存在另一種物理來描述宇宙嗎?

著名科幻小說家

著名科幻小說家姜峰楠(Ted Chiang)在《你一生的故事》中構思了一個講述人類和外星人「七肢桶」接觸的故事。

面對相同的宇宙基本規律,人類和七肢桶卻有著不一樣的理解,由此產生了不同的「物理」來解讀同一種自然現象。這導致兩種文明的語言,甚至思維方式都有了本質上的區別。

《降臨》劇照,電影改編自《你一生的故事》。(圖/派拉蒙影業)

這是一種非常顛覆性的想象,卻也帶來了一個有意思的問題:假如有朝一日,我們遇到了一個足夠智慧的外星種族,他們是否會發現和我們一樣的物理定律,或者他們可能以不同的方式來描述宇宙?

這個問題還可以換種問法,那就是,面對一套系統,是否只有一種物理方式來描述它,還是說,我們有可能找到其他可行,甚至更優的描述方法

這正是一組研究人員利用一個新的人工智慧(AI)在探索的問題。這個程序可以通過一臺攝像機觀察物理現象,然後試圖找到那些能完全描述所觀察到的動態的最小基本變數集。論文已發表在《自然·計算科學》上。

確定相關變數

能量(E)、質量(m)、速度(c),這三個變數構成了愛因斯坦最具代表性的方程E=mc²。但愛因斯坦起初是如何知道這些概念的呢?

理解物理的一個先導步驟是確定相關變數。如果沒有能量、質量和速度的概念,即使是愛因斯坦也無法發現相對論。

幾千年來,人們知道物體快速或緩慢地移動,但只有當速度和加速度的概念被正式量化時,牛頓才能發現他著名的運動定律F=ma。同樣地,描述溫度和壓力的變數需要在熱力學定律被正式建立之前就被確定。

科學世界的每個角落都是如此,變數是理論的前奏。但這些變數能「自動」被發現嗎?如果能到話,就有望極大地加速科學發現。

在新研究中,研究人員開始向系統提供他們已經知道答案的現象的原始視訊片段。例如,他們輸入了一個擺動的雙擺的視訊,已知它有4個物理狀態變數,也就是兩條臂中每一條的角度和角速度。

經過幾個小時的分析,AI輸出了它的答案:4.7。

研究人員認為,對AI來說,這個答案已經足夠接近了,特別是這是AI在沒有任何物理學或幾何學知識的,能讀到的僅僅是一段原始視訊片段的情況下得出的答案。

但僅僅有變數的數量還不夠,更讓科學家好奇的是,AI所說的這些變數究竟是什麼。他們隨後開始著手將程序確定的實際變數視覺化

但提取變數本身並不容易,因為計算機程序無法以人類可以理解的直觀方式來描述它們。經過一番探查,他們發現,程序選擇的兩個變數似乎大致對應著臂的角度,但另外兩個變數的選擇仍然是謎

研究人員試圖將其他變數與他們能想到的任何東西聯繫起來,比如角速度和線速度,動能和勢能,以及各種已知量的組合,但似乎沒有什麼能完美匹配。

他們很有信心,AI的確已經找到了一套有效的四個變數,因為它進行著良好的預測,只是他們還不了解它所講的數學語言。

探索未知的複雜系統

在驗證了一些具有已知解的其他物理系統後,研究人員向它提供了其他一些視訊,其中都包含著他們不知道明確答案的物理系統。

比如,其中一批視訊是一個「充氣舞者」在當地一個二手車市場前「跳舞」。經過幾個小時的分析,AI返回了8個變數。一段熔岩燈的視訊讓程序判斷出了8個變數。隨後,他們輸入了一段假日壁爐火焰視訊片段,程序返回了24個變數。

在實驗中向AI提供的部分視訊片段代表,包括一個充氣舞者、一臺熔岩燈和壁爐火焰的視訊片段等等。(圖/哥倫比亞大學)

這就帶來了一個格外有趣的問題:每個系統的變數集是否是唯一的,又或者,每次重新啟動程序時它會不會產生不同的變數集?

在實驗中,每次AI重新啟動時,得出的變數數量是相同的,但每一次的具體變數卻不同。可以這麼說,似乎的確存在不同的方法來描述宇宙。

而且很可能的是,也許有些現象看起來複雜得令人費解,是因為我們正試圖用錯誤的變數集來理解和描述它們。很多時候,我們的選擇未必完美。

幫助理解複雜現象

過去的軟體系統可以從實驗資料中提煉出自由形式的物理定律,但前提是要事先確定變數。而研究人員認為,這種新AI可以幫助科學家發現複雜的現象,對於這些現象,理論認識可能還沒有跟上資料洪流的步伐,比如生物學和宇宙學的領域。

雖然團隊在這項研究中使用的是視訊資料,但理論上來說任何種類的陣列資料來源都可以使用,包括射電陣列或者DNA陣列。這或許在未來能夠加速科學發現的腳步。

#創作團隊:

撰文:Takeko

排版:雯雯

#參考來源:

https://www.engineering.columbia.edu/news/lipson-chen-ai-alternative-physics

#圖片來源:

封面圖&首圖:Boyuan Chen, Columbia Engineering

本文經授權轉載自微信公眾號:原理(ID:principia1687) 作者:Takeko

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院高能所立場

編輯:苑新陽

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