Φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει μια μέθοδο μηχανικής μάθησης για να εντοπίσουν εκπληκτικές νέες εκδοχές των μη αμοιβαίων δυνάμεων που διέπουν ένα σύστημα πολλών σωματιδίων.
Το περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences δημοσίευσε τα ευρήματα πειραματικών και θεωρητικών φυσικών του Πανεπιστημίου Emory, βασισμένα σε μοντέλο νευρωνικού δικτύου και δεδομένα από εργαστηριακά πειράματα σε σκόνη πλάσματος – ιονισμένο αέριο που περιέχει αιωρούμενα σωματίδια σκόνης.
Η εργασία αυτή αποτελεί μία από τις σχετικά λίγες περιπτώσεις όπου η τεχνητή νοημοσύνη χρησιμοποιείται όχι ως εργαλείο επεξεργασίας ή πρόβλεψης δεδομένων, αλλά για την ανακάλυψη νέων φυσικών νόμων που διέπουν τον φυσικό κόσμο.
«Δείξαμε ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε AI για να ανακαλύψουμε νέα φυσική», λέει ο Justin Burton, καθηγητής πειραματικής φυσικής στο Emory και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. «Η μέθοδος AI δεν είναι ένα μαύρο κουτί: κατανοούμε πώς και γιατί λειτουργεί. Το πλαίσιο που προσφέρει είναι επίσης καθολικό. Θα μπορούσε ενδεχομένως να εφαρμοστεί και σε άλλα συστήματα πολλών σωματιδίων, ανοίγοντας νέες διαδρομές προς την ανακάλυψη».
Ακριβείς περιγραφές μη αμοιβαίων δυνάμεων σε σκόνη πλάσματος
Το άρθρο στο PNAS παρέχει την πιο λεπτομερή περιγραφή μέχρι σήμερα για τη φυσική μιας σκόνης πλάσματος, αποδίδοντας ακριβείς προσεγγίσεις για τις μη αμοιβαίες δυνάμεις.
«Μπορούμε να περιγράψουμε αυτές τις δυνάμεις με ακρίβεια άνω του 99%», λέει ο Ilya Nemenman, καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Emory και συν-ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.
«Ακόμα πιο ενδιαφέρον είναι ότι αποδεικνύουμε πως κάποιες κοινές θεωρητικές παραδοχές για αυτές τις δυνάμεις δεν είναι απολύτως ακριβείς. Είμαστε σε θέση να διορθώσουμε αυτές τις ανακρίβειες επειδή μπορούμε πλέον να δούμε τι συμβαίνει με τόσο εκπληκτική λεπτομέρεια».
Οι ερευνητές ελπίζουν ότι η προσέγγιση AI που ανέπτυξαν θα αποτελέσει σημείο εκκίνησης για την εξαγωγή νόμων από τη δυναμική ενός ευρέος φάσματος συστημάτων πολλών σωματιδίων, τα οποία αποτελούνται από μεγάλο αριθμό αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. Παραδείγματα τέτοιων συστημάτων είναι τα κολλοειδή – όπως τα χρώματα, τα μελάνια και άλλα βιομηχανικά υλικά – μέχρι συσσωματώματα κυττάρων σε ζωντανούς οργανισμούς.
Διεπιστημονική συνεργασία και προοπτικές για μελλοντικές εφαρμογές
Πρώτος συγγραφέας της μελέτης είναι ο Wentao Yu, ο οποίος εργάστηκε στο έργο ως διδακτορικός φοιτητής στο Emory και τώρα είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο California Institute of Technology. Συγγραφέας είναι και ο Eslam Abdelaleem, που επίσης συμμετείχε στο έργο ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Emory και τώρα είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Georgia Tech.
«Αυτό το έργο αποτελεί ένα εξαιρετικό παράδειγμα διεπιστημονικής συνεργασίας όπου η ανάπτυξη νέας γνώσης στην φυσική πλάσματος και την AI μπορεί να οδηγήσει σε περαιτέρω εξελίξεις στη μελέτη των ζωντανών συστημάτων», λέει ο Vyacheslav (Slava) Lukin, διευθυντής προγράμματος φυσικής πλάσματος του NSF. «Η δυναμική αυτών των πολύπλοκων συστημάτων κυριαρχείται από συλλογικές αλληλεπιδράσεις που οι αναδυόμενες τεχνικές AI μπορούν να μας βοηθήσουν να περιγράψουμε, να αναγνωρίσουμε, να κατανοήσουμε και ακόμη και να ελέγξουμε καλύτερα».
Η σκόνη πλάσματος και η σημασία της στο σύμπαν
Τα πλάσματα είναι ιονισμένα αέρια, δηλαδή φορτισμένα σωματίδια ηλεκτρονίων και ιόντων κινούνται ελεύθερα, δημιουργώντας μοναδικές ιδιότητες όπως η ηλεκτρική αγωγιμότητα. Γνωστά ως η τέταρτη κατάσταση της ύλης, τα πλάσματα αποτελούν περίπου το 99,9% του ορατού σύμπαντος, από τους ηλιακούς ανέμους που εκτοξεύονται από την κορόνα του Ήλιου μέχρι τους κεραυνούς που πλήττουν τη Γη.
Η σκόνη πλάσματος, η οποία προσθέτει φορτισμένα σωματίδια σκόνης στο μείγμα ιόντων και ηλεκτρονίων, είναι επίσης κοινή στο διάστημα και σε πλανητικά περιβάλλοντα – από τους δακτυλίους του Κρόνου έως την ιονόσφαιρα της Γης.
Τα φορτισμένα σωματίδια που αιωρούνται πάνω από την επιφάνεια της Σελήνης, λόγω της χαμηλής βαρύτητας, είναι ένα παράδειγμα σκόνης πλάσματος. «Γι’ αυτό όταν οι αστροναύτες περπατούν στη Σελήνη, οι στολές τους γεμίζουν σκόνη», εξηγεί ο Burton.
