换一套体系，描述宇宙

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko，原文标题：《存在另一种物理来描述宇宙吗？》，题图来自：《降临》

著名科幻小说家姜峯楠（Ted Chiang）在《你一生的故事》中构思了一个讲述人类和外星人“七肢桶”接触的故事。

面对相同的宇宙基本规律，人类和七肢桶却有着不一样的理解，由此产生了不同的“物理”来解读同一种自然现象。这导致两种文明的语言，甚至思维方式都有了本质上的区别。

《降临》剧照，电影改编自《你一生的故事》。

这是一种非常颠覆性的想象，却也带来了一个有意思的问题：假如有朝一日，我们遇到了一个足够智慧的外星种族，他们是否会发现和我们一样的物理定律，或者他们可能以不同的方式来描述宇宙？

这个问题还可以换种问法，那就是，面对一套系统，是否只有一种物理方式来描述它，还是说，我们有可能找到其他可行，甚至更优的描述方法？

这正是一组研究人员利用一个新的人工智能（AI）在探索的问题。这个程序可以通过一台摄像机观察物理现象，然后试图找到那些能完全描述所观察到的动态的最小基本变量集。论文已发表在《自然·计算科学》上。

确定相关变量

能量（E）、质量（m）、速度（c），这三个变量构成了爱因斯坦最具代表性的方程E=mc²。但爱因斯坦起初是如何知道这些概念的呢？

理解物理的一个先导步骤是确定相关变量。如果没有能量、质量和速度的概念，即使是爱因斯坦也无法发现相对论。

几千年来，人们知道物体快速或缓慢地移动，但只有当速度和加速度的概念被正式量化时，牛顿才能发现他著名的运动定律F=ma。同样地，描述温度和压力的变量需要在热力学定律被正式建立之前就被确定。

科学世界的每个角落都是如此，变量是理论的前奏。但这些变量能“自动”被发现吗？如果能的话，就有望极大地加速科学发现。

在新研究中，研究人员开始向系统提供他们已经知道答案的现象的原始视频片段。例如，他们输入了一个摆动的双摆的视频，已知它有4个物理状态变量，也就是两条臂中每一条的角度和角速度。

经过几个小时的分析，AI输出了它的答案：4.7。

研究人员认为，对AI来说，这个答案已经足够接近了，特别是这是AI在没有任何物理学或几何学知识的，能读到的仅仅是一段原始视频片段的情况下得出的答案。

但仅仅有变量的数量还不够，更让科学家好奇的是，AI所说的这些变量究竟是什么。他们随后开始着手将程序确定的实际变量可视化。

但提取变量本身并不容易，因为计算机程序无法以人类可以理解的直观方式来描述它们。经过一番探查，他们发现，程序选择的两个变量似乎大致对应着臂的角度，但另外两个变量的选择仍然是谜。

研究人员试图将其他变量与他们能想到的任何东西联系起来，比如角速度和线速度，动能和势能，以及各种已知量的组合，但似乎没有什么能完美匹配。

他们很有信心，AI的确已经找到了一套有效的四个变量，因为它进行着良好的预测，只是他们还不了解它所讲的数学语言。

探索未知的复杂系统

在验证了一些具有已知解的其他物理系统后，研究人员向它提供了其他一些视频，其中都包含着他们不知道明确答案的物理系统。

比如，其中一批视频是一个“充气舞者”在当地一个二手车市场前“跳舞”。经过几个小时的分析，AI返回了8个变量。一段熔岩灯的视频让程序判断出了8个变量。随后，他们输入了一段假日壁炉火焰视频片段，程序返回了24个变量。

在实验中向AI提供的部分视频片段代表，包括一个充气舞者、一台熔岩灯和壁炉火焰的视频片段等等。（图／哥伦比亚大学）

这就带来了一个格外有趣的问题：每个系统的变量集是否是唯一的，又或者，每次重新启动程序时它会不会产生不同的变量集？

在实验中，每次AI重新启动时，得出的变量数量是相同的，但每一次的具体变量却不同。可以这么说，似乎的确存在不同的方法来描述宇宙。

而且很可能的是，也许有些现象看起来复杂得令人费解，是因为我们正试图用错误的变量集来理解和描述它们。很多时候，我们的选择未必完美。

帮助理解复杂现象

过去的软件系统可以从实验数据中提炼出自由形式的物理定律，但前提是要事先确定变量。而研究人员认为，这种新AI可以帮助科学家发现复杂的现象，对于这些现象，理论认识可能还没有跟上数据洪流的步伐，比如生物学和宇宙学的领域。

虽然团队在这项研究中使用的是视频数据，但理论上来说任何种类的阵列数据源都可以使用，包括射电阵列或者DNA阵列。这或许在未来能够加速科学发现的脚步。

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

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko