Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2024 Johnowi J. Hopfieldowi i Geoffreyowi E. Hintonowi „za fundamentalne odkrycia i wynalazki, które umożliwiają uczenie maszynowe z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych”.
Wczoraj rozpoczął się Tydzień Noblowski tradycyjnie od przyznania Nagrody Nobla z medycyny i fizjologii, którą otrzymali Victor Ambros i Gary Ruvkun za odkrycie mikroRNA i jego roli w potranskrypcyjnej regulacji genów (więcej na ten temat w tekście: Ogłoszono laureatów Nagrody Nobla 2024 z medycyny i fizjologii). Dziś poznaliśmy laureatów z fizyki, a w środę dowiemy się, kto został uhonorowany Nagrodą z chemii. W czwartek Akademia Szwedzka ogłosi nazwisko laureata literackiej Nagrody Nobla, a w piątek Norweski Komitet Noblowski poinformuje o przyznaniu Pokojowej Nagrody Nobla. W następny poniedziałek poznamy laureata lub laureatów tzw. ekonomicznego Nobla, jedynej nagrody, której w swoim testamencie nie wymienił fundator nagrody Alfred Nobel. Nagrodę przyznaje Centralny Bank Szwecji.
Nagroda Nobla 2024 z fizyki
Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki otrzymali John J. Hopfield i Geoffrey E. Hinton „za fundamentalne odkrycia i wynalazki, które umożliwiają uczenie maszynowe z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych”.
Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki wykorzystali fizykę do opracowania metod, które stanowią podstawę dzisiejszego uczenia maszynowego. John Hopfeld stworzył pamięć asocjacyjną, która może przechowywać i rekonstruować obrazy i inne rodzaje wzorców w danych. Geoffrey Hinton wynalazł metodę, która może autonomicznie znajdować właściwości w danych, a tym samym wykonywać zadania, takie jak identyfikowanie określonych elementów na obrazach.
Kiedy mówimy o sztucznej inteligencji, często mamy na myśli uczenie maszynowe z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych. Ta technologia została pierwotnie zainspirowana strukturą mózgu. W sztucznej sieci neuronowej neurony mózgu są reprezentowane przez węzły o różnych wartościach. Te węzły wpływają na siebie nawzajem poprzez połączenia, które można porównać do synaps i które mogą być wzmacniane lub osłabiane. Sieć jest trenowana, na przykład poprzez rozwijanie silniejszych połączeń między węzłami o jednocześnie wysokich wartościach.
Laureaci prowadzili prace ze sztucznymi sieciami neuronowymi od lat 80. XX wieku. John Hopfeld wynalazł sieć, która wykorzystuje metodę zapisywania i odtwarzania wzorów. Możemy sobie wyobrazić węzły jako piksele. Sieć Hopfelda wykorzystuje fizykę, która opisuje cechy materiału ze względu na jego spin atomowy – właściwość, która sprawia, że każdy atom jest maleńkim magnesem. Sieć jako całość jest opisywana w sposób równoważny energii w układzie spinowym w fizyce i jest trenowana przez znajdowanie wartości dla połączeń między węzłami, tak aby zapisane obrazy miały niską energię. Kiedy sieć Hopfelda otrzymuje zniekształcony lub niekompletny obraz, metodycznie pracuje przez węzły i aktualizuje ich wartości, tak że energia sieci spada. Sieć pracuje więc krokowo, aby znaleźć zapisany obraz, który jest najbardziej podobny do niedoskonałego, który otrzymała.
Geoffrey Hinton wykorzystał sieć Hopfelda jako podstawę dla nowej sieci, która wykorzystuje inną metodę: maszynę Boltzmanna. Może ona nauczyć się rozpoznawać charakterystyczne elementy w danym typie danych.
Hinton wykorzystał narzędzia z fizyki statystycznej, nauki o systemach zbudowanych z wielu podobnych komponentów. Maszyna jest trenowana poprzez podawanie jej przykładów, które z dużym prawdopodobieństwem pojawią się, gdy maszyna jest uruchomiona. Maszyna Boltzmanna może być używana do klasyfikowania obrazów lub tworzenia nowych przykładów typu wzorca, na którym została wytrenowana.
Nagroda Nobla 2023 z fizyki
W ubiegłym roku Nagroda Nobla z fizyki została przyznana Pierre’owi Agostiniemu, Ferencowi Krauszowi i Anne L’Huillier „za metody eksperymentalne generujące attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii”. Laureaci stworzyli błyski światła, które są wystarczająco krótkie, aby uchwycić niezwykle szybkie ruchy elektronów. L'Huillier odkryła nowy efekt interakcji światła lasera z atomami gazu. Z kolei Agostini i Krausz wykazali, że efekt ten można wykorzystać do wytworzenia krótszych impulsów światła, niż było to wcześniej możliwe.
Ruchy elektronów w atomach i cząsteczkach są tak szybkie, że mierzy się je w attosekundach. Attosekunda jest równa jednej trylionowej części sekundy i „ma się do jednej sekundy tak, jak jedna sekunda do wieku Wszechświata”. Teraz, gdy za pomocą osiągnięć laureatów świat attosekundowy stał się dostępny, te krótkie błyski światła można wykorzystać do badania ruchów elektronów. Obecnie możliwe jest wytwarzanie impulsów o długości zaledwie kilkudziesięciu attosekund, a technologia ta cały czas się rozwija.
Impulsy te wykorzystywane są badania atomów i cząsteczek i mają potencjalne zastosowania w różnorakich dziedzinach, od elektroniki po medycynę. Impulsy attosekundowe można również wykorzystać do identyfikacji różnych cząsteczek, na przykład w diagnostyce medycznej.
Więcej na temat ubiegłorocznej nagrody można przeczytać w tekście: Nobel z fizyki. „Nagrodzono walkę z falową naturą światła”.
Nagrody Nobla z fizyki
Regulamin Nagrody Nobla mówi, że można nią uhonorować maksymalnie trzy osoby. W ostatnim czasie Fundacja Noblowska podwyższyła wysokość nagrody do 11 milionów koron szwedzkich. To w przeliczeniu daje niecały miliony euro. Laureaci otrzymają także medal oraz dyplom.
Do tej pory przyznano 117 Nagród Nobla z fizyki. Wyróżnienie to przyznawane jest od 1901 roku. Otrzymało je łącznie 224 naukowców. Wśród nich były tylko cztery kobiety, a jedna z nich to Maria Curie-Skłodowska, która oprócz Nobla z fizyki otrzymała także Nobla z chemii. Jako jedyny dwukrotnie Nagrodę Nobla z fizyki otrzymał John Bardeen. Pierwsze wyróżnienie otrzymał w 1956 roku za badania nad półprzewodnikami i opracowanie tranzystora. Drugi raz nagrodzony został w 1972 r. za „sformułowanie teorii nadprzewodnictwa”.
Do tej pory najmłodszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki jest Lawrence Bragg, który miał 25 lat, kiedy w 1915 roku wraz z ojcem otrzymał nagrodę Nobla. Panowie wyróżnieni zostali za wkład w badanie struktury krystalicznej za pomocą promieniowania rentgenowskiego.
Z kolei najstarszym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki jest Arthur Ashkin, który miał 96 lat, kiedy otrzymał nagrodę Nobla w 2018 roku. Nagrodzono jego prace nad pęsetami optycznymi i ich zastosowaniem w układach biologicznych.
