Все законы физики могут быть выражены математически как связи между переменными состояния. Этот набор переменных обеспечивает подробное и неизбыточное описание рассматриваемой системы. Фактический процесс обнаружения скрытых переменных состояния не поддается автоматизации, несмотря на вычислительную мощность и доступность искусственного интеллекта.
Большинство методов моделирования физических явлений, основанных на данных, по-прежнему основаны на предположении, что соответствующие переменные состояния уже известны. Давний вопрос заключается в том, сможет ли он идентифицировать переменные состояния только на основе многомерных данных наблюдений.
Ученые из Columbia Engineering предложили принцип определения того, сколько переменных состояния может иметь наблюдаемая система и какими могут быть эти переменные. Они разработали новую программу искусственного интеллекта для наблюдения за физическими явлениями через видеокамеру, а затем пытаются найти минимальный набор фундаментальных переменных, которые полностью описывают наблюдаемую динамику.
Ход Липсон, директор лаборатории творческих машин факультета машиностроения, сказал: «Мы думали, что этот ответ достаточно близок. Тем более, что все, к чему имел доступ ИИ, — это необработанные видеоматериалы без каких-либо знаний физики или геометрии. Но мы хотели знать переменные, а не только их количество».
Затем ученые визуализировали фактические переменные, определенные программой. Поскольку программа не может выразить переменные на каком-либо интуитивно понятном языке, доступном человеку, извлечение самих переменных было сложной задачей. После тщательного расследования выяснилось, что две из переменных, выбранных компьютером, соответствуют углам рук, но две другие до сих пор неизвестны.
Боюань Чен, доктор философии. 22 года, доцент Университета Дьюка, сказал: «Мы пытались соотнести другие переменные со всем, что только могли придумать: угловыми и линейными скоростями, кинетической и потенциальной энергией и комбинациями известных величин. Но ничто, казалось, не совпадало идеально. Мы были уверены, что ИИ нашел хороший набор из четырех переменных, поскольку он делал хорошие прогнозы, но мы еще не понимаем математический язык, на котором он говорит».
Поэтому они проверили несколько других физических систем с известными решениями. Они передавали видео систем, на которые не знали однозначного ответа. В первых видеороликах был показан «воздушный танцор», колеблющийся перед местной стоянкой подержанных автомобилей. После нескольких часов анализа программа вернула 8 переменных. Видео лавовой лампы также дало 8 восемь переменных. Затем они загрузили видеоклип пламени из петли праздничного камина, и программа вернула 24 переменных.
Липсон сказал: «Мне всегда было интересно, если бы мы когда-нибудь встретили разумную инопланетную расу, открыли бы они те же законы физики, что и мы, или могли бы они описать Вселенную по-другому?»
«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 различались. Так что да, существуют альтернативные способы описания Вселенной, и вполне возможно, что наш выбор не идеален».
Этот тип ИИ может помочь ученым разгадать сложные явления, теоретическое понимание которых не поспевает за потоком данных — в самых разных областях — от биологии до космологии.
Куанг Хуанг, доктор философии. 22 года, соавтор статьи, — сказал, «Хотя в этой работе мы использовали видеоданные, можно использовать любой источник данных — например, радары или массивы ДНК».
Липсон утверждает, что «Учёные могут неправильно интерпретировать или не понимать многие явления просто потому, что у них нет хорошего набора переменных для их описания».
«На протяжении тысячелетий люди знали об объектах, движущихся быстро или медленно, но только когда понятие скорости и ускорения было формально определено количественно, Ньютон смог открыть свой знаменитый закон движения F=MA».
«Переменные, описывающие температуру и давление, необходимо было определить, прежде чем можно будет формализовать законы термодинамики, и так далее для каждого уголка научного мира. Переменные являются предшественником любой теории».
Справочник журнала:
- Чен Б., Хуанг К., Рагхупати С. и др. Автоматизированное обнаружение фундаментальных переменных, скрытых в экспериментальных данных. Национальная вычислительная наука 2. С. 433–442 (2022). DOI: 10.1038/s43588-022-00281-6
