Nagroda Nobla 2024 z fizyki: John J. Hopfield i Geoffrey E. Hinton za odkrycia i wynalazki związane ze sztucznymi sieciami neuronowymi
O Nagrodzie Nobla
Ustanowiona w testamencie przez Alfreda Nobla (szwedzkiego przemysłowca i wynalazcę dynamitu) nagroda przyznawana jest w sześciu kategoriach: fizjologia lub medycyna, fizyka, chemia, literatura, Pokojowa Nagroda Nobla oraz nauki ekonomiczne (od 1969 r.). Pierwsza gala rozdania tych wyróżnień odbyła się w Sztokholmie w 1901 r. Nagrody Nobla przyznawane są w Szwecji – otrzymują je konkretne osoby (jedynym wyjątkiem jest tutaj Pokojowa Nagroda Nobla, która może zostać przyznana także organizacjom czy instytucjom, a przyznawana jest w Norwegii).
Propozycje nominacji składa kilka tysięcy wybranych osobistości (przywilej ten mają także laureaci poprzednich edycji). Komitet Noblowski wybiera następnie ok. 200 kandydatów, a lista nazwisk wysyłana do wybranych ekspertów z dziedzin nominowanych. W kolejnym etapie zostaje wyłonionych 15 osób, a następnie Komitet przesyła swoje rekomendacje do Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk lub odpowiedniej instytucji, której członkowie głosują nad wyborem ostatecznego zwycięzcy.
Na Nagrodę Nobla składa się złoty medal, artystycznie wykonany dyplom i nagroda pieniężna (ok. 1 mln USD) umożliwiająca dalsze działania lub badania w danej dziedzinie.
Ta nagroda może być zaskoczeniem – uhonorowane zostały prace interdyscyplinarne, w których udział fizyki nie jest oczywisty.
Historia sztucznych sieci neuronowych sięga lat 40., kiedy badacze zaczęli interesować się matematycznymi regułami pracy neuronów biologicznych. Kiedy neurobiolog Donald Hebb zaproponował hipotezę, że sygnały neuronalne wzmacniają się, kiedy komórki są połączone i pracują razem, prace posunęły się znacząco naprzód. Zrozumiawszy podstawy działania sieci neuronowych, badacze zaczęli rozmyślać nad stworzeniem ich sztucznego odpowiednika.
Na kolejny istotny postęp trzeba było jednak czekać kilka dekad. W latach 80. Pewien fizyk przeprowadził się z Princeton University do Caltechu w południowej Kalifornii. Jego szerokie zainteresowania naukowe umożliwiły mu objęcie stanowiska profesora chemii i biologii na kalifornijskiej uczelni. Tam też zaczął on rozwijać swoje pomysły nt. działania sieci neuronowych. Swoją wiedzę o magnetyzmie i działaniu spinu w atomach wykorzystał do opisu oddziaływań między pojedynczymi neuronami, tworząc teorię „sieci Hopfielda”.
Praca Johna Hopfielda wpadła w ręce drugiemu bohaterowi dzisiejszego dnia, Geoffreyowi Hintonowi, który w tamtym czasie pracował na University of Pittsburgh i zajmował się psychologią i sztuczną inteligencją. Po jej przeczytaniu postanowił rozwinąć ideę jego sieci w coś większego, używając do tego fizyki statystycznej, w szczególności pewnego równania Ludwiga Boltzmana – stąd praca Hintona stała się znana jako „maszyna Boltzmana”.
Działa ona poprzez dwie grupy węzłów: widoczne, do których wprowadzane są dane, oraz ukryte, które wpływają na ogólną energię sieci. Aktualizacja wartości węzłów odbywa się według określonych reguł, aż maszyna osiągnie stan, w którym wzorce w węzłach mogą się zmieniać, ale właściwości całej sieci pozostają stabilne. Każdy wzorzec ma przypisaną prawdopodobieństwo, zależne od energii sieci, co pozwala generować nowe wzorce. Maszyna Boltzmanna uczy się na przykładach, poprzez dostosowywanie połączeń między węzłami, aby wzorce podane na etapie treningu miały najwyższe prawdopodobieństwo wystąpienia. Po treningu maszyna może rozpoznawać podobne wzorce w nowych danych, nawet jeśli nie widziała ich wcześniej.
Maszyna Boltzmana okazała się niezwykle wydajna w programowaniu złożonych systemów informatycznych. Stała się podstawą uczenia maszynowego, które dało nam jedną z najważniejszych rewolucji technologicznych w XXI w. Było też istotnym elementem w wielu innych, najważniejszych przedsięwzięciach naukowych ostatnich lat, spośród których wiele zostało również uhonorowanych Nagrodą Nobla.
W tym roku Szwedzka Akademia postanowiła więc nagrodzić dwóch badaczy, którzy położyli podwaliny pod to potężne, wszechstronne narzędzie. Kto wie, ile jeszcze przełomów zostanie dzięki ich pracy dokonanych.
W liczbach
W latach 1901–2023 Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki przyznano 117 razy, a wyróżniono nią 224 osoby.
Nobla w tej kategorii zdobyło pięć kobiet: Maria Skłodowska-Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963), Donna Strickland (2018), Andrea Ghez (2020) i Anne L’Huillier (2023).
John Bardeen, jako jedyny laureat, został w dziedzinie fizyki uhonorowany: w 1956 r. za udział w wynalezieniu tranzystora oraz ponownie w 1972 r. za wkład w rozwój teorii nadprzewodnictwa (tzw. teoria BCS).
Najmłodszym laureatem był wyróżniony w 1915 roku wraz z ojcem William Lawrence Bragg "za wkład w badanie struktury krystalicznej przy użyciu promieni Röntgena", który w chwili ogłoszenia nagrody miał 25 lat. Natmiast najstarszym laureatem Nobla w tej kategorii w 2018 został Arthur Ashkin, który miał wówczas 96 lat.
.
O laureatach
John Hopfield (Princeton University) wynalazł sieć, która wykorzystuje metodę zapisywania i odtwarzania wzorców. Możemy sobie wyobrazić węzły jako piksele. Sieć Hopfielda wykorzystuje fizykę, która opisuje charakterystykę materiału ze względu na jego spin atomowy - właściwość, która sprawia, że każdy atom jest maleńkim magnesem. Sieć jako całość jest opisana w sposób równoważny energii w systemie spinowym występującym w fizyce i jest trenowana poprzez znajdowanie wartości dla połączeń między węzłami, tak aby zapisane obrazy miały niską energię. Gdy sieć Hopfield jest zasilana zniekształconym lub niekompletnym obrazem, metodycznie przechodzi przez węzły i aktualizuje ich wartości, aby energia sieci spadła. W ten sposób sieć działa stopniowo, aby znaleźć zapisany obraz, który jest najbardziej podobny do niedoskonałego obrazu, którym została zasilona.
Geoffrey Hinton (University of Toronto) wykorzystał sieć Hopfielda 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 szkolona poprzez podawanie jej przykładów, które z dużym prawdopodobieństwem pojawią się, gdy maszyna zostanie uruchomiona. Maszyna Boltzmanna może być używana do klasyfikowania obrazów lub tworzenia nowych przykładów typu wzorca, na którym została przeszkolona. Hinton oparł się na tej pracy, pomagając zapoczątkować obecny gwałtowny rozwój uczenia maszynowego.
Kalendarz Noblowski 2024
W 2024 roku Nagrody Nobla ogłaszane są w dniach 7-14 października.
Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny została przyznana 7 października 2024 r. Laureatami zostali: Victor Ambros i Gary Ruvkun „za odkrycie mikroRNA i jego roli w potranskrypcyjnej regulacji genów”. Czytaj: TUTAJ
Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana 8 października 2024 r. Laureatami zostali: John J. Hopfield i Geoffrey E. Hinton „za fundamentalne odkrycia i wynalazki, które umożliwiają uczenie maszynowe za pomocą sztucznych sieci neuronowych”. Czytaj: TUTAJ
Nagroda Nobla w dziedzinie chemii została przyznana 9 października 2024 r. Laureatami zostali: David Baker „za obliczeniowe projektowanie białek” oraz Demis Hassabis i John M. Jumper „za przewidywanie struktury białek”. Czytaj: TUTAJ
Nagroda Nobla w dziedzinie literatury (Literacka Nagroda Nobla) została przyznana 10 października 2024 r. Laureatką została: Han Kang „za jej intensywną prozę poetycką, która konfrontuje się z historycznymi traumami i obnaża kruchość ludzkiego życia”. Czytaj: TUTAJ
Pokojowa Nagroda Nobla zostanie przyznana 11 października 2024 r.
Nagroda Nobla z dziedziny ekonomii zostanie przyznana 14 października 2024 r.