2024年物理诺奖颁给AI+物理：Geoffrey Hinton和John Hopfield获奖

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2024年诺贝尔物理学奖授予美加科学家John J. Hopfield和Geoffrey E. Hinton，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。两人成果代表计算机科学进步，为当今强大机器学习奠定基础。

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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。来自美国和加拿大的两名科学家John J. Hopfield、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”。

今年获奖的两位物理学家完全出乎所有人的预料。与传统的物理学研究不同，今年得主的成果代表着计算机科学的进步。之前，诺贝尔物理学奖从未直接颁发给计算机科学相关的研究，尤其是软件、算法相关的研究。

颁奖的时候，Hinton也处于在线上网状态，但他表示他完全没想到自己能获得诺贝尔物理学奖。Hinton回忆了自己成果的发现过程，并致敬了所有的合作者，讲述了他们是如何一步一步实现了基于玻尔兹曼机的学习算法。

当被问到他自己在用什么AI工具时，Hinton表示他自己在用GPT-4。他不完全相信GPT-4的答案，但一旦自己有什么不知道，就会去问一下GPT-4。

（来源：诺奖官网）

诺奖委员会表示，今年这两位诺贝尔物理学奖得主利用物理学工具开发出的人工神经网络方法，为当今强大的机器学习奠定了基础。

Hopfield发明了一种联想记忆，可以存储和重建图像和其他类型的数据模式。Hinton发明了一种可以在数据中自主查找属性的方法，从而执行诸如识别图片中特定元素等任务。

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。而这项技术的早期灵感来自大脑结构。

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。这些节点通过类似突触的连接相互影响，这些连接可以变得更强或更弱。而网络可以被训练，例如通过在同时具有高值的节点之间建立更强的连接。

今年的获奖者从20世纪80年代开始就对人工神经网络进行了重要研究。Hopfield发明了一种网络——Hopfield网络，它使用了一种可保存和重建图片的方法。

我们可以将节点想象成像素。Hopfield网络利用物理学来描述材料由于原子自旋而产生的特性，这种特性使每个原子都成为了一个微小的磁铁。

整个网络的描述方式相当于物理学中自旋系统的能量，并通过寻找节点之间连接的值来进行训练，以便让保存的图像具有较低的能量。

当Hopfield网络被输入变形或不完整的图像时，它会有条不紊地处理节点并更新它们的值，从而降低网络的能量。因此，网络会逐步找到与输入的不完美图像最相似的保存图像。

Hinton以Hopfield网络为基础，开发了一种新网络：玻尔兹曼机（Boltzmann machine）。这种机器能够通过学习来识别某类数据中的特定元素特征。在此期间，Hinton利用了统计物理学的工具。

统计物理学是研究由许多相似组件构建的系统性科学，并通过输入机器运行时很可能出现的例子来训练机器。

玻尔兹曼机可以用来分类图像或根据它训练时使用的模式类型创建新例子。Hinton在此基础上继续发展，帮助启动了当前机器学习的爆炸式发展。

诺贝尔物理学奖委员会主席Ellen Moons表示：“获奖者的工作已经产生了巨大的效益。在物理学中，人工神经网络已经得到了广泛的应用，例如开发具有特定属性的新材料。”

John J. Hopfield：91岁的高龄诺奖得主

Hopfield是美国普林斯顿大学教授。其因对联想神经网络的研究而广为人知，该模型现在被称为Hopfield网络。

他的父母都是物理学家。早年，他在美国斯沃斯莫尔学院获得学士学位，之后在美国康奈尔大学获得物理学博士学位。在美国贝尔实验室的理论小组工作两年后，分别在美国加州大学伯克利分校、普林斯顿大学和美国加州理工学院任教，随后再次回到普林斯顿大学任教。

1974 年，Hopfield证明了基因表达的高精确度可以用称为“动态校对”的偶联化学反应来解释，这也是遗传学领域的一项重大贡献。

他将动态校对描述为生物反应（如蛋白质合成）中的一种纠错机制，它在基因表达的所有步骤以及免疫系统识别外来物质的能力中都是必不可少的。

1982 年，他开发了一种神经网络模型，用于解释大脑如何回忆记忆。其解释了神经元系统如何相互作用以产生稳定的记忆，以及神经元系统如何应用简单的过程来根据部分信息完成整个记忆。

Hopfield神经网络对物理学、生物学和计算机科学等不同领域产生显著影响。通过构建能够模拟人脑某些功能的人工神经网络，机器现在可以使用这些过程来存储“记忆”，这项技术进步掀起了深度学习技术的研究浪潮。目前，他的研究主要集中于动作电位定时和同步如何用于神经生物学计算。

图 | John J. Hopfield（来源：资料图）

Geoffrey E. Hinton：此前曾获图灵奖，因担忧AI威胁从谷歌辞职

Hinton于1947年12月6日出生于英国温布尔登，是计算机科学家和认知心理学家，因在人工神经网络方面的工作而闻名，并获得了“人工智能教父”的称号。

他于1970年获得英国剑桥大学实验心理学学士学位，1978年获得英国爱丁堡大学人工智能学博士学位。2013年到2023年，他在谷歌大脑和加拿大多伦多大学工作。2017年，他与他人共同创立了多伦多矢量研究所并担任首席科学顾问。

目前，他是多伦多大学计算机科学系的教授。Hinton的研究涉及如何使用神经网络进行机器学习、记忆、感知和符号处理。他撰写或与他人合作撰写了 200 多篇同行评审的出版物。

其中，1986年，他与合作者撰写了一篇得到广泛引用的论文，该论文推广了用于训练多层神经网络的反向传播算法。

另外，Hinton也被视为深度学习社区的领军人物。他与学生合作设计了AlexNet ，并被用于2012年的ImageNet 挑战赛，这是计算机视觉领域的一次突破。

因在深度学习方面的贡献，Hinton与Yoshua Bengio和Yann LeCun一起获得了 2018 年图灵奖，该奖通常被称为“计算机界的诺贝尔奖”。2023 年 5 月，Hinton 宣布从谷歌辞职，以便能够“自由地谈论人工智能的风险”。

他对恶意行为者的故意滥用、技术失业以及通用人工智能的生存风险表示担忧。他指出，制定安全准则需要人工智能应用领域的竞争者之间进行合作，以避免最坏的结果。

图 | Geoffrey E. Hinton（来源：资料图）

关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”

1895 年 11 月 27 日，诺贝尔（Nobel）在其遗嘱中写道，诺贝尔物理学奖应颁发给“在物理学界做出最杰出发明或发现的人”。

因此，在诺贝尔奖体系中，会有一部分颁布给那些在物理学领域具有杰出贡献的科研工作者，这就是诺贝尔物理学奖。

历届获奖人中不乏改变物理界的大咖，例如从理论上解释光电效应的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）、在原子理论中发现新数学表述的埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger），还有共同提出宇称不守恒理论的李政道和杨振宁以及发展用激光冷却和捕获原子方法的朱棣文等。

第一届诺贝尔物理学奖的颁布是在 1901 年。接下来，就让我们了解一下从 1901 年到 2023 年关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”。

◆ 1901 年-2023 年最受欢迎的诺贝尔物理奖获得者

图丨阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）

生于：1879 年 3 月 14 日，德国乌尔姆

卒于：1955 年 4 月 18 日，美国新泽西州普林斯顿

获奖时的工作地：凯撒-威尔海姆研究所物理研究院（现马克斯·普朗克研究所），德国柏林

获奖评语：表彰他“对理论物理学做出的贡献，尤其是光电效应定律的发现”

研究领域：理论物理

获奖情况：1921 年单独获奖作为一名传奇科学家，阿尔伯特∙爱因斯坦（Albert Einstein）只获得了 1921 年诺贝尔物理学奖，获奖原因或许也是他众多理论成果中相对“最小”的一个。

而他在时空、引力理论等方面的诸多成就，在当时甚至如今都显得“过于超前”，这可能也是诺贝尔奖只基于“解释光电效应”给他颁奖的原因。

爱因斯坦在德国慕尼黑长大，在那里，他的父亲成立了一家电机工程公司。从瑞士苏黎世联邦理工学院毕业后，爱因斯坦进入了瑞士伯尔尼专利局工作。在此期间，他发表了一系列在物理学领域具有前瞻性的文章。

科学成就：当时科学家发现，物质吸收光子能量时，电子从物质中被激发并释放出来。要产生这种“光电效应”，光必须高于某特定频率。然而，根据当时的物理理论，光的强度才是重要因素。

1905 年，爱因斯坦发表了几篇划时代的论文，在其中的一篇中，爱因斯坦提出光是由光量子组成的，光量子的能量与其频率有关。只有当光量子的频率达到一定阈值时，才能从金属中激发出电子。

图丨尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔（Niels Henrik David Bohr）

生于：1885 年 10 月 7 日，丹麦哥本哈根

卒于：1962 年 11 月 18 日，丹麦哥本哈根

获奖时的工作地：哥本哈根大学，丹麦

获奖评语：表彰他“对原子结构及原子辐射的研究”

研究领域：理论核物理

获奖情况：1922 年单独获奖

科学成就：19 世纪末，出现了关于电子和原子辐射的一系列研究，科学家们建立了不同的原子结构模型。1913 年，玻尔根据量子理论提出了氢原子的结构模型。

他认为，原子能量如果要发生改变，只能在不同定态间以跃迁的方式进行，电子会按照特定轨道围绕原子核运动。当电子跃迁到低能级轨道时，就会辐射出光子。玻尔的理论解释了为什么原子只有在特定波长照射下，才能发射光子。

图丨玛丽·斯克沃多夫斯卡·居里（Marie Skłodowska-Curie）

生于：1867 年 11 月 7 日，俄罗斯帝国（现波兰）华沙

卒于：1934 年 7 月 4 日，法国萨朗什

获奖评语：表彰他们“研究贝克勒尔发现的电离辐射现象时的卓越成就”

研究领域：核物理

获奖情况：1903 年与其他二人共同获奖玛丽·斯克沃多夫斯卡·居里（Marie Skłodowska-Curie）出生于波兰华沙一个非常注重教育的教师之家。为了继续学业，她移居法国并在那里遇到了皮埃尔·居里（Pierre Curie）。

后来，他成为了她的丈夫，也成为了她在放射领域中的研究伙伴。居里夫妇于 1903 年共同获得了诺贝尔物理学奖。不幸的是，1906 年，皮埃尔去世，但居里夫人并没有停下他们的研究工作，并再次于 1911 年获得诺贝尔化学奖。

科学成就：受 1896 年贝克勒尔发现的电离辐射现象的激励，玛丽和皮埃尔决定进一步研究这一现象。他们为了获得放射信号，对很多物质和元素进行了实验。

他们发现沥青铀矿比纯铀的放射性更强，因此，其中应该含有其他放射性物质。并且，从沥青铀矿中提取出了两种以前未知的元素：钋和镭，它们的放射性都强于铀。

在首次发现放射性元素钋和镭以后，居里夫人对这两种元素的性质做了更深入的研究。

1910 年她成功地分离出镭，从而证明了镭的存在，从此业界再无质疑之声。此外，她还对镭及其化合物的性质做了报道。放射性物质作为放射源，在科学实验领域和癌症治疗中变得越来越重要。

图丨詹姆斯·查德威克（James Chadwick）

生于：1891 年 10 月 20 日，英国曼彻斯特

卒于：1974 年 7 月 24 日，英国剑桥

获奖时的工作地：利物浦大学，英国

获奖评语：表彰他“发现了中子”

研究领域：核物理

获奖情况：1935 年单独获奖

科学成就：1930 年当海波特·贝克和瓦尔特·博特用阿尔法粒子（氦原子核）轰击铍核时，观察到了高能的穿透性的辐射现象。当时一个假说认为，这是一个具有高能量的电磁辐射。

然而 1932 年，詹姆斯·查德威克证明阿尔法粒子中含有一个和质子质量相当的中性粒子。更早时期，欧内斯特·卢瑟福也提出了这种粒子的存在，而该粒子就是现在已经被证实的中子。

图丨约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）

生于：1856 年 12 月 18 日，英国曼彻斯特附近的奇塔姆山

卒于：1940 年 8 月 30 日，英国剑桥

获奖时的工作地：剑桥大学，英国

获奖评语：表彰他“在气体导电方面的理论和实验研究”

研究领域：原子物理

获奖情况：1906 年单独获奖

科学成就：1830 年首次出现一种观点，认为电是通过原子中存在的微粒进行传导。1890 年，约瑟夫·汤姆逊爵士利用气体环境下带电粒子，成功测定了电子质量。

1897 年，他证明了阴极射线（将两片金属电极置于低压气体环境的玻璃管中，并在其上加载电压，阴极释放出的电子就会像射线一样飞往阳极）含有电子，从而带有电荷。他同时指出，电子是原子的一部分。

图丨埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）

生于：1887 年 8 月 12 日，奥地利维也纳

卒于：1961 年 1 月 4 日，奥地利维也纳

获奖时的工作地：柏林大学，德国

获奖评语：表彰他“发现了卓有成效的原子理论新形式”

研究领域：量子力学

获奖情况：1933 年与另一人共同获奖

科学成就：在玻尔的原子理论中，当电子从一个原子轨道跃迁到另一轨道时，就会吸收或发射特定波长的光。这一理论能够很好地描述氢原子的光谱特征。但是，要想描述更复杂的原子和分子，则需要进行修正。

以物质（比如电子）同时具有波动性和粒子性为前提，1926 年薛定谔给出了著名的薛定谔方程，引入波函数来描述微观粒子的状态。他对量子叠加态的阐述，也是大家熟悉的“薛定谔的猫”思想实验的来源。

图丨罗伯特·安德鲁·密立根（Robert Andrews Millikan）

生于：1868 年 3 月 22 日，美国伊利诺伊州莫里森

卒于：1953 年 12 月 19 日，美国加利福尼亚州圣马利诺

获奖时的工作地：加利福尼亚理工学院，美国加州帕萨迪纳

获奖评语：表彰他“在基本电荷和光电效应中做的工作”

研究领域：电磁效应、粒子物理

获奖情况：1923 年单独获奖

科学成就：19 世纪 90 年代，电子理论的传播使得电子的概念被大家接受。1910 年密立根成功地精确测量了基本电荷量的值。他通过平衡重力与电场力，将油滴悬浮于两片金属电极之间。

通过对许多油滴进行实验后，密立根证明了它们的电荷总是一个确定值的倍数，因此认定这个确定值就是电荷值。

图丨沃纳·卡尔·海森堡（Werner Karl Heisenberg）

生于：1901 年 12 月 5 日，德国维尔茨堡

卒于：1976 年 2 月 1 日，德国慕尼黑

获奖时的工作地：莱比锡大学，德国

获奖评语：表彰他“创立了量子力学以及由此促进了氢的同素异形体的发现”

研究领域：量子物理

获奖情况：1932 年单独获奖

科学成就：1925 年，沃纳·卡尔·海森堡基于矩阵运算给出了一种量子理论的数学表述，称为矩阵力学，后被薛定谔证明与波动描述在数学上是等价的。

1927 年，海森堡提出了著名的“不确定性原理”，即一个运动粒子的位置和速度不能同时被准确测量，其不确定度存在下限。

图丨威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）

生于：1845 年 3 月 27 日，普鲁士伦内普（现德国雷姆沙伊德）

卒于：1923 年 2 月 10 日，德国慕尼黑

获奖时的工作地：慕尼黑大学，德国

获奖评语：表彰其“发现了意义非凡的射线，并在其中做出了杰出工作，这种新射线定名为伦琴射线”

研究领域：原子物理、X 射线

获奖情况：1901 年单独获奖伦琴生于德国伦内普，长于荷兰。他于瑞士苏黎世联邦理工学院毕业，并在那里获得物理学博士学位。

为了继续他的研究，伦琴先后在法国斯特拉斯堡、德国吉森、德国维尔茨堡的大学工作。在维尔茨堡，他获得了诺贝尔奖，这也是首届的诺贝尔物理学奖。1900 年，伦琴来到慕尼黑大学，并在那里度过了他的余生。

值得一提的是，尽管 X 射线为他带来了诺贝尔物理学奖，但他把奖金全部捐给了维尔茨堡大学，也放弃了其专利权，最终在贫困中死于癌症。

科学成就：1895 年，伦琴把电极加载到两个置于真空玻璃管中的金属片上，用于研究阴极辐射。虽然装置被覆盖住，他还是观察到当感光板靠近时，其上有微弱的荧光出现。

通过进一步试验，他证实了该现象是一种尚未为人所知的具有穿透性的射线产生的。后来，X 射线成为物理研究和人体检查中的有力工具。

图丨马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）

生于：1858 年 4 月 23 日，石勒苏益格基尔（现属德国）

卒于：1947 年 10 月 4 日，德国哥廷根

获奖时的工作地：柏林大学，德国

获奖理由：表彰他“因发现能量量子而对物理学的发展做出杰出贡献”

研究领域：量子力学

获奖情况：1918 年单独获奖

科学成就：当一个黑体被加热时，照射到黑体表面的电磁辐射就会被黑体吸收并转化为热辐射，其光谱特征仅与黑体温度有关而与其材质无关。然而，用当时已知的物理定律计算热辐射会得出无意义的结果，即在高频区的热辐射能量会趋于无穷大。

马克斯∙普朗克在 1900 年通过引入能量的量子化理论解决了这个问题，即任意电磁辐射的能量大小都与一个常量有关，后人将这个常量命名为“普朗克常数”。

◆ 诺贝尔物理学奖的数量

从 1901 年至 2023 年，共颁发了 117 届诺贝尔物理学奖。其中，由于战争原因有六年没有颁发，分别是 1916 年、1931 年、1934 年、1940 年、1941 年和 1942 年。

独享和共享的诺贝尔物理学奖：47 次由一位获奖者独享；32 次由两位获奖者共享；38 次由三位获奖者共享。

为什么会出现这样的情况？

在诺贝尔委员会章程中可以找到答案：“若有两个被提名者的工作都同样出色难分伯仲，奖金可以由他们二人平分。如果获奖成果是由两到三人共同完成的，奖金则应授予项目共同完成人。但是，诺贝尔奖不能由超过三个人共享。”

◆ 诺贝尔物理学奖得奖人数

图丨1956 年和 1972 年诺贝尔物理学奖获得者约翰∙巴丁（John Bardeen）

1901-2023 年间，诺贝尔物理学奖共授予了 225 人次。其中，约翰∙巴丁（John Bardeen）是迄今为止唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人，因此实际上有 224 人获得过诺贝尔物理学奖。

◆ 最年轻的物理学奖获得者

截至目前，最年轻的诺贝尔物理学奖获得者是当时年仅 25 岁的劳伦斯∙布拉格（Lawrence Bragg），他于 1915 年和他的父亲威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）共同获得该奖项。

◆女性获奖者

图丨1963 年诺贝尔物理学奖获得者玛丽亚·格佩特·梅耶（Maria Goeppert-Mayer）

在所有诺贝尔物理学奖获得者中，仅有五名为女性，她们是：

1903 年的玛丽·居里（Marie Curie）（大名鼎鼎的居里夫人，她还于 1911 年获得诺贝尔化学奖），1963 年的玛丽亚·格佩特·梅耶（Maria Goeppert-Mayer），2018 年的唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），2020 年的安德里亚·盖兹（Andrea Ghez）以及 2023 年的安妮·吕利耶（Anne L'Huillier）。

◆ 全家一起“牛”的获奖者夫妻&子女档

图丨居里一家

玛丽·居里和丈夫皮埃尔·居里（Marie Curie and Pierre Curie）于 1903 年共同获得诺贝尔物理学奖。玛丽∙居里于 1911 年再次获得诺贝尔化学奖。而且，他们的大女儿伊雷娜·约里奥·居里（IrèneJ oliot-Curie），及其丈夫弗雷德里克·约里奥（Frédéric Joliot）共同获得 1935 年的诺贝尔化学奖。

◆获得物理学奖的父子档