết lý thuyết không theo kịp với lượng dữ liệu khổng lồ — các lĩnh vực từ sinh học đến vũ trụ học.
Tiến sĩ Kuang Huang '22, người đồng tác giả bài báo, nói, “Trong khi chúng tôi sử dụng dữ liệu video trong công việc này, bất kỳ nguồn dữ liệu mảng nào cũng có thể được sử dụng — ví dụ như mảng radar hoặc mảng DNA”.
Lipson lập luận rằng "Các nhà khoa học có thể giải thích sai hoặc không hiểu nhiều hiện tượng đơn giản vì họ không có một tập hợp các biến tốt để mô tả chúng."
“Trong nhiều thiên niên kỷ, con người đã biết về các vật thể chuyển động nhanh hay chậm, nhưng chỉ khi khái niệm vận tốc và gia tốc được định lượng một cách chính thức thì Newton mới có thể khám phá ra định luật chuyển động F = MA nổi tiếng của mình.”
“Các biến số mô tả nhiệt độ và áp suất cần được xác định trước khi các định luật nhiệt động lực học có thể được chính thức hóa, và như vậy đối với mọi ngóc ngách của thế giới khoa học. Các biến số là tiền thân của bất kỳ lý thuyết nào ”.
Tạp chí tham khảo:
- Chen, B., Huang, K., Raghupathi, S. và cộng sự. Tự động khám phá các biến cơ bản ẩn trong dữ liệu thử nghiệm. Khoa học máy tính Nat 2, 433–442 (năm 2022). DOI: 10.1038/s43588-022-00281-6
