برنده جایزه نوبل با کمک مدل Claude فرضیه پیچیده فیزیک آماری را اثبات کرد

«جورجو پاریسی»، برنده جایزه نوبل فیزیک سال 2021، به همراه همکارش «فرانچسکو زامپونی» موفق شدند به کمک هوش مصنوعی Claude آنتروپیک، فرضیه‌ای دوازده‌ساله در حوزه فیزیک سیستم‌های متراکم را اثبات کنند.

برای درک اهمیت این کشف بزرگ، ابتدا باید با فرضیه علمی گذار تراکم (Jamming Transition) آشنا شد که یکی از مباحث جذاب ولی دشوار فیزیک آماری محسوب می‌شود. ساده‌ترین راه برای تجسم این پدیده فیزیکی، تصورکردن یک میز بیلیارد بزرگ است که با تعداد زیادی توپ پوشانده شده است؛ اگر مدام به تعداد توپ‌های روی میز اضافه کنید، در نقطه‌ای مشخص تراکم به قدری بالا می‌رود که توپ‌ها کامل قفل می‌شوند و فضای خالی برای حرکت هیچ توپی باقی نمی‌ماند.

در این وضعیت، هر توپ توسط همسایگان خود در جای خود قفل می‌شود و کل سیستم از حالت یک مایع روان و بی‌نظم به یک ساختار جامد و بی‌نظم تبدیل می‌شود که به آن حالت تراکم‌یافته می‌گویند. این گذار ناگهانی فیزیکی، در ساختار بسیاری از مواد از جمله فوم‌ها و مواد دانه‌ای رخ می‌دهد.

اثبات فرضیه فیزیک آماری با کمک مدل Claude آنتروپیک

به گزارش لایوساینس، در سال 2014 جورجو پاریسی و فرانچسکو زامپونی در پژوهشی توانستند پدیده تراکم را در ابعاد بی‌نهایت به شکل ریاضی مدل‌سازی کنند. آن‌ها در خلال این محاسبات متوجه یک رفتار عجیب و بسیار منظم شدند؛ به این صورت که در حالت متراکم و قفل‌شده، ذرات در دو وضعیت قرار می‌گیرند: یا بسیار به یکدیگر فشار وارد می‌کنند (نیروی تماسی) یا با فاصله‌های بسیار بسیار جزئی در کنار هم قرار دارند (شکاف‌های تماسی). نحوه پراکندگی و شدت این نیروها با یک شناسه ریاضی به نام نمای بحرانی b توصیف می‌شود و الگوی توزیع آن شکاف‌های ناچیز نیز با نمای بحرانی a مشخص می‌گردد.

محاسبات فیزیک‌دانان نشان داد که این دو شناسه مجزا، رابطه‌ای متقارن با یکدیگر دارند و حاصل‌جمع آن‌ها همیشه برابر با عدد یک می‌شود (a+b=1). این یعنی چیدمان هندسی شکاف‌ها و توزیع نیروها در سیستم، به شکل بی‌نقصی با هم هماهنگ و جفت شده‌اند.

READ  ساخت پردازنده کوانتومی ۱۰۰ کیوبیتی با دمای نزدیک به صفر مطلق

با اینکه شبیه‌سازی‌های کامپیوتری در طول ۱۲ سال گذشته همیشه درستی این تساوی ساده را نشان می‌دادند، اما هیچ دانشمندی نتوانسته بود فرایند تحلیلی و ریاضی پشت آن را اثبات کند؛ زیرا فیزیک‌دانان گمان می‌کردند اثبات این سادگی ظاهری، پدیده‌ای بسیار عمیق‌تر است و برای رسیدن به آن ناگزیر هستند نظریه‌های متفاوتی از فیزیک ایستایی و پایداری دینامیکی را با قوانین جدید و کشف‌نشده به یکدیگر پیوند دهند.

پس از گذشت بیش از یک دهه بی‌نتیجه‌ماندن تلاش‌ها، جورجو پاریسی تصمیم گرفت زاویه دید جدیدی را امتحان کند. او برای این کار به سراغ مدل‌های Sonnet 4.6 و Opus 4.7 آنتروپیک رفت. پس از اطمینان کامل از توانایی این مدل در درک ساختار معادلات غیرخطی، پاریسی مسئله اصلی را با هوش مصنوعی مطرح کرد و از آن خواست اثباتی تحلیلی برای این موضوع ارائه دهد که چرا رابطه ریاضی a+b=1 همواره برقرار است.

اگرچه خروجی اولیه تولیدشده توسط هوش مصنوعی حاوی برخی اشتباهات جزئی و خطاهای محاسباتی بود که نیاز به بازنگری دستی توسط فیزیک‌دانان داشت، اما مسیر کلی حل معادله درست به نظر می‌رسید. در جریان یک فرایند تکرارشونده و دیالوگ مستمر که در مجموع شامل 40 مرتبه پرسش‌و‌پاسخ میان محققان و هوش مصنوعی بود، یک راهکار ریاضی پایدار و قابل انتشار به دست آمد.

یافته‌های این پژوهش در ژورنال Statistical Mechanics Theory and Experiment منتشر شده است.