2024年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·霍普菲爾德與杰弗里·辛頓，以表彰他們“在利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)方面所做的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)和發(fā)明”。

自1901年首次頒發(fā)以來(lái)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一直被視為科學(xué)界的至高榮譽(yù)，它見(jiàn)證了物理學(xué)一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的每一次劃時(shí)代進(jìn)步。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予的當(dāng)然應(yīng)該是對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)等領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家，但值得特別關(guān)注的是，2024年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒發(fā)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)歷史性先例，該殊榮首次授予了在人工智能領(lǐng)域作出卓越貢獻(xiàn)的兩位科學(xué)家：美國(guó)普林斯頓大學(xué)的霍普菲爾德(J. J. Hopfield)與加拿大多倫多大學(xué)的辛頓(G. Hinton)。

這一決定迅速在學(xué)術(shù)界和公眾中引發(fā)了廣泛的討論以及質(zhì)疑，甚至有數(shù)位科學(xué)家在《自然》(Nature)雜志所刊登的訪談中公開(kāi)表達(dá)了他們的不解：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，怎么會(huì)頒給了在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域取得成就的學(xué)者?這一看似“打破常規(guī)”的頒獎(jiǎng)決策，是否預(yù)示著科學(xué)評(píng)價(jià)體系正醞釀著一場(chǎng)深刻的變革，抑或是對(duì)人工智能技術(shù)在當(dāng)代科學(xué)研究中所占據(jù)特殊地位的一種明確認(rèn)可?本文旨在深入剖析這一標(biāo)志性事件，挖掘其背后蘊(yùn)含的深遠(yuǎn)意義與廣泛影響，并進(jìn)一步探討人工智能如何與基礎(chǔ)學(xué)科相互融合，共同引領(lǐng)科學(xué)范式邁向一場(chǎng)全新的革命。

人工智能與諾貝爾獎(jiǎng)的碰撞

人類對(duì)智能本質(zhì)的探求，猶如對(duì)浩瀚宇宙的無(wú)盡探索，是一場(chǎng)永無(wú)終點(diǎn)的知識(shí)之旅。在此過(guò)程中，科學(xué)家們不斷超越自我認(rèn)知的界限，在歷史的長(zhǎng)河中留下了深刻的足跡。回望往昔，圖靈(A. Turing)那場(chǎng)著名的演講——“數(shù)字計(jì)算機(jī)能思考嗎?”——不僅激起了哲學(xué)領(lǐng)域的廣泛議論，更為人工智能的發(fā)展奠定了深邃的思考基礎(chǔ)。圖靈從計(jì)算的獨(dú)特視角出發(fā)，對(duì)智能進(jìn)行了深入的審視，并提出了以機(jī)器模擬人類智能這一宏大的設(shè)想，從而開(kāi)啟了人工智能研究的先河。

對(duì)人工智能的理論探索可追溯至20世紀(jì)中葉，彼時(shí)，科學(xué)家們深受生物神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)理的啟迪，著手嘗試構(gòu)建能模擬人類大腦計(jì)算功能的數(shù)學(xué)模型。1943年，心理學(xué)家麥卡洛克(W. S. McCulloch)與數(shù)學(xué)家皮茨(W. Pitts)攜手提出了人工神經(jīng)元的開(kāi)創(chuàng)性數(shù)學(xué)模型，此成果標(biāo)志著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的正式啟航。羅森布拉特(F. Rosenblatt)在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，推出了感知機(jī)模型，作為首個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例，它已經(jīng)可以勝任簡(jiǎn)單的線性分類任務(wù)，但卻無(wú)法順利處理包含“異或”這類特殊邏輯的問(wèn)題。在隨后的數(shù)十年間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究遭遇了重大挑戰(zhàn)，其發(fā)展因計(jì)算能力的局限、算法的不成熟以及理論支撐的匱乏而陷入長(zhǎng)期瓶頸，進(jìn)步遲緩乃至停滯不前。正是在這一背景下，霍普菲爾德與辛頓兩位科學(xué)家創(chuàng)新性地將物理學(xué)理論融入其中。鑒于物理學(xué)思想在處理復(fù)雜系統(tǒng)與優(yōu)化問(wèn)題方面所展現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這一融合最終為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的突破。

物理學(xué)思想推動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)新紀(jì)元

霍普菲爾德早期的研究聚焦于凝聚態(tài)物理，并在激子和半導(dǎo)體理論方面作出了重要貢獻(xiàn)。他始終堅(jiān)信自己的研究實(shí)踐嚴(yán)格遵循著物理學(xué)的核心理念與范式，并且從未將物理局限于研究對(duì)象的界定之中，而是認(rèn)為物理學(xué)的核心精髓在于世界是可知的。他主張通過(guò)分解物體，深入探究其組成部分之間的相互聯(lián)系，并依托實(shí)驗(yàn)手段，逐步建立起對(duì)物體行為精準(zhǔn)而定量的理解框架。霍普菲爾德細(xì)化了聯(lián)想記憶的概念，即根據(jù)部分信息——不管它是否包含誤差，利用相似性尋找正確的目標(biāo)。1982年，他提出了具備聯(lián)想記憶功能的霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)模型(Hopfield network)，這是一種基于物理學(xué)能量函數(shù)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其理論框架直接借鑒了物理學(xué)中的自旋玻璃理論。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出一種簡(jiǎn)潔而高效的結(jié)構(gòu)特性，具體表現(xiàn)為一個(gè)單層且全連接的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在這一架構(gòu)中，所有神經(jīng)元均被部署在同一處理層上，并且網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)神經(jīng)元均通過(guò)權(quán)重與其他所有神經(jīng)元建立了緊密的連接關(guān)系。這種設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)高度互動(dòng)且信息流通無(wú)障礙的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使得所有神經(jīng)元能夠協(xié)同參與信息的處理與存儲(chǔ)任務(wù)。神經(jīng)元的狀態(tài)也設(shè)計(jì)得極為簡(jiǎn)潔，它們僅有兩種不同的存在形式。這種設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的處理邏輯，使得網(wǎng)絡(luò)的操作更加直觀易懂。