Όλοι οι νόμοι της φυσικής μπορούν να εκφραστούν μαθηματικά ως συνδέσεις μεταξύ μεταβλητών κατάστασης. Αυτό το σύνολο μεταβλητών παρέχει μια ενδελεχή και μη περιττή περιγραφή του συστήματος. Η πραγματική διαδικασία ανίχνευσης των κρυφών μεταβλητών κατάστασης έχει αψηφήσει τον αυτοματισμό, παρά την ισχύ επεξεργασίας και τη διαθεσιμότητα τεχνητής νοημοσύνης.
Οι περισσότερες μέθοδοι που βασίζονται σε δεδομένα για τη μοντελοποίηση φυσικών φαινομένων εξακολουθούν να βασίζονται στην υπόθεση ότι οι σχετικές μεταβλητές κατάστασης είναι ήδη γνωστές. Ένα μακροχρόνιο ερώτημα είναι εάν μπορεί να αναγνωρίσει μεταβλητές κατάστασης μόνο από δεδομένα παρατήρησης υψηλών διαστάσεων.
Οι επιστήμονες της Columbia Engineering πρότειναν μια αρχή για τον προσδιορισμό του πόσες μεταβλητές κατάστασης είναι πιθανό να έχει ένα παρατηρούμενο σύστημα και ποιες μπορεί να είναι αυτές οι μεταβλητές. Σχεδίασαν ένα νέο πρόγραμμα AI για την παρατήρηση φυσικών φαινομένων μέσω μιας βιντεοκάμερας και στη συνέχεια προσπαθούν να αναζητήσουν ένα ελάχιστο σύνολο θεμελιωδών μεταβλητών που περιγράφουν πλήρως την παρατηρούμενη δυναμική.
Ο Hod Lipson, διευθυντής του Creative Machines Lab στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, είπε: «Πιστεύαμε ότι αυτή η απάντηση ήταν αρκετά κοντινή. Ειδικά δεδομένου ότι το μόνο που είχε πρόσβαση η τεχνητή νοημοσύνη ήταν ακατέργαστο υλικό βίντεο, χωρίς καμία γνώση φυσικής ή γεωμετρίας. Αλλά θέλαμε να μάθουμε τις μεταβλητές, όχι μόνο τον αριθμό τους».
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες οπτικοποίησαν τις πραγματικές μεταβλητές που εντόπισε το πρόγραμμα. Δεδομένου ότι το πρόγραμμα δεν μπορεί να εκφράσει τις μεταβλητές σε οποιαδήποτε διαισθητική γλώσσα που θα ήταν προσβάσιμη στους ανθρώπους, η εξαγωγή των ίδιων των μεταβλητών ήταν δύσκολη. Μετά από σημαντική έρευνα, αποδείχθηκε ότι δύο από τις μεταβλητές που επέλεξε ο υπολογιστής ταίριαζαν με τις γωνίες των βραχιόνων, αλλά οι άλλες δύο είναι ακόμα άγνωστες.
Boyuan Chen Ph.D. '22, ένας επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Duke, είπε, «Προσπαθήσαμε να συσχετίσουμε τις άλλες μεταβλητές με οτιδήποτε και ό,τι μπορούσαμε να σκεφτούμε: γωνιακές και γραμμικές ταχύτητες, κινητική και δυναμική ενέργεια και συνδυασμούς γνωστών μεγεθών. Αλλά τίποτα δεν φαινόταν να ταιριάζει απόλυτα. Ήμασταν σίγουροι ότι η τεχνητή νοημοσύνη είχε βρει ένα καλό σύνολο τεσσάρων μεταβλητών αφού έκανε καλές προβλέψεις, αλλά δεν καταλαβαίνουμε ακόμη τη μαθηματική γλώσσα που μιλάει».
Ως εκ τούτου, επικύρωσαν πολλά άλλα φυσικά συστήματα με γνωστές λύσεις. Τροφοδοτούσαν βίντεο με συστήματα για τα οποία δεν γνώριζαν τη ρητή απάντηση. Τα πρώτα βίντεο περιείχαν έναν «χορευτή αέρα» να κυματίζει μπροστά από μια τοπική παρτίδα μεταχειρισμένων αυτοκινήτων. Μετά από μερικές ώρες ανάλυσης, το πρόγραμμα επέστρεψε 8 μεταβλητές. Ένα βίντεο μιας λάμπας Lava παρήγαγε επίσης 8 οκτώ μεταβλητές. Στη συνέχεια τροφοδότησαν ένα βίντεο με φλόγες από ένα βρόχο τζακιού διακοπών και το πρόγραμμα επέστρεψε 24 μεταβλητές.
Ο Λίπσον είπε, «Πάντα αναρωτιόμουν αν συναντούσαμε ποτέ μια ευφυή εξωγήινη φυλή, θα είχαν ανακαλύψει τους ίδιους νόμους της φυσικής με εμάς ή θα μπορούσαν να περιγράψουν το σύμπαν διαφορετικά;»
«Ίσως κάποια φαινόμενα φαίνονται αινιγματικά περίπλοκα επειδή προσπαθούμε να τα κατανοήσουμε χρησιμοποιώντας λάθος σύνολο μεταβλητών. Στα πειράματα, ο αριθμός των μεταβλητών ήταν ο ίδιος κάθε φορά που το AI επανεκκινούσε, αλλά οι συγκεκριμένες μεταβλητές διέφεραν. Οπότε, ναι, υπάρχουν εναλλακτικοί τρόποι για να περιγράψουμε το σύμπαν και είναι πολύ πιθανό οι επιλογές μας να μην είναι τέλειες».
Αυτός ο τύπος τεχνητής νοημοσύνης μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να ξεδιαλύνουν πολύπλοκα φαινόμενα για τα οποία η θεωρητική κατανόηση δεν συμβαδίζει με τον κατακλυσμό των δεδομένων - τομείς που κυμαίνονται από τη βιολογία έως την κοσμολογία.
Kuang Huang Ph.D. '22, που συνέγραψε την εφημερίδα, είπε, "Ενώ χρησιμοποιούσαμε δεδομένα βίντεο σε αυτήν την εργασία, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε πηγή δεδομένων συστοιχίας - συστοιχίες ραντάρ ή συστοιχίες DNA, για παράδειγμα."
Ο Lipson υποστηρίζει ότι «Οι επιστήμονες μπορεί να παρερμηνεύουν ή να μην καταλαβαίνουν πολλά φαινόμενα απλώς και μόνο επειδή δεν έχουν ένα καλό σύνολο μεταβλητών για να τα περιγράψουν».
«Για χιλιετίες, οι άνθρωποι γνώριζαν για τα αντικείμενα που κινούνταν γρήγορα ή αργά, αλλά μόνο όταν η έννοια της ταχύτητας και της επιτάχυνσης ποσοτικοποιήθηκε επίσημα, ο Νεύτωνας μπορούσε να ανακαλύψει τον περίφημο νόμο της κίνησης F=MA».
«Οι μεταβλητές που περιγράφουν τη θερμοκρασία και την πίεση έπρεπε να προσδιοριστούν πριν επισημοποιηθούν οι νόμοι της θερμοδυναμικής και ούτω καθεξής για κάθε γωνιά του επιστημονικού κόσμου. Οι μεταβλητές είναι πρόδρομος οποιασδήποτε θεωρίας».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Chen, Β., Huang, Κ., Raghupathi, S. et αϊ. Αυτοματοποιημένη ανακάλυψη θεμελιωδών μεταβλητών που κρύβονται σε πειραματικά δεδομένα. Nat Comput Sci 2, 433–442 (2022). DOI: 10.1038/s43588-022-00281-6
