著名科幻小說(shuō)家姜峯楠（Ted Chiang）在《你一生的故事》中構(gòu)思了一個(gè)講述人類(lèi)和外星人 " 七肢桶 " 接觸的故事。

面對(duì)相同的宇宙基本規(guī)律，人類(lèi)和七肢桶卻有著不一樣的理解，由此產(chǎn)生了不同的 " 物理 " 來(lái)解讀同一種自然現(xiàn)象。這導(dǎo)致兩種文明的語(yǔ)言，甚至思維方式都有了本質(zhì)上的區(qū)別。

《降臨》劇照，電影改編自《你一生的故事》。（圖／派拉蒙影業(yè)）

這是一種非常顛覆性的想象，卻也帶來(lái)了一個(gè)有意思的問(wèn)題：假如有朝一日，我們遇到了一個(gè)足夠智慧的外星種族，他們是否會(huì)發(fā)現(xiàn)和我們一樣的物理定律，或者他們可能以不同的方式來(lái)描述宇宙？

這個(gè)問(wèn)題還可以換種問(wèn)法，那就是，面對(duì)一套系統(tǒng)，是否只有一種物理方式來(lái)描述它，還是說(shuō)，我們有可能找到其他可行，甚至更優(yōu)的描述方法？

這正是一組研究人員利用一個(gè)新的人工智能（AI）在探索的問(wèn)題。這個(gè)程序可以通過(guò)一臺(tái)攝像機(jī)觀察物理現(xiàn)象，然后試圖找到那些能完全描述所觀察到的動(dòng)態(tài)的最小基本變量集。論文已發(fā)表在《自然 · 計(jì)算科學(xué)》上。

確定相關(guān)變量

能量（E）、質(zhì)量（m）、速度（c），這三個(gè)變量構(gòu)成了愛(ài)因斯坦最具代表性的方程 E=mc²。但愛(ài)因斯坦起初是如何知道這些概念的呢？

理解物理的一個(gè)先導(dǎo)步驟是確定相關(guān)變量。如果沒(méi)有能量、質(zhì)量和速度的概念，即使是愛(ài)因斯坦也無(wú)法發(fā)現(xiàn)相對(duì)論。

幾千年來(lái)，人們知道物體快速或緩慢地移動(dòng)，但只有當(dāng)速度和加速度的概念被正式量化時(shí)，牛頓才能發(fā)現(xiàn)他著名的運(yùn)動(dòng)定律 F=ma。同樣地，描述溫度和壓力的變量需要在熱力學(xué)定律被正式建立之前就被確定。

科學(xué)世界的每個(gè)角落都是如此，變量是理論的前奏。但這些變量能 " 自動(dòng) " 被發(fā)現(xiàn)嗎？如果能到話，就有望極大地加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

在新研究中，研究人員開(kāi)始向系統(tǒng)提供他們已經(jīng)知道答案的現(xiàn)象的原始視頻片段。例如，他們輸入了一個(gè)擺動(dòng)的雙擺的視頻，已知它有 4 個(gè)物理狀態(tài)變量，也就是兩條臂中每一條的角度和角速度。

經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的分析，AI 輸出了它的答案：4.7。

研究人員認(rèn)為，對(duì) AI 來(lái)說(shuō)，這個(gè)答案已經(jīng)足夠接近了，特別是這是 AI 在沒(méi)有任何物理學(xué)或幾何學(xué)知識(shí)的，能讀到的僅僅是一段原始視頻片段的情況下得出的答案。

但僅僅有變量的數(shù)量還不夠，更讓科學(xué)家好奇的是，AI 所說(shuō)的這些變量究竟是什么。他們隨后開(kāi)始著手將程序確定的實(shí)際變量可視化。

但提取變量本身并不容易，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序無(wú)法以人類(lèi)可以理解的直觀方式來(lái)描述它們。經(jīng)過(guò)一番探查，他們發(fā)現(xiàn)，程序選擇的兩個(gè)變量似乎大致對(duì)應(yīng)著臂的角度，但另外兩個(gè)變量的選擇仍然是謎。

研究人員試圖將其他變量與他們能想到的任何東西聯(lián)系起來(lái)，比如角速度和線速度，動(dòng)能和勢(shì)能，以及各種已知量的組合，但似乎沒(méi)有什么能完美匹配。

他們很有信心，AI 的確已經(jīng)找到了一套有效的四個(gè)變量，因?yàn)樗M(jìn)行著良好的預(yù)測(cè)，只是他們還不了解它所講的數(shù)學(xué)語(yǔ)言。

探索未知的復(fù)雜系統(tǒng)

在驗(yàn)證了一些具有已知解的其他物理系統(tǒng)后，研究人員向它提供了其他一些視頻，其中都包含著他們不知道明確答案的物理系統(tǒng)。

比如，其中一批視頻是一個(gè) " 充氣舞者 " 在當(dāng)?shù)匾粋€(gè)二手車(chē)市場(chǎng)前 " 跳舞 "。經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的分析，AI 返回了 8 個(gè)變量。一段熔巖燈的視頻讓程序判斷出了 8 個(gè)變量。隨后，他們輸入了一段假日壁爐火焰視頻片段，程序返回了 24 個(gè)變量。

在實(shí)驗(yàn)中向 AI 提供的部分視頻片段代表，包括一個(gè)充氣舞者、一臺(tái)熔巖燈和壁爐火焰的視頻片段等等。（圖／哥倫比亞大學(xué)）

這就帶來(lái)了一個(gè)格外有趣的問(wèn)題：每個(gè)系統(tǒng)的變量集是否是唯一的，又或者，每次重新啟動(dòng)程序時(shí)它會(huì)不會(huì)產(chǎn)生不同的變量集？

在實(shí)驗(yàn)中，每次 AI 重新啟動(dòng)時(shí)，得出的變量數(shù)量是相同的，但每一次的具體變量卻不同。可以這么說(shuō)，似乎的確存在不同的方法來(lái)描述宇宙。

而且很可能的是，也許有些現(xiàn)象看起來(lái)復(fù)雜得令人費(fèi)解，是因?yàn)槲覀冋噲D用錯(cuò)誤的變量集來(lái)理解和描述它們。很多時(shí)候，我們的選擇未必完美。

幫助理解復(fù)雜現(xiàn)象

過(guò)去的軟件系統(tǒng)可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提煉出自由形式的物理定律，但前提是要事先確定變量。而研究人員認(rèn)為，這種新 AI 可以幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的現(xiàn)象，對(duì)于這些現(xiàn)象，理論認(rèn)識(shí)可能還沒(méi)有跟上數(shù)據(jù)洪流的步伐，比如生物學(xué)和宇宙學(xué)的領(lǐng)域。

雖然團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中使用的是視頻數(shù)據(jù)，但理論上來(lái)說(shuō)任何種類(lèi)的陣列數(shù)據(jù)源都可以使用，包括射電陣列或者 DNA 陣列。這或許在未來(lái)能夠加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)的腳步。