يستخدم الباحثون الذكاء الاصطناعي لاكتشاف القوانين الخفية في أنظمة الجسيمات المشحونة

قام الباحثون في جامعة إيموري بدمج شبكة عصبية مصممة خصيصًا مع بيانات مختبرية تجريبية. تكشف النتيجة عن أنماط كانت مخفية سابقًا في تفاعل جزيئات البلازما مع الغبار. الدقة تتجاوز 99% في وصف القوى غير المتبادلة. تم نشر العمل في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

تتكون بلازما الغبار من غاز متأين يحتوي على جزيئات مجهرية مشحونة. ويحدث هذا النظام بشكل طبيعي في الفضاء، كما هو الحال في حلقات زحل، وكذلك في البيئات الأرضية، مثل الدخان الناتج عن حرائق الغابات. قام العلماء بتتبع الحركة ثلاثية الأبعاد لعشرات الجزيئات في غرفة مفرغة يتم التحكم فيها. ثم قاموا بتطبيق الذكاء الاصطناعي لاستنتاج القوى التي تحكم السلوك الجماعي.

يتعلم نموذج الذكاء الاصطناعي القوى بين الجزيئات بدقة عالية

قام الفريق بفصل حركة الجسيمات إلى ثلاثة مكونات رئيسية. إحداها هي قوة السحب المرتبطة بالسرعة. آخر ينطوي على القوى البيئية، مثل الجاذبية. والثالث يلتقط التفاعلات المباشرة بين الجزيئات. التقطت الشبكة العصبية المدربة بمسارات حقيقية تفاصيل غير متماثلة. يمكن للجسيم المتقدم أن يجذب الجسيم الذي خلفه، في حين أن الجسيم اللاحق يصد القائد دائمًا.

تظهر عدم المعاملة بالمثل هذه في العديد من أنظمة الجسم. ويقارن الباحثون هذه الظاهرة بقاربين يعبران بحيرة ويولدان الأمواج. ويؤثر أثر كل منهما على الآخر بشكل مختلف حسب موقعهما النسبي. حقق النموذج معامل تحديد أكبر من 0.99 عند التنبؤ بتسارع الجسيمات.

• أتاح النظام قياس الأحمال وأطوال الدروع بدقة غير مسبوقة
• أثبتت التجارب المستقلة صحة الكتل المستنتجة بواسطة الذكاء الاصطناعي
• تتناقض النتائج مع الافتراضات النظرية الكلاسيكية حول التناسب بين الحجم والحمل

وأكد جاستن بيرتون، أستاذ الفيزياء التجريبية، أن الطريقة لا تعمل كصندوق أسود. يحترم هيكل الشبكة القيود المادية المعروفة ويسمح لنا أيضًا باكتشاف ما لم يكن معروفًا.

الافتراضات النظرية الكلاسيكية لا تقاوم البيانات الجديدة

افترضت النظريات السابقة أن الشحنة الموجودة على جسيم الغبار تنمو بشكل متناسب مع نصف قطرها. تظهر البيانات أن العلاقة أكثر تعقيدًا. ويختلف تبعا لكثافة ودرجة حرارة البلازما. الأس المرصود يتراوح بين 0.30 و0.80، ويزداد مع ضغط الغاز في الخلفية.

هناك افتراض شائع آخر ينص على أن القوى بين الجسيمات تنخفض بشكل كبير مع المسافة، بغض النظر عن الحجم. وكشف التحليل عن اعتماد واضح لحجم الجسيمات على اضمحلال القوة. وأكدت تجارب إضافية هذه الانحرافات.

وأوضح إيليا نيمانمان، أستاذ الفيزياء النظرية، أن الدقة العالية جعلت من الممكن تصحيح الأخطاء القديمة. يقدم النموذج أوصافًا كمية لم تكن موجودة من قبل. عمل وينتاو يو، المؤلف الأول، في المشروع عندما كان طالب دكتوراه في جامعة إيموري، ويتابع الآن البحث في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. إسلام عبد العليم، مؤلف مشارك، يعمل كزميل ما بعد الدكتوراه في جامعة جورجيا للتكنولوجيا.

تظهر البلازما المغبرة في البيئات بدءًا من الحياة اليومية وحتى الكون

تسمى البلازما بالحالة الرابعة للمادة لأن الإلكترونات والأيونات تتحرك بحرية. وهو يشكل حوالي 99.9% من الكون المرئي، من الرياح الشمسية إلى البرق. تضيف نسخة الغبار حبيبات مشحونة تغير السلوك.

وعلى القمر، تؤدي الجاذبية الضعيفة إلى ترك جزيئات الغبار تطفو وتلتصق بملابس رواد الفضاء. في حرائق الغابات على الأرض، يمكن أن تتداخل جزيئات السخام المشحونة مع إشارات الراديو التي يستخدمها رجال الإطفاء. في المختبر، يقوم العلماء بتعليق الكريات البلاستيكية الدقيقة في غرفة مفرغة من الهواء وضبط الضغط لمحاكاة الظروف الحقيقية.

Leia Também

يضمن متجر Epic Games الافتراضي استردادًا مجانيًا لاثني عشر عنوانًا رئيسيًا للاعبي الكمبيوتر الشخصي

تطلق شركة Sony وصولاً مجانيًا إلى لعبتين رئيسيتين لمستخدمي PlayStation 5 في المتجر الرقمي

يضمن مالكو وحدة التحكم PlayStation 5 الوصول النهائي إلى ألعاب Ark و2XKO على متجر سوني الرقمي

تستخدم تقنية التصوير المقطعي التي تم تطويرها في مختبر بيرتون ورقة ليزر تقوم بمسح الحجم. تسجل الكاميرا عالية السرعة الصور التي، عند دمجها، تعيد بناء مسارات ثلاثية الأبعاد خلال دقائق.

هذا النهج يمهد الطريق لأنظمة أخرى متعددة الجسم

يعمل إطار العمل الذي تم تطويره في Emory على كمبيوتر مكتبي مشترك. ويمكن تكييفها لدراسة المواد الغروية في الدهانات والأحبار الصناعية أو التفاعلات الجماعية في مجموعات من الخلايا الحية. ويخطط نيممان لتطبيق أفكار مماثلة على دراسة الحركة الجماعية في النظم البيولوجية خلال فترة تدريبه في ألمانيا.

وأشاد فياتشيسلاف لوكين، مدير البرامج في مؤسسة العلوم الوطنية، بالتعاون متعدد التخصصات. يجمع التقدم بين فيزياء البلازما والذكاء الاصطناعي ويمكن أن يفيد في فهم الأنظمة الحية.

تلقى البحث الدعم الأساسي من NSF، مع تمويل إضافي من مؤسسة سيمونز. يؤكد المؤلفون على أن النجاح يعتمد على التصميم الدقيق للشبكة والتفسير البشري للنتائج.

التفاصيل الفنية للتجربة تعزز الموثوقية

وقد تحقق الباحثون من صحة النموذج بطريقتين مستقلتين لاستنتاج كتلة كل جسيم. وتطابقت القيم وتطابقت مع القياسات المباشرة بالمجهر الضوئي. يزيد هذا الاتساق الداخلي من الثقة في نقاط القوة المستنتجة.

تتضمن الشبكة العصبية تماثلات فيزيائية وتتعامل مع جزيئات غير متطابقة. استخدم التدريب حجمًا محدودًا من البيانات التجريبية، الأمر الذي يتطلب بنية محددة. وقد أدت الاجتماعات الأسبوعية على مدار أكثر من عام إلى تحسين الهيكل وتحويله إلى نموذج بسيط نسبيًا ولكنه قوي.

التأثير المحتمل يتجاوز فيزياء البلازما

يرى العلماء إمكانات في مجالات مثل المواد الصناعية والبيولوجيا. في مرض السرطان، على سبيل المثال، يمكن لفهم التفاعلات الجماعية للخلايا أن يسلط الضوء على عمليات الانتشار. توفر هذه الطريقة نقطة انطلاق لاستنتاج القوانين في الأنظمة التي يصعب نمذجة التفاعلات المباشرة فيها.

يقارن بيرتون الاستخدام المسؤول للذكاء الاصطناعي بمهمة استكشاف المجهول. وهو يعتقد أن الأداة، عند استخدامها بشكل جيد، تفتح الأبواب أمام عوالم جديدة تمامًا من الاكتشاف.

توضح الدراسة أن الذكاء الاصطناعي يمكن أن يتجاوز التحليل أو التنبؤ. وفي ظل الظروف المناسبة، فإنه يساعد في الكشف عن قوانين الطبيعة التي ظلت مخفية.