为什么诺贝尔物理学奖颁给了 AI 大神

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瑞典皇家科学院刚宣布，科学家约翰·霍普菲尔德（John J. Hopfield) 和杰弗里·辛顿 (Geoffrey E. Hinton) 荣膺 2024年诺贝尔物理学奖，以表彰他们通过人工神经网络 (ANN) 实现机器学习而作出的基础性发现和发明 (for foundational discoveries and inventions that enable machine learning with artificial neural networks)。

乍看之下，是有点让人意外，毕竟两位获奖者在 AI 人工智能方向的贡献更偏计算机领域。事实上 Hinton 教授也因其在深度神经网络上的贡献，和 AI 领域的另外两位大神 Yoshua Bengio，Yann LeCun，一起在 2018 年获得了计算机领域的最高荣誉图灵奖。

但 Hinton 教授并不是第一位同时获得诺贝尔奖和图灵奖的科学家。在他之前，Herbert A. Simon 教授曾先后在 1975 年和 1978 年获得过图灵奖和诺贝尔经济学奖。巧合的是 Simon 教授也是因为在人工智能方面的贡献获得了图灵奖。

我们从诺奖组委会的官方公告里（可点击「阅读原文」查看），来一起探究一下这次物理学和 AI 的连线。

ANN 的物理学渊源

人工神经网络/Artificial Neural Network (ANN) 的起源来自于物理学。这次诺奖的获得者之一 Hopfield 教授是一名理论物理学家，尤其是生物物理学的巨擎。

他在上世纪 70 年代首先研究了生物分子之间的电子转移和生化反应中的误差修正，之后在 1982 年，他发表了一个基于简单循环神经网络的联想记忆动态模型 (dynamical model for an associative memory based on a simple recurrent neural network)。集体现象经常发生在物理系统中，例如磁系统中的域和流体流动中的涡流。Hopfield 思考大量神经元中出现的集体现象是否会产生「计算」能力。

1983 ～ 1985 间，Hinton 教授连同他人在 Hopfield 的模型基础上，开发了玻尔兹曼机（Boltzmann machine），它是最早能够学习内部表达，并能表达和（给定充足的时间）解决复杂的组合优化问题的神经网络。玻尔兹曼的名字来源于玻尔兹曼分布（Boltzmann distribution），属于统计力学和数学里的概念。

而在同一时期，前面提到的和 Hinton 教授齐名的另外两位 AI 大神 Yann LeCun 和 Yoshua Bengio，一起发明了卷积神经网络/Convolutional Neural Networks (CNN)，并且运用到实际应用中，银行通过 CNN 的方式来识别支票上手写的数字。而 CNN 最早的启发则来自于 1981 年诺贝尔生理学或医学奖获得者 David Hubel 和 Torsten Wiesel 的工作。

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进入 20 世纪，深度神经网络又迎来了新的突破。Hinton 教授实现了受限玻尔兹曼机（restricted Boltzmann machine）。然后就一直延续到了现在的 AI 发展。顺便提一嘴，OpenAI 的联合创始人和前首席科学家 Ilya Sutskever，当年也是 Hinton 教授的学生。

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反哺物理学的 ANN

ANN 也被越来越多地应用到物理学的研究中。粒子物理学领域，在俗称上帝粒子的 Higgs boson 希格斯玻色子的搜索中，CERN 就使用了 ANN 来提高搜索敏感度。在天体物理学领域，ANN 被用于南极 IceCube 中微子探测器的数据分析，得出了银河系的中微子图像。开普勒任务使用 ANN 识别了系外行星凌日。Event Horizon Telescope 事件视界望远镜拍摄的银河系中心黑洞图像也使用 ANN 进行数据处理。

诺贝尔奖的评选标准

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在设立诺贝尔奖的遗嘱里，诺贝尔是这样写的「the capital, invested in safe securities by my executors, shall constitute a fund, the interest on which shall be annually distributed in the form of prizes to those who, during the preceding year, shall have conferred the greatest benefit on mankind」。

「给人类带来最大的利益」可以是提出宇称不守恒理论（杨振宁，李政道, 1957 物理学奖），可以是发明光纤（高锟，2009 物理学奖），也可以是设计了更好的灯塔调节阀，而大大降低沉船事故（古斯塔夫·达伦，1912 物理学奖）。

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