2024年物理諾獎頒給「AI+物理」：Geoffrey Hinton和John Hopfield因人工神經網絡成果獲獎

10月08日 18:47 新浪網 news-china-auto-hilite

香港時間10月8日下午5點45分許，2024年盧保物理學獎揭曉。來自美國和加拿大的兩名科學家John J. Hopfield、Geoffrey E. Hinton獲獎，以表彰他們「基於人工神經網絡實現機器學習的基礎性發現和發明」。

今年獲獎的兩位物理學家完全出乎所有人的預料。與傳統的物理學研究不同，今年得主的成果代表著計算機科學的進步。之前，盧保物理學獎從未直接頒發給計算機科學相關的研究，尤其是軟件、算法相關的研究。

頒獎的時候，Hinton也處於在線上網狀態，但他表示他完全沒想到自己能獲得盧保物理學獎。Hinton回憶了自己成果的發現過程，並致敬了所有的合作者，講述了他們是如何一步一步實現了基於玻爾茲曼機的學習算法。

當被問到他自己在用什麼AI工具時，Hinton表示他自己在用GPT-4。他不完全相信GPT-4的答案，但一旦自己有什麼不知道，就會去問一下GPT-4。

（來源：諾獎官網）

諾獎委員會表示，今年這兩位盧保物理學獎得主利用物理學工具開發出的人工神經網絡方法，為當今強大的機器學習奠定了基礎。

Hopfield發明了一種聯想記憶，可以存儲和重建圖像和其他類型的數據模式。Hinton發明了一種可以在數據中自主查找屬性的方法，從而執行諸如識別圖片中特定元素等任務。

當我們談論人工智能時，我們通常指的是使用人工神經網絡的機器學習。而這項技術的早期靈感來自大腦結構。

在人工神經網絡中，大腦的神經元由具有不同值的節點表示。這些節點通過類似突觸的連接相互影響，這些連接可以變得更強或更弱。而網絡可以被訓練，例如通過在同時具有高值的節點之間建立更強的連接。

今年的獲獎者從20世紀80年代開始就對人工神經網絡進行了重要研究。Hopfield發明了一種網絡——Hopfield網絡，它使用了一種可保存和重建圖片的方法。

我們可以將節點想像成像素。Hopfield網絡利用物理學來描述材料由於原子自旋而產生的特性，這種特性使每個原子都成為了一個微小的磁鐵。

整個網絡的描述方式相當於物理學中自旋系統的能量，並通過尋找節點之間連接的值來進行訓練，以便讓保存的圖像具有較低的能量。

當Hopfield網絡被輸入變形或不完整的圖像時，它會有條不紊地處理節點並更新它們的值，從而降低網絡的能量。因此，網絡會逐步找到與輸入的不完美圖像最相似的保存圖像。

Hinton以Hopfield網絡為基礎，開發了一種新網絡：玻爾茲曼機（Boltzmann machine）。這種機器能夠通過學習來識別某類數據中的特定元素特徵。在此期間，Hinton利用了統計物理學的工具。

統計物理學是研究由許多相似組件構建的系統性科學，並通過輸入機器運行時很可能出現的例子來訓練機器。

玻爾茲曼機可以用來分類圖像或根據它訓練時使用的模式類型創建新例子。Hinton在此基礎上繼續發展，幫助啟動了當前機器學習的爆炸式發展。

盧保物理學獎委員會主席Ellen Moons表示：「獲獎者的工作已經產生了巨大的效益。在物理學中，人工神經網絡已經得到了廣泛的應用，例如開發具有特定屬性的新材料。」

John J. Hopfield：91歲的高齡諾獎得主

Hopfield是美國普林斯頓大學教授。其因對聯想神經網絡的研究而廣為人知，該模型現在被稱為Hopfield網絡。

他的父母都是物理學家。早年，他在美國斯沃斯莫爾學院獲得學士學位，之後在美國康奈爾大學獲得物理學博士學位。在美國巴爾實驗室的理論小組工作兩年後，分別在美國加州大學伯克利分校、普林斯頓大學和美國加州理工學院任教，隨後再次回到普林斯頓大學任教。

1974 年，Hopfield證明了基因表達的高精確度可以用稱為「動態校對」的偶聯化學反應來解釋，這也是遺傳學領域的一項重大貢獻。

他將動態校對描述為生物反應（如蛋白質合成）中的一種糾錯機制，它在基因表達的所有步驟以及免疫系統識別外來物質的能力中都是必不可少的。

1982 年，他開發了一種神經網絡模型，用於解釋大腦如何回憶記憶。其解釋了神經元系統如何相互作用以產生穩定的記憶，以及神經元系統如何應用簡單的過程來根據部分信息完成整個記憶。

Hopfield神經網絡對物理學、生物學和計算機科學等不同領域產生顯著影響。通過構建能夠模擬人腦某些功能的人工神經網絡，機器現在可以使用這些過程來存儲「記憶」，這項技術進步掀起了深度學習技術的研究浪潮。目前，他的研究主要集中於動作電位定時和同步如何用於神經生物學計算。

圖 | John J. Hopfield（來源：資料圖）

Geoffrey E. Hinton：此前曾獲圖靈獎，因擔憂AI威脅從Google辭職

Hinton於1947年12月6日出生於英國溫布頓，是計算機科學家和認知心理學家，因在人工神經網絡方面的工作而聞名，並獲得了「人工智能教父」的稱號。

他於1970年獲得英國劍橋大學實驗心理學學士學位，1978年獲得英國愛丁堡大學人工智能學博士學位。2013年到2023年，他在Google大腦和加拿大多倫多大學工作。2017年，他與他人共同創立了多倫多矢量研究所並擔任首席科學顧問。

目前，他是多倫多大學計算機科學系的教授。Hinton的研究涉及如何使用神經網絡進行機器學習、記憶、感知和符號處理。他撰寫或與他人合作撰寫了 200 多篇同行評審的出版物。

其中，1986年，他與合作者撰寫了一篇得到廣泛引用的論文，該論文推廣了用於訓練多層神經網絡的反向傳播算法。

另外，Hinton也被視為深度學習社區的領軍人物。他與學生合作設計了AlexNet ，並被用於2012年的ImageNet 挑戰賽，這是計算機視覺領域的一次突破。

因在深度學習方面的貢獻，Hinton與Yoshua Bengio和Yann LeCun一起獲得了 2018 年圖靈獎，該獎通常被稱為「計算機界的盧保獎」。2023 年 5 月，Hinton 宣佈從Google辭職，以便能夠「自由地談論人工智能的風險」。

他對惡意行為者的故意濫用、技術失業以及通用人工智能的生存風險表示擔憂。他指出，製定安全準則需要人工智能應用領域的競爭者之間進行合作，以避免最壞的結果。

圖 | Geoffrey E. Hinton（來源：資料圖）

關於盧保物理學獎的「幕後故事」

1895 年 11 月 27 日，盧保（Nobel）在其遺囑中寫道，盧保物理學獎應頒發給「在物理學界做出最傑出發明或發現的人」。

因此，在盧保獎體系中，會有一部分頒布給那些在物理學領域具有傑出貢獻的科研工作者，這就是盧保物理學獎。

曆屆獲獎人中不乏改變物理界的大咖，例如從理論上解釋光電效應的艾伯特·愛恩斯坦（Albert Einstein）、在原子理論中發現新數學表述的埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger），還有共同提出宇稱不守恒理論的李政道和楊振寧以及發展用激光冷卻和捕獲原子方法的朱棣文等。

第一屆盧保物理學獎的頒布是在 1901 年。接下來，就讓我們瞭解一下從 1901 年到 2023 年關於盧保物理學獎的「幕後故事」。

◆ 1901 年-2023 年最受歡迎的盧保物理獎獲得者

圖丨艾伯特·愛恩斯坦（Albert Einstein）

生於：1879 年 3 月 14 日，德國烏爾姆

卒於：1955 年 4 月 18 日，美國紐澤西州普林斯頓

獲獎時的工作地：凱撒-威爾海姆研究所物理研究院（現馬基斯·普朗克研究所），德國柏林

獲獎評語：表彰他「對理論物理學做出的貢獻，尤其是光電效應定律的發現」

研究領域：理論物理

獲獎情況：1921 年單獨獲獎作為一名傳捷高學家，艾伯特∙愛恩斯坦（Albert Einstein）只獲得了 1921 年盧保物理學獎，獲獎原因或許也是他眾多理論成果中相對「最小」的一個。

而他在時空、引力理論等方面的諸多成就，在當時甚至如今都顯得「過於超前」，這可能也是盧保獎只基於「解釋光電效應」給他頒獎的原因。

愛恩斯坦在德國慕尼黑長大，在那裡，他的父親成立了一家電機工程公司。從瑞士蘇黎世聯邦理工學院畢業後，愛恩斯坦進入了瑞士伯爾尼專利局工作。在此期間，他發表了一系列在物理學領域具有賽前分析性的文章。

科學成就：當時科學家發現，物質吸收光子能量時，電子從物質中被激發並釋放出來。要產生這種「光電效應」，光必須高於某特定頻率。然而，根據當時的物理理論，光的強度才是重要因素。

1905 年，愛恩斯坦發表了幾篇劃時代的論文，在其中的一篇中，愛恩斯坦提出光是由光量子組成的，光量子的能量與其頻率有關。只有當光量子的頻率達到一定閾值時，才能從金屬中激發出電子。

圖丨尼爾斯·亨利克·大衛·玻爾（Niels Henrik David Bohr）

生於：1885 年 10 月 7 日，丹麥哥本哈根

卒於：1962 年 11 月 18 日，丹麥哥本哈根

獲獎時的工作地：哥本哈根大學，丹麥

獲獎評語：表彰他「對原子結構及原子輻射的研究」

研究領域：理論核物理

獲獎情況：1922 年單獨獲獎

科學成就：19 世紀末，出現了關於電子和原子輻射的一系列研究，科學家們建立了不同的原子結構模型。1913 年，玻爾根據量子理論提出了氫原子的結構模型。

他認為，原子能量如果要發生改變，只能在不同定態間以躍遷的方式進行，電子會按照特定軌道圍繞原子核運動。當電子躍遷到低能級軌道時，就會輻射出光子。玻爾的理論解釋了為什麼原子只有在特定波長照射下，才能發射光子。

圖丨瑪麗·斯克沃多夫斯卡·居里（Marie Skłodowska-Curie）

生於：1867 年 11 月 7 日，俄羅斯帝國（現波蘭）華沙

卒於：1934 年 7 月 4 日，法國薩朗什

獲獎評語：表彰他們「研究比基利爾發現的電離輻射現象時的卓越成就」

研究領域：核物理

獲獎情況：1903 年與其他二人共同獲獎瑪麗·斯克沃多夫斯卡·居里（Marie Skłodowska-Curie）出生於波蘭華沙一個非常注重教育的教師之家。為了繼續學業，她移居法國並在那裡遇到了皮埃爾·居里（Pierre Curie）。

後來，他成為了她的丈夫，也成為了她在放射領域中的研究夥伴。居里夫婦於 1903 年共同獲得了盧保物理學獎。不幸的是，1906 年，皮埃爾去世，但居里夫人並沒有停下他們的研究工作，並再次於 1911 年獲得盧保化學獎。

科學成就：受 1896 年比基利爾發現的電離輻射現象的激勵，瑪麗和皮埃爾決定進一步研究這一現象。他們為了獲得放射信號，對很多物質和元素進行了實驗。

他們發現瀝青鈾礦比純鈾的放射性更強，因此，其中應該含有其他放射性物質。並且，從瀝青鈾礦中提取出了兩種以前未知的元素：釙和鐳，它們的放射性都強於鈾。

在首次發現放射性元素釙和鐳以後，居里夫人對這兩種元素的性質做了更深入的研究。

1910 年她成功地分離出鐳，從而證明了鐳的存在，從此業界再無質疑之聲。此外，她還對鐳及其化合物的性質做了報導。放射性物質作為放射源，在科學實驗領域和癌症治療中變得越來越重要。

圖丨占士·查域（James Chadwick）

生於：1891 年 10 月 20 日，英國曼徹斯特

卒於：1974 年 7 月 24 日，英國劍橋

獲獎時的工作地：利物浦大學，英國

獲獎評語：表彰他「發現了中子」

研究領域：核物理

獲獎情況：1935 年單獨獲獎

科學成就：1930 年當海樸達·貝克和瓦爾特·博特用阿爾法粒子（氦原子核）轟擊鈹核時，觀察到了高能的穿透性的輻射現象。當時一個假說認為，這是一個具有高能量的電磁輻射。

然而 1932 年，占士·查域證明阿爾法粒子中含有一個和質子質量相當的中性粒子。更早時期，歐內斯特·盧瑟福也提出了這種粒子的存在，而該粒子就是現在已經被證實的中子。

圖丨約瑟夫·約翰·湯姆遜（Joseph John Thomson）

生於：1856 年 12 月 18 日，英國曼徹斯特附近的奇塔姆山

卒於：1940 年 8 月 30 日，英國劍橋

獲獎時的工作地：劍橋大學，英國

獲獎評語：表彰他「在氣體導電方面的理論和實驗研究」

研究領域：原子物理

獲獎情況：1906 年單獨獲獎

科學成就：1830 年首次出現一種觀點，認為電是通過原子中存在的微粒進行傳導。1890 年，約瑟夫·湯姆遜爵士利用氣體環境下帶電粒子，成功測定了電子質量。

1897 年，他證明了陰極射線（將兩片金屬電極置於低壓氣體環境的玻璃管中，並在其上加載電壓，陰極釋放出的電子就會像射線一樣飛往陽極）含有電子，從而帶有電荷。他同時指出，電子是原子的一部分。

圖丨埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）

生於：1887 年 8 月 12 日，奧地利維也納

卒於：1961 年 1 月 4 日，奧地利維也納

獲獎時的工作地：柏林大學，德國

獲獎評語：表彰他「發現了卓有成效的原子理論新形式」

研究領域：量子力學

獲獎情況：1933 年與另一人共同獲獎

科學成就：在玻爾的原子理論中，當電子從一個原子軌道躍遷到另一軌道時，就會吸收或發射特定波長的光。這一理論能夠很好地描述氫原子的光譜特徵。但是，要想描述更複雜的原子和分子，則需要進行修正。

以物質（比如電子）同時具有波動性和粒子性為前提，1926 年薛定諤給出了著名的薛定諤方程，引入波函數來描述微觀粒子的狀態。他對量子疊加態的闡述，也是大家熟悉的「薛定諤的貓」思想實驗的來源。

圖丨羅伯特·安德魯·密立根（Robert Andrews Millikan）

生於：1868 年 3 月 22 日，美國伊利諾伊州摩利臣

卒於：1953 年 12 月 19 日，美國加利福尼亞州聖馬利諾

獲獎時的工作地：加利福尼亞理工學院，美國加州帕薩迪納

獲獎評語：表彰他「在基本電荷和光電效應中做的工作」

研究領域：電磁效應、粒子物理

獲獎情況：1923 年單獨獲獎

科學成就：19 世紀 90 年代，電子理論的傳播使得電子的概念被大家接受。1910 年密立根成功地精確測量了基本電荷量的值。他通過平衡重力與電場力，將油滴懸浮於兩片金屬電極之間。

通過對許多油滴進行實驗後，密立根證明了它們的電荷總是一個確定值的倍數，因此認定這個確定值就是電荷值。

圖丨沃納·卡爾·海森堡（Werner Karl Heisenberg）

生於：1901 年 12 月 5 日，德國華斯堡

卒於：1976 年 2 月 1 日，德國慕尼黑

獲獎時的工作地：萊比錫大學，德國

獲獎評語：表彰他「創立了量子力學以及由此促進了氫的同素異形體的發現」

研究領域：量子物理

獲獎情況：1932 年單獨獲獎

科學成就：1925 年，沃納·卡爾·海森堡基於矩陣運算給出了一種量子理論的數學表述，稱為矩陣力學，後被薛定諤證明與波動描述在數學上是等價的。

1927 年，海森堡提出了著名的「不確定性原理」，即一個運動粒子的位置和速度不能同時被準確測量，其不確定度存在下限。

圖丨威廉·康拉德·倫琴（Wilhelm Conrad Röntgen）

生於：1845 年 3 月 27 日，普魯士倫內普（現德國雷姆沙伊德）

卒於：1923 年 2 月 10 日，德國慕尼黑

獲獎時的工作地：慕尼黑大學，德國

獲獎評語：表彰其「發現了意義非凡的射線，並在其中做出了傑出工作，這種新射線定名為倫琴射線」

研究領域：原子物理、X 射線

獲獎情況：1901 年單獨獲獎倫琴生於德國倫內普，長於荷蘭。他於瑞士蘇黎世聯邦理工學院畢業，並在那裡獲得物理學博士學位。

為了繼續他的研究，倫琴先後在法國斯特拉斯堡、德國吉森、德國華斯堡的大學工作。在華斯堡，他獲得了盧保獎，這也是首屆的盧保物理學獎。1900 年，倫琴來到慕尼黑大學，並在那裡度過了他的餘生。

值得一提的是，儘管 X 射線為他帶來了盧保物理學獎，但他把獎金全部捐給了華斯堡大學，也放棄了其專利權，最終在貧困中死於癌症。

科學成就：1895 年，倫琴把電極加載到兩個置於真空玻璃管中的金屬片上，用於研究陰極輻射。雖然裝置被覆蓋住，他還是觀察到當感光板靠近時，其上有微弱的螢光出現。

通過進一步試驗，他證實了該現像是一種尚未為人所知的具有穿透性的射線產生的。後來，X 射線成為物理研究和人體檢查中的有力工具。

圖丨馬基斯·卡爾·恩安斯·路德維希·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）

生於：1858 年 4 月 23 日，石勒蘇益格基爾（現屬德國）

卒於：1947 年 10 月 4 日，德國哥廷根

獲獎時的工作地：柏林大學，德國

獲獎理由：表彰他「因發現能量量子而對物理學的發展做出傑出貢獻」

研究領域：量子力學

獲獎情況：1918 年單獨獲獎

科學成就：當一個黑體被加熱時，照射到黑體表面的電磁輻射就會被黑體吸收並轉化為熱輻射，其光譜特徵僅與黑體溫度有關而與其材質無關。然而，用當時已知的物理定律計算熱輻射會得出無意義的結果，即在高頻區的熱輻射能量會趨於無窮大。

馬基斯∙普朗克在 1900 年通過引入能量的量子化理論解決了這個問題，即任意電磁輻射的能量大小都與一個常量有關，後人將這個常量命名為「普朗克常數」。

◆ 盧保物理學獎的數量

從 1901 年至 2023 年，共頒發了 117 屆盧保物理學獎。其中，由於戰爭原因有六年沒有頒發，分別是 1916 年、1931 年、1934 年、1940 年、1941 年和 1942 年。

獨享和共享的盧保物理學獎：47 次由一位獲獎者獨享；32 次由兩位獲獎者共享；38 次由三位獲獎者共享。

為什麼會出現這樣的情況？

在盧保委員會章程中可以找到答案：「若有兩個被提名者的工作都同樣出色難分伯仲，獎金可以由他們二人平分。如果獲獎成果是由兩到三人共同完成的，獎金則應授予項目共同完成人。但是，盧保獎不能由超過三個人共享。」

◆ 盧保物理學獎得獎人數

圖丨1956 年和 1972 年盧保物理學獎獲得者約翰∙巴丁（John Bardeen）

1901-2023 年間，盧保物理學獎共授予了 225 人次。其中，約翰∙巴丁（John Bardeen）是迄今為止唯一一位兩次獲得盧保物理學獎的人，因此實際上有 224 人獲得過盧保物理學獎。

◆ 最年輕的物理學獎獲得者

截至目前，最年輕的盧保物理學獎獲得者是當時年僅 25 歲的羅倫斯∙布拉格（Lawrence Bragg），他於 1915 年和他的父親威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）共同獲得該獎項。

◆女性獲獎者

圖丨1963 年盧保物理學獎獲得者瑪麗亞·格佩特·梅耶（Maria Goeppert-Mayer）

在所有盧保物理學獎獲得者中，僅有五名為女性，她們是：

1903 年的瑪麗·居里（Marie Curie）（大名鼎鼎的居里夫人，她還於 1911 年獲得盧保化學獎），1963 年的瑪麗亞·格佩特·梅耶（Maria Goeppert-Mayer），2018 年的唐娜·斯泰利克蘭（Donna Strickland），2020 年的安德里亞·蓋茲（Andrea Ghez）以及 2023 年的安妮·呂利耶（Anne L’Huillier）。

◆ 全家一起「牛」的獲獎者夫妻&子女檔

圖丨居里一家

瑪麗·居里和丈夫皮埃爾·居里（Marie Curie and Pierre Curie）於 1903 年共同獲得盧保物理學獎。瑪麗∙居里於 1911 年再次獲得盧保化學獎。而且，他們的大女兒伊雷娜·約里奧·居里（IrèneJ oliot-Curie），及其丈夫費特瑞克·約里奧（Frédéric Joliot）共同獲得 1935 年的盧保化學獎。

◆獲得物理學獎的父子檔