Forskare använder AI för att upptäcka dolda lagar i laddade partikelsystem

Pesquisadores:s Emory University kombinerade ett specialdesignat neuralt nätverk med experimentella laboratoriedata. Resultatet avslöjar tidigare dolda mönster i interaktionen mellan plasmapartiklar och damm. Noggrannheten överstiger 99 % när det gäller att beskriva icke-ömsesidiga krafter. Verket publicerades i Proceedings av National Academy av Sciences.

Dammplasma består av joniserad gas som innehåller mikroskopiskt laddade partiklar. Esse-systemet förekommer naturligt i rymden, såsom i ringarna på Saturno, och även i markmiljöer, såsom rök från skogsbränder. Forskare spårade den tredimensionella rörelsen av dussintals partiklar i en kontrollerad vakuumkammare. De tillämpade sedan artificiell intelligens för att sluta sig till de krafter som styr kollektivt beteende.

Modelo AI lär sig krafter mellan partiklar med hög noggrannhet

Teamet separerade partikelrörelse i tre huvudkomponenter. En av dem är den hastighetsrelaterade dragkraften. Outro involverar miljökrafter som gravitation. Den tredje fångar direkta interaktioner mellan partiklar. Det neurala nätverket tränat med riktiga banor fångade asymmetriska detaljer. En ledande partikel kan attrahera den bakom sig, medan den efterföljande partikeln alltid stöter bort ledaren.

Essa ömsesidighet förekommer inte i många kroppssystem. Forskare jämför fenomenet med att två båtar korsar en sjö och genererar vågor. Var och ens kölvatten påverkar den andra på olika sätt beroende på deras relativa position. Modellen uppnådde en bestämningskoefficient större än 0,99 när man förutspådde partikelacceleration.

• Systemet gjorde det möjligt att mäta laster och pansarlängder med oöverträffad precision
• Oberoende Experimentos-validerade AI-härledda massor
• Resultados motsäger klassiska teoretiska antaganden om proportionalitet mellan storlek och last

Justin Burton, professor i experimentell fysik, lyfte fram att metoden inte fungerar som en svart låda. Nätverksstrukturen respekterar kända fysiska begränsningar och tillåter oss också att upptäcka det som inte var känt.

Suposições klassiska teorier motstår inte nya data

Tidigare Teorias antog att laddningen av en dammpartikel växer proportionellt mot dess radie. Data visar att förhållandet är mer komplext. Ela varierar beroende på plasmadensitet och temperatur. Den observerade exponenten är mellan 0,30 och 0,80 och ökar med bakgrundsgastrycket.

Outra Vanligt antagande ansåg att krafter mellan partiklar faller exponentiellt med avstånd, oavsett storlek. Analysen avslöjade ett tydligt partikelstorleksberoende på kraftavklingningen. Ytterligare Experimentos bekräftade dessa avvikelser.

Ilya Nemenman, professor i teoretisk fysik, förklarade att den höga precisionen gjorde det möjligt att korrigera gamla felaktigheter. Modellen erbjuder kvantitativa beskrivningar som inte fanns tidigare. Wentao Yu, första författare, arbetade med projektet som doktorand vid Emory och bedriver nu forskning vid Caltech. Eslam Abdelaleem, medförfattare, fungerar som postdoktor vid Georgia Tech.

Plasma med damm dyker upp i miljöer från vardag till kosmos

Plasma kallas materiens fjärde tillstånd eftersom elektroner och joner rör sig fritt. Ele utgör cirka 99,9 % av det synliga universum, från solvindar till blixtar. Dammversionen lägger till laddade korn som ändrar beteende.

Na Lua, svag gravitation gör att dammpartiklar flyter och fastnar på astronauternas kläder. Vid skogsbränder i Terra kan laddade sotpartiklar störa radiosignaler som används av brandmän. I laboratoriet suspenderar forskare plastmikrosfärer i en vakuumkammare och justerar trycket för att simulera verkliga förhållanden.

Leia Também

Kameror fångar bröders dialog efter att ha huggit av en kvinnas händer i Ceará

Misstänkt för att ha dödat en 8-årig pojke skjuts inne i en ambulans i SP

Militärpolis dör efter 20 dagar på sjukhus efter skottväxling i Paraná

Den tomografiska bildtekniken som utvecklats i Burton:s laboratorium använder ett laserark som skannar volymen. En höghastighetskamera spelar in bilder som, när de kombineras, rekonstruerar 3D-banor under några minuter.

Abordagem banar väg för andra system med många kroppar

Ramverket som utvecklats på Emory körs på en vanlig stationär dator. Ele kan anpassas för att studera kolloider i industriella färger och bläck eller kollektiva interaktioner i grupper av levande celler. Nemenman planerar att tillämpa liknande idéer på studiet av kollektiv rörelse i biologiska system under en praktik på Alemanha.

Vyacheslav Lukin, programdirektör på National Science Foundation, berömde det tvärvetenskapliga samarbetet. Framstegen kombinerar plasmafysik och artificiell intelligens och kan gynna förståelsen av levande system.

Forskningen fick primärt stöd från NSF, med ytterligare finansiering från Simons Foundation. Författarna betonar att framgång beror på noggrann nätverksdesign och mänsklig tolkning av resultat.

Detalhes-experimenttekniker förstärker tillförlitligheten

Forskarna validerade modellen på två oberoende sätt för att sluta sig till massan av varje partikel. Värdena sammanföll och matchade direkta mätningar med optisk mikroskopi. Essa intern konsistens ökar förtroendet för antagna krafter.

Det neurala nätverket innehåller fysiska symmetrier och hanterar icke-identiska partiklar. Utbildningen använde en begränsad mängd experimentella data, vilket krävde en specifik arkitektur. Reuniões veckosessioner under mer än ett år förfinade strukturen till en relativt enkel men kraftfull modell.

Impacto potential går utöver plasmafysik

Cientistas ser potential inom områden som industrimaterial och biologi. I cancer, till exempel, kan förståelse av kollektiva cellinteraktioner kasta ljus över metastasprocesser. Metoden erbjuder en utgångspunkt för att härleda lagar i system där direkta interaktioner är svåra att modellera.

Burton jämför ansvarsfull användning av AI med uppdraget att utforska det okända. Ele tror att verktyget, när det används väl, öppnar dörrar till helt nya upptäckter.

Studien visar att artificiell intelligens kan gå längre än att analysera eller förutsäga. Under rätt förhållanden hjälper det till att avslöja naturlagar som har förblivit dolda.