2024年诺贝尔物理学奖揭晓：霍普菲尔德和辛顿因机器学习获此殊荣

2024年诺贝尔物理学奖揭晓：霍普菲尔德和辛顿因机器学习获此殊荣

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科学网

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https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/10/531146.shtm

北京时间10月8日下午5点45分许，2024年诺贝尔物理学奖揭晓。美国普林斯顿大学科学家约翰·霍普菲尔德（John J. Hopfield）和加拿大多伦多大学科学家杰弗里·辛顿（Geoffrey E. Hinton）获奖，以表彰他们“基于人工神经网络实现机器学习的基础性发现和发明”。

今年的两位诺贝尔物理学奖得主使用物理学的工具来开发方法，这些方法是当今强大的机器学习的基础。John J. Hopfield创造了一种联想记忆，可以存储和重建图像和其他类型的数据模式。Geoffrey Hinton发明了一种方法，可以自动发现数据中的属性，从而执行识别图片中的特定元素等任务。

当我们谈论人工智能时，我们通常指的是使用人工神经网络的机器学习。这项技术最初是受到大脑结构的启发。在人工神经网络中，大脑的神经元由具有不同值的节点表示。这些节点通过连接相互影响，这些连接可以被比作突触，可以增强或减弱。例如，通过在同时具有高值的节点之间建立更强的连接来训练网络。今年的获奖者从20世纪80年代开始就在人工神经网络方面开展了重要的工作。

John Hopfield发明了一种网络，可以使用一种方法来保存和重建模式。我们可以把节点想象成像素。Hopfield网络利用物理学来描述材料的特性，这是由于它的原子自旋——使每个原子成为微小磁铁的一种特性。整个网络的描述方式相当于物理中发现的自旋系统中的能量，并通过寻找节点之间的连接值来训练，以便保存的图像具有低能量。当Hopfield网络得到一张扭曲或不完整的图像时，它会有条不紊地通过节点并更新它们的值，这样网络的能量就会下降。因此，网络逐步找到最像它输入的不完美图像的已存图像。

Geoffrey Hinton使用Hopfield网络作为新网络的基础，它采用了一种不同的方法——玻尔兹曼机。它可以学习识别给定类型数据中的特征元素。Hinton使用了统计物理学的工具，这是一门由许多相似内容组成的系统科学。通过给机器输入在实际运行时很可能出现的例子来训练它。玻尔兹曼机器可以用来对图像进行分类，或者为它所训练的模式类型创建新的例子。Hinton在这项工作的基础上，帮助开启了当前机器学习的爆炸性发展。

“获奖者的工作已经带来了巨大的好处。在物理学中，我们在广泛的领域使用人工神经网络，例如开发具有特定性能的新材料。”诺贝尔物理学委员会主席Ellen Moons说。

获奖者简历

• John J. Hopfield，1933年出生于美国芝加哥。1958年从美国康奈尔大学获得博士学位。目前为美国普林斯顿大学教授。
• Geoffrey E. Hinton，1947年出生于英国伦敦。1978年从英国爱丁堡大学获得博士学位。目前为加拿大多伦多大学教授。

基于人工神经网络实现机器学习的基础性发现和发明。图片来自：瑞典皇家科学院/Johan Jarnestad

天然和人工神经元

大脑的神经网络是由活细胞、神经元和先进的内部机制构成的。它们可以通过突触相互传递信号。当我们学习东西时，一些神经元之间的联系变得更强，而另一些神经元之间的联系变得更弱。人工神经网络是由带有值编码的节点构建的。节点之间相互连接，当网络被训练时，同时活跃的节点之间的连接会变得更强，否则则会变弱。

图片来自：瑞典皇家科学院/Johan Jarnestad

过去10年诺贝尔物理学奖得主名单

• 2023年——美国科学家Pierre Agostini、德国科学家Ferenc Krausz和法国/瑞典科学家Anne L’Huillier获奖，获奖理由是“开发了产生阿秒光脉冲的实验方法，用于研究物质中的电子动力学”。
• 2022年——法美奥三位科学家Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger获奖，获奖理由是“进行了纠缠光子的实验，确立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”。
• 2021年——美德意三位科学家因“对人们理解复杂物理系统的开创性贡献”而获奖。美籍日裔科学家Syukuro Manabe、德国科学家Klaus Hasselmann的获奖理由是“物理模拟地球气候，量化变化和可靠地预测全球变暖”；意大利科学家Giorgio Parisi的获奖理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统的无序和波动的相互作用”。
• 2020年——英国科学家Roger Penrose获奖，获奖理由是“发现黑洞形成是广义相对论的一个有力预测”；另外两位获奖者是德国和美国科学家Reinhard Genzel、Andrea Ghez，获奖理由是“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”。
• 2019年——美国科学家James Peebles获奖，获奖理由是“在物理宇宙学的理论发现”；另外两位获奖者是瑞士科学家Michel Mayor和Didier Queloz，获奖理由是“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”。
• 2018年——美法加三位科学家Arthur Ashkin、Gerard Mourou和Donna Strickland获奖，获奖理由是“在激光物理学领域所作出的开创性发明”。
• 2017年——三位美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne获奖，获奖理由是“对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献”。
• 2016年——英美三位科学家David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane和J. Michael Kosterlitz获奖，获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。
• 2015年——日本科学家Takaaki Kajita和加拿大科学家Arthur B. McDonald获奖，获奖理由是“发现了中微子振荡，表明中微子具有质量”。
• 2014年——日本及美国三位科学家Isamu Akasaki、Hiroshi Amano、Shuji Nakamura获奖，获奖理由是“发明了高效蓝光二极管，带来了明亮而节能的白色光源”。

诺贝尔物理学奖小知识

• 截至2023年，诺贝尔物理学奖共颁发了117次，没有颁发的六年分别是1916、1931、1934、1940、1941和1942年。
• 从1901年至2023年，共225人次获奖，实际获奖个人为224人，因为美国物理学家John Bardeen于1956年和1972年两次获奖。
• 117次颁奖中，47次为单独获奖者，32次为2人共享，38次为3人共享。
• 最年轻的获奖者是英国物理学家Lawrence Bragg，1915年因“用X射线对晶体结构的分析所作的贡献”与父亲一起获奖，时年25岁。
• 最年长的获奖者是美国物理学家Arthur Ashkin，2018年因“在激光物理学领域所作出的开创性发明”获奖，时年96岁。
• 224位诺贝尔物理学奖得主中，有5位女性。分别是1903年的居里夫人（居里夫人另外还获得1911年的化学奖）、1963年的Maria Goeppert-Mayer、2018年的Donna Strickland、2020年的Andrea Ghez，以及2023年的Anne L’Huillier。
• 诺奖史上的“家庭”诺奖。
• 夫妇：Marie Curie和Pierre Curie夫妇获得1903年的诺贝尔物理学奖；
• 父子：William Bragg和Lawrence Bragg父子获得1915年的诺贝尔物理学奖；Niels Bohr获得1922年诺贝尔物理学奖，其子Aage N. Bohr获得1975年诺贝尔物理学奖；Manne Siegbahn获得1924年诺贝尔物理学奖，其子Kai M. Siegbahn获得1981年诺贝尔物理学奖；J. J. Thomson获得1906年诺贝尔物理学奖，其子George Paget Thomson获得1937年诺贝尔物理学奖。