Tutte le leggi della fisica possono essere espresse matematicamente come connessioni tra variabili di stato. Questo insieme di variabili fornisce una descrizione approfondita e non ridondante del sistema in questione. L’effettivo processo di rilevamento delle variabili di stato nascoste ha sfidato l’automazione, nonostante la potenza di elaborazione e la disponibilità dell’intelligenza artificiale.
La maggior parte dei metodi basati sui dati per modellare i fenomeni fisici si basano ancora sul presupposto che le variabili di stato rilevanti siano già note. Una questione di vecchia data è se sia possibile identificare le variabili di stato solo a partire da dati osservativi ad alta dimensione.
Gli scienziati della Columbia Engineering hanno proposto un principio per determinare quante variabili di stato è probabile che abbia un sistema osservato e quali potrebbero essere queste variabili. Hanno progettato un nuovo programma di intelligenza artificiale per osservare i fenomeni fisici attraverso una videocamera e quindi provare a cercare un insieme minimo di variabili fondamentali che descrivano completamente le dinamiche osservate.
Hod Lipson, direttore del Creative Machines Lab presso il Dipartimento di ingegneria meccanica, ha affermato: “Pensavamo che questa risposta fosse abbastanza vicina. Soprattutto perché tutto ciò a cui l’intelligenza artificiale aveva accesso erano riprese video grezze, senza alcuna conoscenza di fisica o geometria. Ma volevamo conoscere le variabili, non solo il loro numero”.
Gli scienziati hanno quindi visualizzato le variabili effettive identificate dal programma. Poiché il programma non può esprimere le variabili in alcun linguaggio intuitivo accessibile agli esseri umani, estrarre le variabili stesse è stato impegnativo. Dopo approfondite indagini, si è scoperto che due delle variabili selezionate dal computer corrispondevano agli angoli delle braccia, ma le altre due sono ancora sconosciute.
Boyuan Chen Ph.D. '22, un professore assistente alla Duke University, ha detto: “Abbiamo provato a correlare le altre variabili con qualsiasi cosa ci venisse in mente: velocità angolari e lineari, energia cinetica e potenziale e combinazioni di quantità note. Ma nulla sembrava combaciare perfettamente. Eravamo fiduciosi che l’intelligenza artificiale avesse trovato un buon insieme di quattro variabili poiché stava facendo buone previsioni, ma non comprendiamo ancora il linguaggio matematico che sta parlando”.
Hanno quindi convalidato diversi altri sistemi fisici con soluzioni note. Hanno alimentato video di sistemi di cui non conoscevano la risposta esplicita. I primi video mostravano un “ballerino d’aria” che ondeggiava davanti a un parcheggio di auto usate locale. Dopo alcune ore di analisi, il programma ha restituito 8 variabili. Anche un video di una lampada Lava ha prodotto 8 otto variabili. Hanno quindi alimentato un video clip di fiamme provenienti dal loop di un caminetto durante le vacanze e il programma ha restituito 24 variabili.
Lipson ha detto: "Mi sono sempre chiesto se avessimo mai incontrato una razza aliena intelligente, avrebbero scoperto le nostre stesse leggi fisiche o avrebbero potuto descrivere l'universo in modo diverso?"
“Forse alcuni fenomeni sembrano enigmaticamente complessi perché stiamo cercando di capirli utilizzando l’insieme sbagliato di variabili. Negli esperimenti, il numero di variabili era lo stesso ogni volta che l’IA si riavviava, ma le variabili specifiche differivano. Quindi sì, ci sono modi alternativi per descrivere l’universo, ed è del tutto possibile che le nostre scelte non siano perfette”.
Questo tipo di intelligenza artificiale può aiutare gli scienziati a svelare fenomeni complessi per i quali la comprensione teorica non riesce a tenere il passo con il diluvio di dati, in aree che vanno dalla biologia alla cosmologia.
Kuang Huang Ph.D. '22, coautore dell'articolo, disse, "Anche se in questo lavoro abbiamo utilizzato dati video, è possibile utilizzare qualsiasi fonte di dati di array, ad esempio array radar o array di DNA."
Lipson lo sostiene "Gli scienziati potrebbero interpretare erroneamente o non riuscire a comprendere molti fenomeni semplicemente perché non hanno un buon insieme di variabili per descriverli."
“Per millenni, le persone hanno saputo che gli oggetti si muovevano velocemente o lentamente, ma è stato solo quando la nozione di velocità e accelerazione è stata formalmente quantificata che Newton ha potuto scoprire la sua famosa legge del movimento F=MA”.
“Le variabili che descrivono la temperatura e la pressione dovevano essere identificate prima che le leggi della termodinamica potessero essere formalizzate, e così via per ogni angolo del mondo scientifico. Le variabili sono un precursore di qualsiasi teoria.
Riferimento della Gazzetta:
- Chen, B., Huang, K., Raghupathi, S. et al. Scoperta automatizzata di variabili fondamentali nascoste nei dati sperimentali. Nat Comput Sci 2, 433–442 (2022). DOI: 10.1038/s43588-022-00281-6
