ИИ започна да измисля физични експерименти, за които хората никога не биха се сетили

Експерименталната физика се основава на проверката на теоретични хипотези с помощта на реални уреди. За да докажат съществуването на дадена частица, да регистрират слабо излъчване или да открият ново свойство на материята, изследователите сглобяват лабораторни стендове. Векове наред тази работа се е основавала изцяло на знанията, опита и предположенията на самите учени. Физикът си представя как трябва да се държат частиците или светлинните вълни и ръчно подрежда апаратите на работната маса.

Но усложняването на задачите доведе науката до ситуация, в която възможностите на човешкото мислене вече не бяха достатъчни. В квантовата механика, оптиката на високите енергии и физиката на плазмата броят на вариантите за сглобяване на един прибор се изчислява в милиони. Човек физически не е способен да изчисли всички възможни комбинации от детайли и да предскаже поведението на една толкова сложна система.

В списание Nature бе публикувана обзорна статия на международна група физици, посветена на автоматизацията на научните изследвания. Учените доказаха, че алгоритмите за оптимизация могат самостоятелно да създават схеми на физични експерименти. Компютърът намира такива конфигурации на оборудването, които работят по-точно, по-стабилно и по-ефективно от инсталациите, проектирани от хора.

Трудностите при ръчното сглобяване на оборудването

Типичната работа в една оптична лаборатория изглежда по следния начин.

На специална изолирана от вибрации маса изследователят поставя различни оптични прибори:

лазерни излъчватели с различна дължина на вълната; полупрозрачни и обикновени огледала; поляризационни филтри, променящи посоката на светлинните вълни; кристали, разделящи един светлинен лъч на два взаимосвързани потока; високочувствителни детектори за единични светлинни частици.

Всеки от тези елементи притежава ясни математически характеристики. Когато светлинният лъч преминава през кристала, фазата и поляризацията му се променят. Когато той пада върху полупрозрачно огледало, част от фотоните преминават през него, а част се отразяват.

Ако в устройството се използват само три или четири елемента, човек лесно изчислява пътя на лъча на хартия. Но когато броят на елементите достигне десет, двадесет или тридесет, ситуацията рязко се променя. Всеки нов компонент умножава броя на възможните пътища, по които може да премине светлината.

Възниква комбинаторична безизходица. На масата се намира набор от прибори. Те могат да бъдат подредени по милиони различни начини: да се променят разстоянията между лещите, да се завъртат огледалата с части от градуса, да се добавят филтри в различни участъци от веригата. При това физиката на процеса е нелинейна: малко отместване на едно огледало променя работата на цялата последваща верига.

При такива условия ученият избира схема, като се основава на стандартните шаблони от учебниците и личния си опит. Това води до състояние, при което изследователите години наред използват сходни конструкции, пропускайки нестандартните инженерни решения, които биха могли да дадат много по-точен резултат.

Първият успех: опитът на Марио Крен

Пробивът в автоматизацията на проектирането започна с конкретен практически проблем. Марио Кренн, който понастоящем заема длъжността професор в Тюбингенския университет в Германия, по време на следването си във Виена се опита да проведе квантов експеримент. Целта му беше да създаде фотони със сложни характеристики на свързаност.

Изследователската група знаеше какъв резултат трябва да се появи на детекторите. Бяха известни уравненията, описващи желаното квантово състояние на светлината. Никой в лабораторията обаче не можеше да разбере в какъв ред трябва да се подредят кристалите и огледалата, за да се получат тези изчислени стойности. Опитите за ръчно подбиране на схеми продължиха седмици наред и не дадоха резултат.

Тогава Кренн реши да формализира задачата за компютъра. Той извърши три действия:

Записва математическите свойства на всеки уред, който се намираше в лабораторията. Всяка леща, призма и детектор се превърнаха в набор от числови правила, които показват как точно този уред променя преминаващата през него светлина. Формулира математическия критерий за успеха. Алгоритмът получи формула за състоянието на фотоните, което трябваше да бъде фиксирано в края на пътя. Написва програма, която започна да комбинира всички възможни комбинации от тези компоненти във виртуална среда.

Написването на първия базов код отнема няколко часа. Кренн пуска програмата да работи през нощта на обикновен компютър.

На сутринта алгоритмът е извел файл със схема, състояща се от шестнадесет оптични елемента.

Схемата е изглеждала твърде странно: елементите са разположени асиметрично, а лъчите преминават през системата по сложен път с многократни пресичания. Никой в лабораторията не би предложил такава конфигурация. Въпреки това, когато физиците сглобиха устройствата според указанията на програмата, инсталацията заработи от първия път. Устройствата зафиксираха точно онова квантово състояние, което изследователите безуспешно се опитваха да постигнат ръчно.

Фундаменталната разлика между алгоритмите за търсене и езиковите модели

Когато днес се говори за изкуствен интелект, повечето хора си представят текстови чатботове. При проектирането на физични експерименти обаче се използва съвсем друг клас софтуер.

Езиковите модели се обучават върху огромни масиви от текст от интернет. Целта им е да отгатнат коя дума най-вероятно ще следва. В тях е заложен принципът на вероятността. За физиката този метод е неподходящ: чатботът може да състави на пръв поглед убедително описание на експерименталната постановка, но апаратите, сглобени по неговия съвет, няма да работят, защото моделът не разбира уравненията за запазване на енергията и движението на вълните.

В научните лаборатории се използват алгоритми за целенасочено математическо търсене и числена оптимизация. Тяхната работа се основава на други принципи:

Детерминизъм. Програмата не предполага никакви факти, а извършва точни математически изчисления. Ако светлината пада върху стъкло под ъгъл от 45°, алгоритъмът изчислява точната траектория на пречупване съгласно законите на оптиката. Физически симулатор в рамките на програмата. Алгоритъмът за оптимизация работи в съчетание с математически модел на физическата среда. Компютърът създава цифрово копие на лабораторната маса. Ясна целева функция. Програмата винаги знае конкретната числова стойност, към която се стреми. Това може да бъде максималната яркост на лъча, минималното ниво на оптичния шум или конкретната форма на електрическия импулс. Методи за отсяване. Програмата не проверява абсолютно всички съществуващи варианти един по един, за това не би стигнала мощността на компютрите. Тя прави стъпка, оценява дали схемата се е приближила до необходимите параметри и отхвърля конфигурациите, които са очевидно безполезни.

По този начин програмата работи като строг математически изчислител, който проверява хипотезите в едно виртуално физическо пространство.

Къде машинното проектиране вече дава резултати

Методът излезе далеч извън рамките на студентските оптични експерименти. Днес алгоритмите се прилагат в няколко мащабни направления на съвременната наука.

1. Електронната микроскопия

Обикновените светлинни микроскопи не могат да показват отделните атоми поради ограниченията, свързани с дължината на светлинната вълна. Затова учените използват електронни микроскопи, при които вместо светлина се използва електронен лъч.

Филип Хаслингер, ръководител на Центъра по електронна микроскопия във Виенския технически университет, внедрява квантови ефекти в работата на такива уреди. Основният проблем на електронната микроскопия се състои в това, че високоенергийният електронен сноп разрушава деликатните биологични проби, например протеинови молекули или живи клетки. За да се намали мощността на снопа и да се запази яснотата на изображението, е необходимо да се използват сложните квантови състояния на частиците.

В тази област практически няма опит. Физиците не знаят от опит как електромагнитните лещи трябва да насочват електроните, за да се постигне такъв ефект. Алгоритъмът за оптимизация изчисли геометрията на електронния микроскоп, която намали лъчевото натоварване върху обекта и позволи получаването на ясни снимки без разрушаване на органичните молекули.

2. Детекторите на гравитационни вълни

Гравитационните вълни са колебания на пространството, възникващи при сблъсък на черни дупки или неутронни звезди. За да се регистрира такава вълна, лазерният лъч трябва да премине няколко километра по вакуумна тръба, да се отрази от огледала и да се върне в детектора. Отклонението на огледалото при преминаването на вълната се измерва с величини, които са хиляди пъти по-малки от диаметъра на атомното ядро.

При такива мащаби на уредите пречи всичко: топлинното движение на молекулите в огледалата, квантовите колебания на самия лазерен лъч, микроскопичните сеизмични трусове на земната кора. Алгоритмите за оптимизация изчисляват конфигурациите на спомагателните оптични филтри и системите за окачване на огледалата, като намаляват нивото на апаратните шумове до възможно най-ниските граници.

3. Удържане на високотемпературната плазма

В инсталации от типа токамак или стеларатор водородната плазма се нагрява до стотици милиони градуса. Това вещество може да се удържа само чрез силни магнитни полета със сложна геометрия. Въпреки това, ако полето дори на едно място загуби необходимата конфигурация, плазмата ще излезе навън, ще изстине и ще повреди стените на реактора.

Изчисляването на формата на магнитните намотки изисква решаване на изключително сложни уравнения от магнитната хидродинамика. Компютърните алгоритми преминават през различни варианти на пространственото извиване на проводниците, създавайки форми на магнитите, които задържат плазмата в стабилно състояние по-дълго, отколкото това беше възможно при използването на стандартни магнитни системи.

Проблемът с интерпретацията на машинните решения

Широкото внедряване на алгоритмичното проектиране доведе до необичаен проблем в научната методология: физиците получават системи, чиято ефективност е доказана на практика, но не могат да разберат на какви принципи работят.

Когато човек разработва уред, той действа логично: първо идва блокът за подготовка на сигнала, след това блокът за разделяне, а след това блокът за регистриране. Машинният алгоритъм е лишен от тези шаблони. Той комбинира елементите изцяло въз основа на числената ефективност.

В резултат на това компютърните схеми често използват физични явления, които хората са смятали за пречки:

слабото паразитно отражение на светлината от задните повърхности на лещите; микроскопичните фазови закъснения по краищата на огледалата; нестандартните ъгли на падане на лъчите, при които възникват сложни вълнови наслагвания.

Програмата обединява тези дребни ефекти в една работеща система. В лабораторията схемата показва висока точност. Въпреки това след сглобяването и проверката на устройството учените трябва да отделят месеци, за да извършат обратни изчисления и да преведат получената от машината конфигурация на разбираем научен език. Учените виждат, че устройството работи, но им е необходимо допълнително време, за да обяснят на колегите си конкретните физически механизми на неговата работа.

Идеята за универсален физичен симулатор

Марио Кренн и колегите му отбелязват, че настоящите резултати представляват преходен етап. Крайната цел на изследователската работа е създаването на универсален симулатор на физичните процеси.

В момента програмите се пишат за конкретни, тясно специализирани задачи: една изчислява оптичен интерферометър, друга – магнитна бобина, трета – траекториите на електроните във вакуум. Универсалният симулатор трябва да обедини основните уравнения от всички области на физиката в рамките на единна изчислителна среда.

Ако такава среда бъде създадена, работата на експериментатора ще се промени по следния начин:

Физикът въвежда в програмата фундаменталните уравнения на теорията, която иска да провери. Програмата анализира кои физически величини могат да потвърдят или опровергаят тези уравнения. Алгоритъмът самостоятелно съставя списък с оборудването, изчислява схемата на неговото разположение и извежда на екрана чертеж на готовата експериментална установка.

Това ще позволи на учените да се откажат от дългогодишната практика на проби и грешки при конструирането на нестандартни прибори.

Как се променя ролята на изследователя

Делегирането на рутинни проектни задачи на компютъра не означава, че физиците вече няма да са необходими на науката. Налице е преразпределение на задълженията между човека и машината.

Исторически науката вече е преминавала през подобни етапи. До средата на ХХ век учените извършваха сложни математически изчисления на ръка, запълвайки страници с цифри и таблици. Появата на електронните калкулатори и мощните компютри освободи хората от механичното смятане, като им позволи да се съсредоточат върху анализа на данните и формулирането на теории.

В експерименталната работа в момента протича аналогичен процес. Алгоритъмът отлично решава задачата за преглед и комбиниране на различните елементи, но не може да действа без участието на човек по три причини:

Поставяне на задачата. Компютърът не знае какво точно трябва да се изследва. Целта на изследването — например, търсене на нарушение на симетрията или проверка на квантовата теория на гравитацията — винаги се формулира от човека. Определяне на ограниченията. Програмата е способна да изведе схема, изискваща лазер с нереална мощност или огледала с размери от десетки метри. Ученият е длъжен строго да определи рамките: бюджета на проекта, размерите на помещението, термоустойчивостта на материалите, достъпните видове сензори. Интерпретация на резултатите. Получаването на числови данни от сензорите не е краят на работата. Данните трябва да се съпоставят със съществуващите научни теории, да се разбере тяхното значение за фундаменталната картина на света и да се реши накъде да се върви по-нататък.

Физиката преминава към ново ниво на организация на труда. Изследователят престава да бъде механик, който ръчно напасва детайлите на работната маса. Неговото основно задължение става точното формулиране на научните въпроси и оценката на отговорите, които природата дава чрез компютърно изчислени експериментални постановки.