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剛剛，2024年諾貝爾物理學獎揭曉！
北京時間10月8日下午5點45分許，2024年諾貝爾物理學獎揭曉。美國普林斯頓大學科學家約翰·霍普菲爾德（John J. Hopfield）和加拿大多倫多大學科學家杰弗里·辛頓（Geoffrey E. Hinton）獲獎，以表彰他們“基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)機器學習的基礎性發(fā)現(xiàn)和發(fā)明”。
他們用物理學訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡
今年的兩位諾貝爾物理學獎得主使用物理學的工具來開發(fā)方法，這些方法是當今強大的機器學習的基礎。John J. Hopfield創(chuàng)造了一種聯(lián)想記憶，可以存儲和重建圖像和其他類型的數(shù)據(jù)模式。Geoffrey Hinton發(fā)明了一種方法，可以自動發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的屬性，從而執(zhí)行識別圖片中的特定元素等任務。
當我們談論人工智能時，我們通常指的是使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的機器學習。這項技術最初是受到大腦結構的啟發(fā)。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡中，大腦的神經(jīng)元由具有不同值的節(jié)點表示。這些節(jié)點通過連接相互影響，這些連接可以被比作突觸，可以增強或減弱。例如，通過在同時具有高值的節(jié)點之間建立更強的連接來訓練網(wǎng)絡。今年的獲獎者從20世紀80年代開始就在人工神經(jīng)網(wǎng)絡方面開展了重要的工作。
John Hopfield發(fā)明了一種網(wǎng)絡，可以使用一種方法來保存和重建模式。我們可以把節(jié)點想象成像素。Hopfield網(wǎng)絡利用物理學來描述材料的特性，這是由于它的原子自旋——使每個原子成為微小磁鐵的一種特性。整個網(wǎng)絡的描述方式相當于物理中發(fā)現(xiàn)的自旋系統(tǒng)中的能量，并通過尋找節(jié)點之間的連接值來訓練，以便保存的圖像具有低能量。當Hopfield網(wǎng)絡得到一張扭曲或不完整的圖像時，它會有條不紊地通過節(jié)點并更新它們的值，這樣網(wǎng)絡的能量就會下降。因此，網(wǎng)絡逐步找到最像它輸入的不完美圖像的已存圖像。
Geoffrey Hinton使用Hopfield網(wǎng)絡作為新網(wǎng)絡的基礎，它采用了一種不同的方法——玻爾茲曼機。它可以學習識別給定類型數(shù)據(jù)中的特征元素。Hinton使用了統(tǒng)計物理學的工具，這是一門由許多相似內容組成的系統(tǒng)科學。通過給機器輸入在實際運行時很可能出現(xiàn)的例子來訓練它。玻爾茲曼機器可以用來對圖像進行分類，或者為它所訓練的模式類型創(chuàng)建新的例子。Hinton在這項工作的基礎上，幫助開啟了當前機器學習的爆炸性發(fā)展。
“獲獎者的工作已經(jīng)帶來了巨大的好處。在物理學中，我們在廣泛的領域使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡，例如開發(fā)具有特定性能的新材料。”諾貝爾物理學委員會主席Ellen Moons說。
獲獎者簡歷
John J. Hopfield，1933年出生于美國芝加哥。1958年從美國康奈爾大學獲得博士學位。目前為美國普林斯頓大學教授。
Geoffrey E. Hinton，1947年出生于英國倫敦。1978年從英國愛丁堡大學獲得博士學位。目前為加拿大多倫多大學教授。
基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)機器學習的基礎性發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。圖片來自：瑞典皇家科學院/Johan Jarnestad
天然和人工神經(jīng)元
大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡是由活細胞、神經(jīng)元和先進的內部機制構成的。它們可以通過突觸相互傳遞信號。當我們學習東西時，一些神經(jīng)元之間的聯(lián)系變得更強，而另一些神經(jīng)元之間的聯(lián)系變得更弱。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是由帶有值編碼的節(jié)點構建的。節(jié)點之間相互連接，當網(wǎng)絡被訓練時，同時活躍的節(jié)點之間的連接會變得更強，否則則會變弱。
圖片來自：瑞典皇家科學院/Johan Jarnestad
過去10年諾貝爾物理學獎得主名單
2023年——美國科學家Pierre Agostini、德國科學家Ferenc Krausz和法國/瑞典科學家Anne L’Huillier獲獎，獲獎理由是“開發(fā)了產生阿秒光脈沖的實驗方法，用于研究物質中的電子動力學”。
2022年——法美奧三位科學家Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger獲獎，獲獎理由是“進行了糾纏光子的實驗，確立了貝爾不等式的違反，并開創(chuàng)了量子信息科學”。
2021年——美德意三位科學家因“對人們理解復雜物理系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻”而獲獎。美籍日裔科學家Syukuro Manabe、德國科學家Klaus Hasselmann的獲獎理由是“物理模擬地球氣候，量化變化和可靠地預測全球變暖”；意大利科學家Giorgio Parisi的獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)的無序和波動的相互作用”。
2020年——英國科學家Roger Penrose獲獎，獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)黑洞形成是廣義相對論的一個有力預測”；另外兩位獲獎者是德國和美國科學家Reinhard Genzel、Andrea Ghez，獲獎理由是“在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個超大質量的致密天體”。
2019年——美國科學家James Peebles獲獎，獲獎理由是“在物理宇宙學的理論發(fā)現(xiàn)”；另外兩位獲獎者是瑞士科學家Michel Mayor和Didier Queloz，獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星”。
2018年——美法加三位科學家Arthur Ashkin、Gerard Mourou和Donna Strickland獲獎，獲獎理由是“在激光物理學領域所作出的開創(chuàng)性發(fā)明”。
2017年——三位美國科學家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne獲獎，獲獎理由是“對LIGO探測器和引力波觀測的決定性貢獻”。
2016年——英美三位科學家David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane和J. Michael Kosterlitz獲獎，獲獎理由是“理論發(fā)現(xiàn)拓撲相變和拓撲相物質”。
2015年——日本科學家Takaaki Kajita和加拿大科學家Arthur B. McDonald獲獎，獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，表明中微子具有質量”。
2014年——日本及美國三位科學家Isamu Akasaki、Hiroshi Amano、Shuji Nakamura獲獎，獲獎理由是“發(fā)明了高效藍光二極管，帶來了明亮而節(jié)能的白色光源”。
諾貝爾物理學獎小知識
——截至2023年，諾貝爾物理學獎共頒發(fā)了117次，沒有頒發(fā)的六年分別是1916、1931、1934、1940、1941和1942年。
——從1901年至2023年，共225人次獲獎，實際獲獎個人為224人，因為美國物理學家John Bardeen于1956年和1972年兩次獲獎。
——117次頒獎中，47次為單獨獲獎者，32次為2人共享，38次為3人共享。
——最年輕的獲獎者是英國物理學家Lawrence Bragg，1915年因“用X射線對晶體結構的分析所作的貢獻”與父親一起獲獎，時年25歲。
——最年長的獲獎者是美國物理學家Arthur Ashkin，2018年因“在激光物理學領域所作出的開創(chuàng)性發(fā)明”獲獎，時年96歲。
——224位諾貝爾物理學獎得主中，有5位女性。分別是1903年的居里夫人（居里夫人另外還獲得1911年的化學獎）、1963年的Maria Goeppert-Mayer、2018年的Donna Strickland、2020年的Andrea Ghez，以及2023年的Anne L’Huillier。
——諾獎史上的“家庭”諾獎。
夫婦：Marie Curie和Pierre Curie夫婦獲得1903年的諾貝爾物理學獎；
父子：William Bragg和Lawrence Bragg父子獲得1915年的諾貝爾物理學獎；Niels Bohr獲得1922年諾貝爾物理學獎，其子Aage N. Bohr獲得1975年諾貝爾物理學獎；Manne Siegbahn獲得1924年諾貝爾物理學獎，其子Kai M. Siegbahn獲得1981年諾貝爾物理學獎；J. J. Thomson獲得1906年諾貝爾物理學獎，其子George Paget Thomson獲得1937年諾貝爾物理學獎。
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