Физические явления

Что если целые области Вселенной непрозрачны для нас просто потому, что мы наблюдаем их неправильно? Инженеры решили “допросить” систему машинного обучения об определенных законах физики, и появились удивительные результаты.

“Мне всегда было интересно, если бы мы встретили разумную инопланетную расу, открыли бы они те же законы физики, что и мы, или они смогли бы описать Вселенную по-другому?” – спрашивает Ход Липсон, один из ученых, проводивших исследование, в заявлении Колумбийского университета. Руководствуясь этой идеей, команда инженеров разработала программу, основанную на машинном обучении, для наблюдения за физическими явлениями. Результаты исследования были опубликованы в журнале 25 июля.

Как отмечают ученые, наблюдение и понимание переменных всегда предшествовало созданию великих физических теорий. “На протяжении тысячелетий люди знали о том, что объекты движутся быстро или медленно, но только когда понятие скорости и ускорения было формально количественно определено, Ньютон смог прийти к своему знаменитому закону движения F = MA“, — отмечает, например, Ход Липсон. Поэтому вполне правдоподобно предположить, что физические явления могут оставаться для нас недоступными только потому, что мы еще не поняли правил их функционирования. “Какие еще законы мы упускаем просто потому, что у нас нет переменных“, — резюмирует Цян Ду, соруководитель работы.

Чтобы провести эксперимент, ученые сначала “кормили” свою программу необработанными видеозаписями уже хорошо идентифицированных явлений. Например, они предоставили ему видеозапись качающегося двойного маятника, который, как известно, имеет ровно четыре “переменные состояния” – угол и угловую скорость каждого из двух плеч. Алгоритм, который они использовали, специально разработан для наблюдения физических явлений с помощью такого типа видео и для “поиска минимального набора фундаментальных переменных, которые полностью описывают наблюдаемую динамику”.

Потребовалось несколько часов анализа, чтобы получить ответ на вопрос “сколькими переменными можно описать это явление?“: 4,7. “Мы думали, что этот ответ довольно близок, особенно учитывая, что ИИ имел доступ только к необработанным видеоматериалам, без каких-либо знаний физики или геометрии. Но мы хотели знать, каковы на самом деле переменные, а не только их количество“, — описывает Ход Липсон. Именно здесь все усложнилось для исследователей.

Четыре переменные, определенные программой, не соответствовали ничему известному. Только два из них могли смутно соответствовать углу наклона плеч. “Мы пытались соотнести другие переменные со всем, что только можно придумать: угловые и линейные скорости, кинетическая и потенциальная энергия, различные комбинации известных величин. Но ничто не подходило идеально“, — объясняет Боюань Чен. Но команда была убеждена, что программа нашла верный набор из четырех переменных, потому что они доказали, что их предсказания были верными. Поэтому они пришли к выводу, что просто не могут понять “математический язык”, используемый их творением.

Затем они продолжили эксперимент, проверив ряд известных им физических систем, а затем снабдив ИИ (искусственный интеллект) видеороликами, для которых они не знали точных “ответов”. Танцующий ветер перед стоянкой подержанных автомобилей, для которого программа нашла 8 переменных, лавовая лампа, которая также дала 8 переменных, и камин, который дал 24 переменные. Остается вопрос, чему именно соответствуют эти переменные. Могут ли они быть ключом к новым принципам физики?

“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 каждый раз были разными. Так что да, существуют другие способы описания Вселенной, и вполне возможно, что наш выбор не идеален“, — говорят ученые.