กฎฟิสิกส์ทั้งหมดสามารถแสดงทางคณิตศาสตร์เป็นความเชื่อมโยงระหว่างตัวแปรสถานะ ชุดของตัวแปรนี้ให้คำอธิบายอย่างละเอียดและไม่ซ้ำซ้อนของระบบที่อยู่ในมือ กระบวนการจริงของการตรวจจับตัวแปรสถานะที่ซ่อนอยู่นั้นท้าทายระบบอัตโนมัติ แม้จะมีพลังในการประมวลผลและปัญญาประดิษฐ์ก็ตาม
วิธีการที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูลส่วนใหญ่สำหรับการสร้างแบบจำลองปรากฏการณ์ทางกายภาพยังคงอาศัยสมมติฐานที่ว่าตัวแปรสถานะที่เกี่ยวข้องนั้นทราบอยู่แล้ว คำถามที่มีมาช้านานคือสามารถระบุตัวแปรสถานะจากข้อมูลเชิงสังเกตในมิติสูงเท่านั้นหรือไม่
นักวิทยาศาสตร์ที่ Columbia Engineering ได้เสนอหลักการในการกำหนดจำนวนตัวแปรสถานะที่ระบบการสังเกตน่าจะมีและตัวแปรเหล่านี้อาจเป็นอย่างไร พวกเขาออกแบบโปรแกรม AI ใหม่เพื่อสังเกตปรากฏการณ์ทางกายภาพผ่านกล้องวิดีโอ จากนั้นพยายามค้นหาชุดตัวแปรพื้นฐานขั้นต่ำที่อธิบายไดนามิกที่สังเกตได้ทั้งหมด
Hod Lipson ผู้อำนวยการ Creative Machines Lab ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลกล่าวว่า “เราคิดว่าคำตอบนี้ใกล้พอแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เนื่องจาก AI ทั้งหมดเข้าถึงได้เป็นภาพวิดีโอดิบ โดยไม่มีความรู้เรื่องฟิสิกส์หรือเรขาคณิต แต่เราต้องการทราบตัวแปรไม่ใช่แค่ตัวเลขเท่านั้น”
นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นภาพตัวแปรจริงที่โปรแกรมระบุ เนื่องจากโปรแกรมไม่สามารถแสดงตัวแปรในภาษาที่ใช้งานง่ายซึ่งมนุษย์สามารถเข้าถึงได้ การดึงตัวแปรด้วยตัวเองจึงเป็นเรื่องที่ท้าทาย หลังจากการตรวจสอบอย่างถี่ถ้วน ปรากฏว่าตัวแปรสองตัวที่คอมพิวเตอร์เลือกนั้นตรงกับมุมของแขน แต่อีกสองตัวยังไม่ทราบ
ป๋อหยวน เฉิน Ph.D. '22 ผู้ช่วยศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Duke กล่าวว่า “เราพยายามเชื่อมโยงตัวแปรอื่นๆ กับอะไรก็ได้และทุกอย่างที่เราคิดได้ เช่น ความเร็วเชิงมุมและเชิงเส้น พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ และการรวมกันของปริมาณที่ทราบ แต่ดูเหมือนไม่มีอะไรจะเข้ากันเลย เรามั่นใจว่า AI ได้พบชุดตัวแปรสี่ตัวที่ดีแล้ว เนื่องจากมันคาดการณ์ได้ดี แต่เรายังไม่เข้าใจภาษาทางคณิตศาสตร์ที่มันกำลังพูดอยู่”
ดังนั้น พวกเขาจึงตรวจสอบระบบทางกายภาพอื่นๆ อีกหลายระบบด้วยโซลูชันที่ทราบ พวกเขาป้อนวิดีโอของระบบที่พวกเขาไม่ทราบคำตอบที่ชัดเจน วิดีโอแรกนำเสนอ "นักเต้นระบำบนอากาศ" เป็นลูกคลื่นอยู่หน้าล็อตรถมือสองในท้องถิ่น หลังจากวิเคราะห์ไม่กี่ชั่วโมง โปรแกรมส่งคืนตัวแปร 8 ตัว วิดีโอของโคมไฟลาวายังสร้างตัวแปร 8 แปดตัว จากนั้นพวกเขาก็ป้อนคลิปวิดีโอของเปลวไฟจากลูปเตาผิงในวันหยุด และโปรแกรมส่งคืนตัวแปร 24 ตัว
ลิปสันกล่าวว่า “ฉันสงสัยอยู่เสมอว่าเราเคยพบกับเผ่าพันธุ์มนุษย์ต่างดาวที่ชาญฉลาดหรือไม่ พวกเขาจะค้นพบกฎฟิสิกส์แบบเดียวกับที่เรามี หรือพวกเขาจะอธิบายจักรวาลให้แตกต่างออกไป?”
“บางทีปรากฏการณ์บางอย่างอาจดูซับซ้อนอย่างน่าพิศวงเพราะเรากำลังพยายามทำความเข้าใจกับพวกมันโดยใช้ชุดตัวแปรที่ไม่ถูกต้อง ในการทดลอง จำนวนตัวแปรจะเท่ากันทุกครั้งที่ AI รีสตาร์ท แต่ตัวแปรเฉพาะแตกต่างกัน ใช่ มีวิธีอื่นในการอธิบายจักรวาล และค่อนข้างเป็นไปได้ที่ตัวเลือกของเราอาจไม่สมบูรณ์แบบ”
AI ประเภทนี้สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ไขปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนซึ่งความเข้าใจเชิงทฤษฎีไม่สอดคล้องกับปริมาณข้อมูลจำนวนมาก ตั้งแต่ชีววิทยาไปจนถึงจักรวาลวิทยา
กวงหวาง Ph.D. '22 ผู้ร่วมเขียนบทความ กล่าวว่า, “ในขณะที่เราใช้ข้อมูลวิดีโอในงานนี้ คุณสามารถใช้แหล่งข้อมูลอาร์เรย์ใดก็ได้ เช่น อาร์เรย์เรดาร์ หรืออาร์เรย์ดีเอ็นเอ เป็นต้น”
ลิปสันเถียงว่า “นักวิทยาศาสตร์อาจตีความผิดหรือไม่เข้าใจปรากฏการณ์หลายอย่างเพียงเพราะพวกเขาไม่มีตัวแปรที่ดีที่จะอธิบายปรากฏการณ์เหล่านั้น”
“เป็นเวลานับพันปีที่ผู้คนรู้เกี่ยวกับวัตถุที่เคลื่อนที่เร็วหรือช้า แต่เมื่อแนวคิดเรื่องความเร็วและความเร่งได้รับการหาปริมาณอย่างเป็นทางการเท่านั้นที่นิวตันสามารถค้นพบกฎการเคลื่อนที่ F=MA ที่มีชื่อเสียงของเขาได้”
“ตัวแปรที่อธิบายอุณหภูมิและความดันจำเป็นต้องระบุก่อนที่จะสร้างกฎของเทอร์โมไดนามิกส์ให้เป็นแบบแผน และอื่นๆ ในทุกมุมของโลกวิทยาศาสตร์ ตัวแปรต่าง ๆ เป็นสารตั้งต้นของทฤษฎีใด ๆ”
การอ้างอิงวารสาร:
- Chen, B. , Huang, K. , Raghupathi, S. et al. การค้นหาตัวแปรพื้นฐานที่ซ่อนอยู่ในข้อมูลการทดลองโดยอัตโนมัติ แนท คอมพิวเตอร์ วิทย์ 2, 433–442 (2022). ดอย: 10.1038/s43588-022-00281-6
